drivers/xen/gntalloc.c

   1 /******************************************************************************
   2  * gntalloc.c
   3  *
   4  * Device for creating grant references (in user-space) that may be shared
   5  * with other domains.
   6  *
   7  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
   8  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
   9  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  10  * GNU General Public License for more details.
  11  *
  12  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  13  * along with this program; if not, write to the Free Software
  14  * Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
  15  */
  16
  17 /*
  18  * This driver exists to allow userspace programs in Linux to allocate kernel
  19  * memory that will later be shared with another domain.  Without this device,
  20  * Linux userspace programs cannot create grant references.
  21  *
  22  * How this stuff works:
  23  *   X -> granting a page to Y
  24  *   Y -> mapping the grant from X
  25  *
  26  *   1. X uses the gntalloc device to allocate a page of kernel memory, P.
  27  *   2. X creates an entry in the grant table that says domid(Y) can access P.
  28  *      This is done without a hypercall unless the grant table needs expansion.
  29  *   3. X gives the grant reference identifier, GREF, to Y.
  30  *   4. Y maps the page, either directly into kernel memory for use in a backend
  31  *      driver, or via a the gntdev device to map into the address space of an
  32  *      application running in Y. This is the first point at which Xen does any
  33  *      tracking of the page.
  34  *   5. A program in X mmap()s a segment of the gntalloc device that corresponds
  35  *      to the shared page, and can now communicate with Y over the shared page.
  36  *
  37  *
  38  * NOTE TO USERSPACE LIBRARIES:
  39  *   The grant allocation and mmap()ing are, naturally, two separate operations.
  40  *   You set up the sharing by calling the create ioctl() and then the mmap().
  41  *   Teardown requires munmap() and either close() or ioctl().
  42  *
  43  * WARNING: Since Xen does not allow a guest to forcibly end the use of a grant
  44  * reference, this device can be used to consume kernel memory by leaving grant
  45  * references mapped by another domain when an application exits. Therefore,
  46  * there is a global limit on the number of pages that can be allocated. When
  47  * all references to the page are unmapped, it will be freed during the next
  48  * grant operation.
  49  */
  50
  51 #include <linux/atomic.h>
  52 #include <linux/module.h>
  53 #include <linux/miscdevice.h>
  54 #include <linux/kernel.h>
  55 #include <linux/init.h>
  56 #include <linux/slab.h>
  57 #include <linux/fs.h>
  58 #include <linux/device.h>
  59 #include <linux/mm.h>
  60 #include <linux/uaccess.h>
  61 #include <linux/types.h>
  62 #include <linux/list.h>
  63 #include <linux/highmem.h>
  64
  65 #include <xen/xen.h>
  66 #include <xen/page.h>
  67 #include <xen/grant_table.h>
  68 #include <xen/gntalloc.h>
  69 #include <xen/events.h>
  70
  71 static int limit = 1024;
  72 module_param(limit, int, 0644);
  73 MODULE_PARM_DESC(limit, "Maximum number of grants that may be allocated by "
  74                 "the gntalloc device");
  75
  76 static LIST_HEAD(gref_list);
  77 static DEFINE_SPINLOCK(gref_lock);
  78 static int gref_size;
  79
  80 struct notify_info {
  81         uint16_t pgoff:12;    /* Bits 0-11: Offset of the byte to clear */
  82         uint16_t flags:2;     /* Bits 12-13: Unmap notification flags */
  83         int event;            /* Port (event channel) to notify */
  84 };
  85
  86 /* Metadata on a grant reference. */
  87 struct gntalloc_gref {
  88         struct list_head next_gref;  /* list entry gref_list */
  89         struct list_head next_file;  /* list entry file->list, if open */
  90         struct page *page;           /* The shared page */
  91         uint64_t file_index;         /* File offset for mmap() */
  92         unsigned int users;          /* Use count - when zero, waiting on Xen */
  93         grant_ref_t gref_id;         /* The grant reference number */
  94         struct notify_info notify;   /* Unmap notification */
  95 };
  96
  97 struct gntalloc_file_private_data {
  98         struct list_head list;
  99         uint64_t index;
 100 };
 101
 102 static void __del_gref(struct gntalloc_gref *gref);
 103
 104 static void do_cleanup(void)
 105 {
 106         struct gntalloc_gref *gref, *n;
