lguest: add operations to get/set a register from the Launcher.
[firefly-linux-kernel-4.4.55.git] / drivers / lguest / lguest_user.c
1 /*P:200 This contains all the /dev/lguest code, whereby the userspace
2  * launcher controls and communicates with the Guest.  For example,
3  * the first write will tell us the Guest's memory layout and entry
4  * point.  A read will run the Guest until something happens, such as
5  * a signal or the Guest doing a NOTIFY out to the Launcher.  There is
6  * also a way for the Launcher to attach eventfds to particular NOTIFY
7  * values instead of returning from the read() call.
8 :*/
9 #include <linux/uaccess.h>
10 #include <linux/miscdevice.h>
11 #include <linux/fs.h>
12 #include <linux/sched.h>
13 #include <linux/eventfd.h>
14 #include <linux/file.h>
15 #include <linux/slab.h>
16 #include <linux/export.h>
17 #include "lg.h"
18
19 /*L:056
20  * Before we move on, let's jump ahead and look at what the kernel does when
21  * it needs to look up the eventfds.  That will complete our picture of how we
22  * use RCU.
23  *
24  * The notification value is in cpu->pending_notify: we return true if it went
25  * to an eventfd.
26  */
27 bool send_notify_to_eventfd(struct lg_cpu *cpu)
28 {
29         unsigned int i;
30         struct lg_eventfd_map *map;
31
32         /*
33          * This "rcu_read_lock()" helps track when someone is still looking at
34          * the (RCU-using) eventfds array.  It's not actually a lock at all;
35          * indeed it's a noop in many configurations.  (You didn't expect me to
36          * explain all the RCU secrets here, did you?)
37          */
38         rcu_read_lock();
39         /*
40          * rcu_dereference is the counter-side of rcu_assign_pointer(); it
41          * makes sure we don't access the memory pointed to by
42          * cpu->lg->eventfds before cpu->lg->eventfds is set.  Sounds crazy,
43          * but Alpha allows this!  Paul McKenney points out that a really
44          * aggressive compiler could have the same effect:
45          *   http://lists.ozlabs.org/pipermail/lguest/2009-July/001560.html
46          *
47          * So play safe, use rcu_dereference to get the rcu-protected pointer:
48          */
49         map = rcu_dereference(cpu->lg->eventfds);
50         /*
51          * Simple array search: even if they add an eventfd while we do this,
52          * we'll continue to use the old array and just won't see the new one.
53          */
54         for (i = 0; i < map->num; i++) {
55                 if (map->map[i].addr == cpu->pending_notify) {
56                         eventfd_signal(map->map[i].event, 1);
57                         cpu->pending_notify = 0;
58                         break;
59                 }
60         }
61         /* We're done with the rcu-protected variable cpu->lg->eventfds. */
62         rcu_read_unlock();
63
64         /* If we cleared the notification, it's because we found a match. */
65         return cpu->pending_notify == 0;
66 }
67
68 /*L:055
69  * One of the more tricksy tricks in the Linux Kernel is a technique called
70  * Read Copy Update.  Since one point of lguest is to teach lguest journeyers
71  * about kernel coding, I use it here.  (In case you're curious, other purposes
72  * include learning about virtualization and instilling a deep appreciation for
73  * simplicity and puppies).
74  *
75  * We keep a simple array which maps LHCALL_NOTIFY values to eventfds, but we
76  * add new eventfds without ever blocking readers from accessing the array.
77  * The current Launcher only does this during boot, so that never happens.  But
78  * Read Copy Update is cool, and adding a lock risks damaging even more puppies
79  * than this code does.
80  *
81  * We allocate a brand new one-larger array, copy the old one and add our new
82  * element.  Then we make the lg eventfd pointer point to the new array.
83  * That's the easy part: now we need to free the old one, but we need to make
84  * sure no slow CPU somewhere is still looking at it.  That's what
85  * synchronize_rcu does for us: waits until every CPU has indicated that it has
86  * moved on to know it's no longer using the old one.
87  *
88  * If that's unclear, see http://en.wikipedia.org/wiki/Read-copy-update.
