lguest: add infrastructure to check mappings.
[firefly-linux-kernel-4.4.55.git] / drivers / lguest / page_tables.c
1 /*P:700
2  * The pagetable code, on the other hand, still shows the scars of
3  * previous encounters.  It's functional, and as neat as it can be in the
4  * circumstances, but be wary, for these things are subtle and break easily.
5  * The Guest provides a virtual to physical mapping, but we can neither trust
6  * it nor use it: we verify and convert it here then point the CPU to the
7  * converted Guest pages when running the Guest.
8 :*/
9
10 /* Copyright (C) Rusty Russell IBM Corporation 2013.
11  * GPL v2 and any later version */
12 #include <linux/mm.h>
13 #include <linux/gfp.h>
14 #include <linux/types.h>
15 #include <linux/spinlock.h>
16 #include <linux/random.h>
17 #include <linux/percpu.h>
18 #include <asm/tlbflush.h>
19 #include <asm/uaccess.h>
20 #include "lg.h"
21
22 /*M:008
23  * We hold reference to pages, which prevents them from being swapped.
24  * It'd be nice to have a callback in the "struct mm_struct" when Linux wants
25  * to swap out.  If we had this, and a shrinker callback to trim PTE pages, we
26  * could probably consider launching Guests as non-root.
27 :*/
28
29 /*H:300
30  * The Page Table Code
31  *
32  * We use two-level page tables for the Guest, or three-level with PAE.  If
33  * you're not entirely comfortable with virtual addresses, physical addresses
34  * and page tables then I recommend you review arch/x86/lguest/boot.c's "Page
35  * Table Handling" (with diagrams!).
36  *
37  * The Guest keeps page tables, but we maintain the actual ones here: these are
38  * called "shadow" page tables.  Which is a very Guest-centric name: these are
39  * the real page tables the CPU uses, although we keep them up to date to
40  * reflect the Guest's.  (See what I mean about weird naming?  Since when do
41  * shadows reflect anything?)
42  *
43  * Anyway, this is the most complicated part of the Host code.  There are seven
44  * parts to this:
45  *  (i) Looking up a page table entry when the Guest faults,
46  *  (ii) Making sure the Guest stack is mapped,
47  *  (iii) Setting up a page table entry when the Guest tells us one has changed,
48  *  (iv) Switching page tables,
49  *  (v) Flushing (throwing away) page tables,
50  *  (vi) Mapping the Switcher when the Guest is about to run,
51  *  (vii) Setting up the page tables initially.
52 :*/
53
54 /*
55  * The Switcher uses the complete top PTE page.  That's 1024 PTE entries (4MB)
56  * or 512 PTE entries with PAE (2MB).
57  */
58 #define SWITCHER_PGD_INDEX (PTRS_PER_PGD - 1)
59
60 /*
61  * For PAE we need the PMD index as well. We use the last 2MB, so we
62  * will need the last pmd entry of the last pmd page.
63  */
64 #ifdef CONFIG_X86_PAE
65 #define CHECK_GPGD_MASK         _PAGE_PRESENT
66 #else
67 #define CHECK_GPGD_MASK         _PAGE_TABLE
68 #endif
69
70 /*H:320
71  * The page table code is curly enough to need helper functions to keep it
72  * clear and clean.  The kernel itself provides many of them; one advantage
73  * of insisting that the Guest and Host use the same CONFIG_X86_PAE setting.
74  *
75  * There are two functions which return pointers to the shadow (aka "real")
76  * page tables.
77  *
78  * spgd_addr() takes the virtual address and returns a pointer to the top-level
79  * page directory entry (PGD) for that address.  Since we keep track of several
80  * page tables, the "i" argument tells us which one we're interested in (it's
81  * usually the current one).
82  */
83 static pgd_t *spgd_addr(struct lg_cpu *cpu, u32 i, unsigned long vaddr)
84 {
85         unsigned int index = pgd_index(vaddr);
86
87         /* Return a pointer index'th pgd entry for the i'th page table. */
88         return &cpu->lg->pgdirs[i].pgdir[index];
89 }
90
91 #ifdef CONFIG_X86_PAE
92 /*
93  * This routine then takes the PGD entry given above, which contains the
94  * address of the PMD page.  It then returns a pointer to the PMD entry for the
95  * given address.