 107         list_for_each_entry_safe(gref, n, &gref_list, next_gref) {
 108                 if (!gref->users)
 109                         __del_gref(gref);
 110         }
 111 }
 112
 113 static int add_grefs(struct ioctl_gntalloc_alloc_gref *op,
 114         uint32_t *gref_ids, struct gntalloc_file_private_data *priv)
 115 {
 116         int i, rc, readonly;
 117         LIST_HEAD(queue_gref);
 118         LIST_HEAD(queue_file);
 119         struct gntalloc_gref *gref;
 120
 121         readonly = !(op->flags & GNTALLOC_FLAG_WRITABLE);
 122         rc = -ENOMEM;
 123         for (i = 0; i < op->count; i++) {
 124                 gref = kzalloc(sizeof(*gref), GFP_KERNEL);
 125                 if (!gref)
 126                         goto undo;
 127                 list_add_tail(&gref->next_gref, &queue_gref);
 128                 list_add_tail(&gref->next_file, &queue_file);
 129                 gref->users = 1;
 130                 gref->file_index = op->index + i * PAGE_SIZE;
 131                 gref->page = alloc_page(GFP_KERNEL|__GFP_ZERO);
 132                 if (!gref->page)
 133                         goto undo;
 134
 135                 /* Grant foreign access to the page. */
 136                 gref->gref_id = gnttab_grant_foreign_access(op->domid,
 137                         pfn_to_mfn(page_to_pfn(gref->page)), readonly);
 138                 if ((int)gref->gref_id < 0) {
 139                         rc = gref->gref_id;
 140                         goto undo;
 141                 }
 142                 gref_ids[i] = gref->gref_id;
 143         }
 144
 145         /* Add to gref lists. */
 146         spin_lock(&gref_lock);
 147         list_splice_tail(&queue_gref, &gref_list);
 148         list_splice_tail(&queue_file, &priv->list);
 149         spin_unlock(&gref_lock);
 150
 151         return 0;
 152
 153 undo:
 154         spin_lock(&gref_lock);
 155         gref_size -= (op->count - i);
 156
 157         list_for_each_entry(gref, &queue_file, next_file) {
 158                 /* __del_gref does not remove from queue_file */
 159                 __del_gref(gref);
 160         }
 161
 162         /* It's possible for the target domain to map the just-allocated grant
 163          * references by blindly guessing their IDs; if this is done, then
 164          * __del_gref will leave them in the queue_gref list. They need to be
 165          * added to the global list so that we can free them when they are no
 166          * longer referenced.
 167          */
 168         if (unlikely(!list_empty(&queue_gref)))
 169                 list_splice_tail(&queue_gref, &gref_list);
 170         spin_unlock(&gref_lock);
 171         return rc;
 172 }
 173
 174 static void __del_gref(struct gntalloc_gref *gref)
 175 {
 176         if (gref->notify.flags & UNMAP_NOTIFY_CLEAR_BYTE) {
 177                 uint8_t *tmp = kmap(gref->page);
 178                 tmp[gref->notify.pgoff] = 0;
 179                 kunmap(gref->page);
 180         }
 181         if (gref->notify.flags & UNMAP_NOTIFY_SEND_EVENT)
 182                 notify_remote_via_evtchn(gref->notify.event);
 183
 184         gref->notify.flags = 0;
 185
 186         if (gref->gref_id > 0) {
 187                 if (gnttab_query_foreign_access(gref->gref_id))
 188                         return;
 189
 190                 if (!gnttab_end_foreign_access_ref(gref->gref_id, 0))
 191                         return;
 192         }
 193
 194         gref_size--;
 195         list_del(&gref->next_gref);
 196
 197         if (gref->page)
 198                 __free_page(gref->page);
 199
 200         kfree(gref);
 201 }
 202
 203 /* finds contiguous grant references in a file, returns the first */
 204 static struct gntalloc_gref *find_grefs(struct gntalloc_file_private_data *priv,
 205                 uint64_t index, uint32_t count)
 206 {
 207         struct gntalloc_gref *rv = NULL, *gref;
 208         list_for_each_entry(gref, &priv->list, next_file) {
 209                 if (gref->file_index == index && !rv)
 210                         rv = gref;
 211                 if (rv) {
 212                         if (gref->file_index != index)
 213                                 return NULL;
 214                         index += PAGE_SIZE;
 215                         count--;
 216                         if (count == 0)
 217                                 return rv;
 218                 }
 219         }
 220         return NULL;
 221 }
 222
 223 /*
 224  * -------------------------------------
 225  *  File operations.