89  */
90 static int add_eventfd(struct lguest *lg, unsigned long addr, int fd)
91 {
92         struct lg_eventfd_map *new, *old = lg->eventfds;
93
94         /*
95          * We don't allow notifications on value 0 anyway (pending_notify of
96          * 0 means "nothing pending").
97          */
98         if (!addr)
99                 return -EINVAL;
100
101         /*
102          * Replace the old array with the new one, carefully: others can
103          * be accessing it at the same time.
104          */
105         new = kmalloc(sizeof(*new) + sizeof(new->map[0]) * (old->num + 1),
106                       GFP_KERNEL);
107         if (!new)
108                 return -ENOMEM;
109
110         /* First make identical copy. */
111         memcpy(new->map, old->map, sizeof(old->map[0]) * old->num);
112         new->num = old->num;
113
114         /* Now append new entry. */
115         new->map[new->num].addr = addr;
116         new->map[new->num].event = eventfd_ctx_fdget(fd);
117         if (IS_ERR(new->map[new->num].event)) {
118                 int err =  PTR_ERR(new->map[new->num].event);
119                 kfree(new);
120                 return err;
121         }
122         new->num++;
123
124         /*
125          * Now put new one in place: rcu_assign_pointer() is a fancy way of
126          * doing "lg->eventfds = new", but it uses memory barriers to make
127          * absolutely sure that the contents of "new" written above is nailed
128          * down before we actually do the assignment.
129          *
130          * We have to think about these kinds of things when we're operating on
131          * live data without locks.
132          */
133         rcu_assign_pointer(lg->eventfds, new);
134
135         /*
136          * We're not in a big hurry.  Wait until no one's looking at old
137          * version, then free it.
138          */
139         synchronize_rcu();
140         kfree(old);
141
142         return 0;
143 }
144
145 /*L:052
146  * Receiving notifications from the Guest is usually done by attaching a
147  * particular LHCALL_NOTIFY value to an event filedescriptor.  The eventfd will
148  * become readable when the Guest does an LHCALL_NOTIFY with that value.
149  *
150  * This is really convenient for processing each virtqueue in a separate
151  * thread.
152  */
153 static int attach_eventfd(struct lguest *lg, const unsigned long __user *input)
154 {
155         unsigned long addr, fd;
156         int err;
157
158         if (get_user(addr, input) != 0)
159                 return -EFAULT;
160         input++;
161         if (get_user(fd, input) != 0)
162                 return -EFAULT;
163
164         /*
165          * Just make sure two callers don't add eventfds at once.  We really
166          * only need to lock against callers adding to the same Guest, so using
167          * the Big Lguest Lock is overkill.  But this is setup, not a fast path.
168          */
169         mutex_lock(&lguest_lock);
170         err = add_eventfd(lg, addr, fd);
171         mutex_unlock(&lguest_lock);
172
173         return err;
174 }
175
176 /* The Launcher can get the registers, and also set some of them. */
177 static int getreg_setup(struct lg_cpu *cpu, const unsigned long __user *input)
178 {
179         unsigned long which;
180
181         /* We re-use the ptrace structure to specify which register to read. */
182         if (get_user(which, input) != 0)
183                 return -EFAULT;
184
185         /*
186          * We set up the cpu register pointer, and their next read will
187          * actually get the value (instead of running the guest).
188          *
189          * The last argument 'true' says we can access any register.
190          */
191         cpu->reg_read = lguest_arch_regptr(cpu, which, true);
192         if (!cpu->reg_read)
193                 return -ENOENT;
194
195         /* And because this is a write() call, we return the length used. */
196         return sizeof(unsigned long) * 2;
197 }
198
199 static int setreg(struct lg_cpu *cpu, const unsigned long __user *input)
200 {
201         unsigned long which, value, *reg;
202
203         /* We re-use the ptrace structure to specify which register to read. */
204         if (get_user(which, input) != 0)
205                 return -EFAULT;
206         input++;
207         if (get_user(value, input) != 0)
208                 return -EFAULT;
209
210         /* The last argument 'false' means we can't access all registers. */
211         reg = lguest_arch_regptr(cpu, which, false);
212         if (!reg)
213                 return -ENOENT;
214
215         *reg = value;
216
217         /* And because this is a write() call, we return the length used. */
218         return sizeof(unsigned long) * 3;
219 }
220
221 /*L:050
222  * Sending an interrupt is done by writing LHREQ_IRQ and an interrupt
223  * number to /dev/lguest.