96  */
97 static pmd_t *spmd_addr(struct lg_cpu *cpu, pgd_t spgd, unsigned long vaddr)
98 {
99         unsigned int index = pmd_index(vaddr);
100         pmd_t *page;
101
102         /* You should never call this if the PGD entry wasn't valid */
103         BUG_ON(!(pgd_flags(spgd) & _PAGE_PRESENT));
104         page = __va(pgd_pfn(spgd) << PAGE_SHIFT);
105
106         return &page[index];
107 }
108 #endif
109
110 /*
111  * This routine then takes the page directory entry returned above, which
112  * contains the address of the page table entry (PTE) page.  It then returns a
113  * pointer to the PTE entry for the given address.
114  */
115 static pte_t *spte_addr(struct lg_cpu *cpu, pgd_t spgd, unsigned long vaddr)
116 {
117 #ifdef CONFIG_X86_PAE
118         pmd_t *pmd = spmd_addr(cpu, spgd, vaddr);
119         pte_t *page = __va(pmd_pfn(*pmd) << PAGE_SHIFT);
120
121         /* You should never call this if the PMD entry wasn't valid */
122         BUG_ON(!(pmd_flags(*pmd) & _PAGE_PRESENT));
123 #else
124         pte_t *page = __va(pgd_pfn(spgd) << PAGE_SHIFT);
125         /* You should never call this if the PGD entry wasn't valid */
126         BUG_ON(!(pgd_flags(spgd) & _PAGE_PRESENT));
127 #endif
128
129         return &page[pte_index(vaddr)];
130 }
131
132 /*
133  * These functions are just like the above, except they access the Guest
134  * page tables.  Hence they return a Guest address.
135  */
136 static unsigned long gpgd_addr(struct lg_cpu *cpu, unsigned long vaddr)
137 {
138         unsigned int index = vaddr >> (PGDIR_SHIFT);
139         return cpu->lg->pgdirs[cpu->cpu_pgd].gpgdir + index * sizeof(pgd_t);
140 }
141
142 #ifdef CONFIG_X86_PAE
143 /* Follow the PGD to the PMD. */
144 static unsigned long gpmd_addr(pgd_t gpgd, unsigned long vaddr)
145 {
146         unsigned long gpage = pgd_pfn(gpgd) << PAGE_SHIFT;
147         BUG_ON(!(pgd_flags(gpgd) & _PAGE_PRESENT));
148         return gpage + pmd_index(vaddr) * sizeof(pmd_t);
149 }
150
151 /* Follow the PMD to the PTE. */
152 static unsigned long gpte_addr(struct lg_cpu *cpu,
153                                pmd_t gpmd, unsigned long vaddr)
154 {
155         unsigned long gpage = pmd_pfn(gpmd) << PAGE_SHIFT;
156
157         BUG_ON(!(pmd_flags(gpmd) & _PAGE_PRESENT));
158         return gpage + pte_index(vaddr) * sizeof(pte_t);
159 }
160 #else
161 /* Follow the PGD to the PTE (no mid-level for !PAE). */
162 static unsigned long gpte_addr(struct lg_cpu *cpu,
163                                 pgd_t gpgd, unsigned long vaddr)
164 {
165         unsigned long gpage = pgd_pfn(gpgd) << PAGE_SHIFT;
166
167         BUG_ON(!(pgd_flags(gpgd) & _PAGE_PRESENT));
168         return gpage + pte_index(vaddr) * sizeof(pte_t);
169 }
170 #endif
171 /*:*/
172
173 /*M:007
174  * get_pfn is slow: we could probably try to grab batches of pages here as
175  * an optimization (ie. pre-faulting).
176 :*/
177
178 /*H:350
179  * This routine takes a page number given by the Guest and converts it to
180  * an actual, physical page number.  It can fail for several reasons: the
181  * virtual address might not be mapped by the Launcher, the write flag is set
182  * and the page is read-only, or the write flag was set and the page was
183  * shared so had to be copied, but we ran out of memory.