 226  * -------------------------------------
 227  */
 228 static int gntalloc_open(struct inode *inode, struct file *filp)
 229 {
 230         struct gntalloc_file_private_data *priv;
 231
 232         priv = kzalloc(sizeof(*priv), GFP_KERNEL);
 233         if (!priv)
 234                 goto out_nomem;
 235         INIT_LIST_HEAD(&priv->list);
 236
 237         filp->private_data = priv;
 238
 239         pr_debug("%s: priv %p\n", __func__, priv);
 240
 241         return 0;
 242
 243 out_nomem:
 244         return -ENOMEM;
 245 }
 246
 247 static int gntalloc_release(struct inode *inode, struct file *filp)
 248 {
 249         struct gntalloc_file_private_data *priv = filp->private_data;
 250         struct gntalloc_gref *gref;
 251
 252         pr_debug("%s: priv %p\n", __func__, priv);
 253
 254         spin_lock(&gref_lock);
 255         while (!list_empty(&priv->list)) {
 256                 gref = list_entry(priv->list.next,
 257                         struct gntalloc_gref, next_file);
 258                 list_del(&gref->next_file);
 259                 gref->users--;
 260                 if (gref->users == 0)
 261                         __del_gref(gref);
 262         }
 263         kfree(priv);
 264         spin_unlock(&gref_lock);
 265
 266         return 0;
 267 }
 268
 269 static long gntalloc_ioctl_alloc(struct gntalloc_file_private_data *priv,
 270                 struct ioctl_gntalloc_alloc_gref __user *arg)
 271 {
 272         int rc = 0;
 273         struct ioctl_gntalloc_alloc_gref op;
 274         uint32_t *gref_ids;
 275
 276         pr_debug("%s: priv %p\n", __func__, priv);
 277
 278         if (copy_from_user(&op, arg, sizeof(op))) {
 279                 rc = -EFAULT;
 280                 goto out;
 281         }
 282
 283         gref_ids = kcalloc(op.count, sizeof(gref_ids[0]), GFP_TEMPORARY);
 284         if (!gref_ids) {
 285                 rc = -ENOMEM;
 286                 goto out;
 287         }
 288
 289         spin_lock(&gref_lock);
 290         /* Clean up pages that were at zero (local) users but were still mapped
 291          * by remote domains. Since those pages count towards the limit that we
 292          * are about to enforce, removing them here is a good idea.
 293          */
 294         do_cleanup();
 295         if (gref_size + op.count > limit) {
 296                 spin_unlock(&gref_lock);
 297                 rc = -ENOSPC;
 298                 goto out_free;
 299         }
 300         gref_size += op.count;
 301         op.index = priv->index;
 302         priv->index += op.count * PAGE_SIZE;
 303         spin_unlock(&gref_lock);
 304
 305         rc = add_grefs(&op, gref_ids, priv);
 306         if (rc < 0)
 307                 goto out_free;
 308
 309         /* Once we finish add_grefs, it is unsafe to touch the new reference,
 310          * since it is possible for a concurrent ioctl to remove it (by guessing
 311          * its index). If the userspace application doesn't provide valid memory
 312          * to write the IDs to, then it will need to close the file in order to
 313          * release - which it will do by segfaulting when it tries to access the
 314          * IDs to close them.