224  */
225 static int user_send_irq(struct lg_cpu *cpu, const unsigned long __user *input)
226 {
227         unsigned long irq;
228
229         if (get_user(irq, input) != 0)
230                 return -EFAULT;
231         if (irq >= LGUEST_IRQS)
232                 return -EINVAL;
233
234         /*
235          * Next time the Guest runs, the core code will see if it can deliver
236          * this interrupt.
237          */
238         set_interrupt(cpu, irq);
239         return 0;
240 }
241
242 /*L:040
243  * Once our Guest is initialized, the Launcher makes it run by reading
244  * from /dev/lguest.
245  */
246 static ssize_t read(struct file *file, char __user *user, size_t size,loff_t*o)
247 {
248         struct lguest *lg = file->private_data;
249         struct lg_cpu *cpu;
250         unsigned int cpu_id = *o;
251
252         /* You must write LHREQ_INITIALIZE first! */
253         if (!lg)
254                 return -EINVAL;
255
256         /* Watch out for arbitrary vcpu indexes! */
257         if (cpu_id >= lg->nr_cpus)
258                 return -EINVAL;
259
260         cpu = &lg->cpus[cpu_id];
261
262         /* If you're not the task which owns the Guest, go away. */
263         if (current != cpu->tsk)
264                 return -EPERM;
265
266         /* If the Guest is already dead, we indicate why */
267         if (lg->dead) {
268                 size_t len;
269
270                 /* lg->dead either contains an error code, or a string. */
271                 if (IS_ERR(lg->dead))
272                         return PTR_ERR(lg->dead);
273
274                 /* We can only return as much as the buffer they read with. */
275                 len = min(size, strlen(lg->dead)+1);
276                 if (copy_to_user(user, lg->dead, len) != 0)
277                         return -EFAULT;
278                 return len;
279         }
280
281         /*
282          * If we returned from read() last time because the Guest sent I/O,
283          * clear the flag.
284          */
285         if (cpu->pending_notify)
286                 cpu->pending_notify = 0;
287
288         /* Run the Guest until something interesting happens. */
289         return run_guest(cpu, (unsigned long __user *)user);
290 }
291
292 /*L:025
293  * This actually initializes a CPU.  For the moment, a Guest is only
294  * uniprocessor, so "id" is always 0.
295  */
296 static int lg_cpu_start(struct lg_cpu *cpu, unsigned id, unsigned long start_ip)
297 {
298         /* We have a limited number of CPUs in the lguest struct. */
299         if (id >= ARRAY_SIZE(cpu->lg->cpus))
300                 return -EINVAL;
301
302         /* Set up this CPU's id, and pointer back to the lguest struct. */
303         cpu->id = id;
304         cpu->lg = container_of(cpu, struct lguest, cpus[id]);
305         cpu->lg->nr_cpus++;
306
307         /* Each CPU has a timer it can set. */
308         init_clockdev(cpu);
309
310         /*
311          * We need a complete page for the Guest registers: they are accessible
312          * to the Guest and we can only grant it access to whole pages.
313          */
314         cpu->regs_page = get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
315         if (!cpu->regs_page)
316                 return -ENOMEM;
317
318         /* We actually put the registers at the end of the page. */
319         cpu->regs = (void *)cpu->regs_page + PAGE_SIZE - sizeof(*cpu->regs);
320
321         /*
322          * Now we initialize the Guest's registers, handing it the start
323          * address.
324          */
325         lguest_arch_setup_regs(cpu, start_ip);
326
327         /*
328          * We keep a pointer to the Launcher task (ie. current task) for when
329          * other Guests want to wake this one (eg. console input).
330          */
331         cpu->tsk = current;
332
333         /*
334          * We need to keep a pointer to the Launcher's memory map, because if
335          * the Launcher dies we need to clean it up.  If we don't keep a
336          * reference, it is destroyed before close() is called.
337          */
338         cpu->mm = get_task_mm(cpu->tsk);
339
340         /*
341          * We remember which CPU's pages this Guest used last, for optimization
342          * when the same Guest runs on the same CPU twice.
343          */
344         cpu->last_pages = NULL;
345
346         /* No error == success. */
347         return 0;
348 }
349
350 /*L:020
351  * The initialization write supplies 3 pointer sized (32 or 64 bit) values (in
352  * addition to the LHREQ_INITIALIZE value).  These are:
353  *
354  * base: The start of the Guest-physical memory inside the Launcher memory.
355  *
356  * pfnlimit: The highest (Guest-physical) page number the Guest should be
357  * allowed to access.  The Guest memory lives inside the Launcher, so it sets
358  * this to ensure the Guest can only reach its own memory.
359  *
360  * start: The first instruction to execute ("eip" in x86-speak).
361  */
362 static int initialize(struct file *file, const unsigned long __user *input)
363 {
364         /* "struct lguest" contains all we (the Host) know about a Guest. */
365         struct lguest *lg;
366         int err;
367         unsigned long args[3];
368
369         /*
370          * We grab the Big Lguest lock, which protects against multiple
371          * simultaneous initializations.
372          */
373         mutex_lock(&lguest_lock);
374         /* You can't initialize twice!  Close the device and start again... */
375         if (file->private_data) {
376                 err = -EBUSY;
377                 goto unlock;
378         }
379
380         if (copy_from_user(args, input, sizeof(args)) != 0) {
381                 err = -EFAULT;
382                 goto unlock;
383         }
384
385         lg = kzalloc(sizeof(*lg), GFP_KERNEL);
386         if (!lg) {
387                 err = -ENOMEM;
388                 goto unlock;
389         }
390
391         lg->eventfds = kmalloc(sizeof(*lg->eventfds), GFP_KERNEL);
392         if (!lg->eventfds) {
393                 err = -ENOMEM;
394                 goto free_lg;
395         }
396         lg->eventfds->num = 0;
397
398         /* Populate the easy fields of our "struct lguest" */
399         lg->mem_base = (void __user *)args[0];
400         lg->pfn_limit = args[1];
401
402         /* This is the first cpu (cpu 0) and it will start booting at args[2] */
403         err = lg_cpu_start(&lg->cpus[0], 0, args[2]);
404         if (err)
405                 goto free_eventfds;
406
407         /*
408          * Initialize the Guest's shadow page tables.  This allocates
409          * memory, so can fail.
410          */
411         err = init_guest_pagetable(lg);
412         if (err)
413                 goto free_regs;
414
415         /* We keep our "struct lguest" in the file's private_data. */
416         file->private_data = lg;
417
418         mutex_unlock(&lguest_lock);
419
420         /* And because this is a write() call, we return the length used. */
421         return sizeof(args);
422
423 free_regs:
424         /* FIXME: This should be in free_vcpu */
425         free_page(lg->cpus[0].regs_page);
426 free_eventfds:
427         kfree(lg->eventfds);
428 free_lg:
429         kfree(lg);
430 unlock:
431         mutex_unlock(&lguest_lock);
432         return err;
433 }
434
435 /*L:010
436  * The first operation the Launcher does must be a write.  All writes
437  * start with an unsigned long number: for the first write this must be
438  * LHREQ_INITIALIZE to set up the Guest.  After that the Launcher can use
439  * writes of other values to send interrupts or set up receipt of notifications.
440  *
441  * Note that we overload the "offset" in the /dev/lguest file to indicate what
442  * CPU number we're dealing with.  Currently this is always 0 since we only
443  * support uniprocessor Guests, but you can see the beginnings of SMP support
444  * here.
445  */
446 static ssize_t write(struct file *file, const char __user *in,
447                      size_t size, loff_t *off)
448 {
449         /*
450          * Once the Guest is initialized, we hold the "struct lguest" in the
451          * file private data.