 315          */
 316         if (copy_to_user(arg, &op, sizeof(op))) {
 317                 rc = -EFAULT;
 318                 goto out_free;
 319         }
 320         if (copy_to_user(arg->gref_ids, gref_ids,
 321                         sizeof(gref_ids[0]) * op.count)) {
 322                 rc = -EFAULT;
 323                 goto out_free;
 324         }
 325
 326 out_free:
 327         kfree(gref_ids);
 328 out:
 329         return rc;
 330 }
 331
 332 static long gntalloc_ioctl_dealloc(struct gntalloc_file_private_data *priv,
 333                 void __user *arg)
 334 {
 335         int i, rc = 0;
 336         struct ioctl_gntalloc_dealloc_gref op;
 337         struct gntalloc_gref *gref, *n;
 338
 339         pr_debug("%s: priv %p\n", __func__, priv);
 340
 341         if (copy_from_user(&op, arg, sizeof(op))) {
 342                 rc = -EFAULT;
 343                 goto dealloc_grant_out;
 344         }
 345
 346         spin_lock(&gref_lock);
 347         gref = find_grefs(priv, op.index, op.count);
 348         if (gref) {
 349                 /* Remove from the file list only, and decrease reference count.
 350                  * The later call to do_cleanup() will remove from gref_list and
 351                  * free the memory if the pages aren't mapped anywhere.
 352                  */
 353                 for (i = 0; i < op.count; i++) {
 354                         n = list_entry(gref->next_file.next,
 355                                 struct gntalloc_gref, next_file);
 356                         list_del(&gref->next_file);
 357                         gref->users--;
 358                         gref = n;
 359                 }
 360         } else {
 361                 rc = -EINVAL;
 362         }
 363
 364         do_cleanup();
 365
 366         spin_unlock(&gref_lock);
 367 dealloc_grant_out:
 368         return rc;
 369 }
 370
 371 static long gntalloc_ioctl_unmap_notify(struct gntalloc_file_private_data *priv,
 372                 void __user *arg)
 373 {
 374         struct ioctl_gntalloc_unmap_notify op;
 375         struct gntalloc_gref *gref;
 376         uint64_t index;
 377         int pgoff;
 378         int rc;
 379
 380         if (copy_from_user(&op, arg, sizeof(op)))
 381                 return -EFAULT;
 382
 383         index = op.index & ~(PAGE_SIZE - 1);
 384         pgoff = op.index & (PAGE_SIZE - 1);
 385
 386         spin_lock(&gref_lock);
 387
 388         gref = find_grefs(priv, index, 1);
 389         if (!gref) {
 390                 rc = -ENOENT;
 391                 goto unlock_out;
 392         }
 393
 394         if (op.action & ~(UNMAP_NOTIFY_CLEAR_BYTE|UNMAP_NOTIFY_SEND_EVENT)) {
 395                 rc = -EINVAL;
 396                 goto unlock_out;
 397         }
 398
 399         gref->notify.flags = op.action;
 400         gref->notify.pgoff = pgoff;
 401         gref->notify.event = op.event_channel_port;
 402         rc = 0;
 403  unlock_out:
 404         spin_unlock(&gref_lock);
 405         return rc;
 406 }
 407
 408 static long gntalloc_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd,
 409                 unsigned long arg)
 410 {
 411         struct gntalloc_file_private_data *priv = filp->private_data;
 412
 413         switch (cmd) {
 414         case IOCTL_GNTALLOC_ALLOC_GREF:
 415                 return gntalloc_ioctl_alloc(priv, (void __user *)arg);
 416
 417         case IOCTL_GNTALLOC_DEALLOC_GREF:
 418                 return gntalloc_ioctl_dealloc(priv, (void __user *)arg);
 419
 420         case IOCTL_GNTALLOC_SET_UNMAP_NOTIFY:
 421                 return gntalloc_ioctl_unmap_notify(priv, (void __user *)arg);
 422
 423         default:
 424                 return -ENOIOCTLCMD;
 425         }
 426
 427         return 0;
 428 }
 429
 430 static void gntalloc_vma_open(struct vm_area_struct *vma)
 431 {
 432         struct gntalloc_gref *gref = vma->vm_private_data;
 433         if (!gref)