452          */
453         struct lguest *lg = file->private_data;
454         const unsigned long __user *input = (const unsigned long __user *)in;
455         unsigned long req;
456         struct lg_cpu *uninitialized_var(cpu);
457         unsigned int cpu_id = *off;
458
459         /* The first value tells us what this request is. */
460         if (get_user(req, input) != 0)
461                 return -EFAULT;
462         input++;
463
464         /* If you haven't initialized, you must do that first. */
465         if (req != LHREQ_INITIALIZE) {
466                 if (!lg || (cpu_id >= lg->nr_cpus))
467                         return -EINVAL;
468                 cpu = &lg->cpus[cpu_id];
469
470                 /* Once the Guest is dead, you can only read() why it died. */
471                 if (lg->dead)
472                         return -ENOENT;
473         }
474
475         switch (req) {
476         case LHREQ_INITIALIZE:
477                 return initialize(file, input);
478         case LHREQ_IRQ:
479                 return user_send_irq(cpu, input);
480         case LHREQ_EVENTFD:
481                 return attach_eventfd(lg, input);
482         case LHREQ_GETREG:
483                 return getreg_setup(cpu, input);
484         case LHREQ_SETREG:
485                 return setreg(cpu, input);
486         default:
487                 return -EINVAL;
488         }
489 }
490
491 /*L:060
492  * The final piece of interface code is the close() routine.  It reverses
493  * everything done in initialize().  This is usually called because the
494  * Launcher exited.
495  *
496  * Note that the close routine returns 0 or a negative error number: it can't
497  * really fail, but it can whine.  I blame Sun for this wart, and K&R C for
498  * letting them do it.
499 :*/
500 static int close(struct inode *inode, struct file *file)
501 {
502         struct lguest *lg = file->private_data;
503         unsigned int i;
504
505         /* If we never successfully initialized, there's nothing to clean up */
506         if (!lg)
507                 return 0;
508
509         /*
510          * We need the big lock, to protect from inter-guest I/O and other
511          * Launchers initializing guests.
512          */
513         mutex_lock(&lguest_lock);
514
515         /* Free up the shadow page tables for the Guest. */
516         free_guest_pagetable(lg);
517
518         for (i = 0; i < lg->nr_cpus; i++) {
519                 /* Cancels the hrtimer set via LHCALL_SET_CLOCKEVENT. */
520                 hrtimer_cancel(&lg->cpus[i].hrt);
521                 /* We can free up the register page we allocated. */
522                 free_page(lg->cpus[i].regs_page);
523                 /*
524                  * Now all the memory cleanups are done, it's safe to release
525                  * the Launcher's memory management structure.
526                  */
527                 mmput(lg->cpus[i].mm);
528         }
529
530         /* Release any eventfds they registered. */
531         for (i = 0; i < lg->eventfds->num; i++)
532                 eventfd_ctx_put(lg->eventfds->map[i].event);
533         kfree(lg->eventfds);
534
535         /*
536          * If lg->dead doesn't contain an error code it will be NULL or a
537          * kmalloc()ed string, either of which is ok to hand to kfree().
538          */
539         if (!IS_ERR(lg->dead))
540                 kfree(lg->dead);
541         /* Free the memory allocated to the lguest_struct */
542         kfree(lg);
543         /* Release lock and exit. */
544         mutex_unlock(&lguest_lock);
545
546         return 0;
547 }
548
549 /*L:000
550  * Welcome to our journey through the Launcher!
551  *
552  * The Launcher is the Host userspace program which sets up, runs and services
553  * the Guest.  In fact, many comments in the Drivers which refer to "the Host"
554  * doing things are inaccurate: the Launcher does all the device handling for
555  * the Guest, but the Guest can't know that.
556  *
557  * Just to confuse you: to the Host kernel, the Launcher *is* the Guest and we
558  * shall see more of that later.
559  *
560  * We begin our understanding with the Host kernel interface which the Launcher
561  * uses: reading and writing a character device called /dev/lguest.  All the
562  * work happens in the read(), write() and close() routines:
563  */
564 static const struct file_operations lguest_fops = {
565         .owner   = THIS_MODULE,
566         .release = close,
567         .write   = write,
568         .read    = read,
569         .llseek  = default_llseek,
570 };
571 /*:*/
572
573 /*
574  * This is a textbook example of a "misc" character device.  Populate a "struct
575  * miscdevice" and register it with misc_register().
576  */
577 static struct miscdevice lguest_dev = {
578         .minor  = MISC_DYNAMIC_MINOR,
579         .name   = "lguest",
580         .fops   = &lguest_fops,
581 };
582
583 int __init lguest_device_init(void)
584 {
585         return misc_register(&lguest_dev);
586 }
587
588 void __exit lguest_device_remove(void)
589 {
590         misc_deregister(&lguest_dev);
591 }