 434                 return;
 435
 436         spin_lock(&gref_lock);
 437         gref->users++;
 438         spin_unlock(&gref_lock);
 439 }
 440
 441 static void gntalloc_vma_close(struct vm_area_struct *vma)
 442 {
 443         struct gntalloc_gref *gref = vma->vm_private_data;
 444         if (!gref)
 445                 return;
 446
 447         spin_lock(&gref_lock);
 448         gref->users--;
 449         if (gref->users == 0)
 450                 __del_gref(gref);
 451         spin_unlock(&gref_lock);
 452 }
 453
 454 static struct vm_operations_struct gntalloc_vmops = {
 455         .open = gntalloc_vma_open,
 456         .close = gntalloc_vma_close,
 457 };
 458
 459 static int gntalloc_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
 460 {
 461         struct gntalloc_file_private_data *priv = filp->private_data;
 462         struct gntalloc_gref *gref;
 463         int count = (vma->vm_end - vma->vm_start) >> PAGE_SHIFT;
 464         int rv, i;
 465
 466         pr_debug("%s: priv %p, page %lu+%d\n", __func__,
 467                        priv, vma->vm_pgoff, count);
 468
 469         if (!(vma->vm_flags & VM_SHARED)) {
 470                 printk(KERN_ERR "%s: Mapping must be shared.\n", __func__);
 471                 return -EINVAL;
 472         }
 473
 474         spin_lock(&gref_lock);
 475         gref = find_grefs(priv, vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT, count);
 476         if (gref == NULL) {
 477                 rv = -ENOENT;
 478                 pr_debug("%s: Could not find grant reference",
 479                                 __func__);
 480                 goto out_unlock;
 481         }
 482
 483         vma->vm_private_data = gref;
 484
 485         vma->vm_flags |= VM_RESERVED;
 486
 487         vma->vm_ops = &gntalloc_vmops;
 488
 489         for (i = 0; i < count; i++) {
 490                 gref->users++;
 491                 rv = vm_insert_page(vma, vma->vm_start + i * PAGE_SIZE,
 492                                 gref->page);
 493                 if (rv)
 494                         goto out_unlock;
 495
 496                 gref = list_entry(gref->next_file.next,
 497                                 struct gntalloc_gref, next_file);
 498         }
 499         rv = 0;
 500
 501 out_unlock:
 502         spin_unlock(&gref_lock);
 503         return rv;
 504 }
 505
 506 static const struct file_operations gntalloc_fops = {
 507         .owner = THIS_MODULE,
 508         .open = gntalloc_open,
 509         .release = gntalloc_release,
 510         .unlocked_ioctl = gntalloc_ioctl,
 511         .mmap = gntalloc_mmap
 512 };
 513
 514 /*
 515  * -------------------------------------
 516  * Module creation/destruction.
 517  * -------------------------------------
 518  */
 519 static struct miscdevice gntalloc_miscdev = {
 520         .minor  = MISC_DYNAMIC_MINOR,
 521         .name   = "xen/gntalloc",
 522         .fops   = &gntalloc_fops,
 523 };
 524
 525 static int __init gntalloc_init(void)
 526 {
 527         int err;
 528
 529         if (!xen_domain())
 530                 return -ENODEV;
 531
 532         err = misc_register(&gntalloc_miscdev);
 533         if (err != 0) {
 534                 printk(KERN_ERR "Could not register misc gntalloc device\n");
 535                 return err;
 536         }
 537
 538         pr_debug("Created grant allocation device at %d,%d\n",
 539                         MISC_MAJOR, gntalloc_miscdev.minor);
 540
 541         return 0;
 542 }
 543
 544 static void __exit gntalloc_exit(void)
 545 {
 546         misc_deregister(&gntalloc_miscdev);
 547 }
 548
 549 module_init(gntalloc_init);
 550 module_exit(gntalloc_exit);
 551
 552 MODULE_LICENSE("GPL");
 553 MODULE_AUTHOR("Carter Weatherly <carter.weatherly@jhuapl.edu>, "
 554                 "Daniel De Graaf <dgdegra@tycho.nsa.gov>");
 555 MODULE_DESCRIPTION("User-space grant reference allocator driver");