184  *
185  * This holds a reference to the page, so release_pte() is careful to put that
186  * back.
187  */
188 static unsigned long get_pfn(unsigned long virtpfn, int write)
189 {
190         struct page *page;
191
192         /* gup me one page at this address please! */
193         if (get_user_pages_fast(virtpfn << PAGE_SHIFT, 1, write, &page) == 1)
194                 return page_to_pfn(page);
195
196         /* This value indicates failure. */
197         return -1UL;
198 }
199
200 /*H:340
201  * Converting a Guest page table entry to a shadow (ie. real) page table
202  * entry can be a little tricky.  The flags are (almost) the same, but the
203  * Guest PTE contains a virtual page number: the CPU needs the real page
204  * number.
205  */
206 static pte_t gpte_to_spte(struct lg_cpu *cpu, pte_t gpte, int write)
207 {
208         unsigned long pfn, base, flags;
209
210         /*
211          * The Guest sets the global flag, because it thinks that it is using
212          * PGE.  We only told it to use PGE so it would tell us whether it was
213          * flushing a kernel mapping or a userspace mapping.  We don't actually
214          * use the global bit, so throw it away.
215          */
216         flags = (pte_flags(gpte) & ~_PAGE_GLOBAL);
217
218         /* The Guest's pages are offset inside the Launcher. */
219         base = (unsigned long)cpu->lg->mem_base / PAGE_SIZE;
220
221         /*
222          * We need a temporary "unsigned long" variable to hold the answer from
223          * get_pfn(), because it returns 0xFFFFFFFF on failure, which wouldn't
224          * fit in spte.pfn.  get_pfn() finds the real physical number of the
225          * page, given the virtual number.
226          */
227         pfn = get_pfn(base + pte_pfn(gpte), write);
228         if (pfn == -1UL) {
229                 kill_guest(cpu, "failed to get page %lu", pte_pfn(gpte));
230                 /*
231                  * When we destroy the Guest, we'll go through the shadow page
232                  * tables and release_pte() them.  Make sure we don't think
233                  * this one is valid!
234                  */
235                 flags = 0;
236         }
237         /* Now we assemble our shadow PTE from the page number and flags. */
238         return pfn_pte(pfn, __pgprot(flags));
239 }
240
241 /*H:460 And to complete the chain, release_pte() looks like this: */
242 static void release_pte(pte_t pte)
243 {
244         /*
245          * Remember that get_user_pages_fast() took a reference to the page, in
246          * get_pfn()?  We have to put it back now.
247          */
248         if (pte_flags(pte) & _PAGE_PRESENT)
249                 put_page(pte_page(pte));
250 }
251 /*:*/
252
253 static bool check_gpte(struct lg_cpu *cpu, pte_t gpte)
254 {
255         if ((pte_flags(gpte) & _PAGE_PSE) ||
256             pte_pfn(gpte) >= cpu->lg->pfn_limit) {
257                 kill_guest(cpu, "bad page table entry");
258                 return false;
259         }
260         return true;
261 }
262
263 static bool check_gpgd(struct lg_cpu *cpu, pgd_t gpgd)
264 {
265         if ((pgd_flags(gpgd) & ~CHECK_GPGD_MASK) ||
266             (pgd_pfn(gpgd) >= cpu->lg->pfn_limit)) {
267                 kill_guest(cpu, "bad page directory entry");
268                 return false;
269         }
270         return true;
271 }
272
273 #ifdef CONFIG_X86_PAE
274 static bool check_gpmd(struct lg_cpu *cpu, pmd_t gpmd)
275 {
276         if ((pmd_flags(gpmd) & ~_PAGE_TABLE) ||
277             (pmd_pfn(gpmd) >= cpu->lg->pfn_limit)) {
278                 kill_guest(cpu, "bad page middle directory entry");
279                 return false;
280         }
281         return true;
282 }
283 #endif
284
285 /*H:331
286  * This is the core routine to walk the shadow page tables and find the page
287  * table entry for a specific address.
288  *
289  * If allocate is set, then we allocate any missing levels, setting the flags
290  * on the new page directory and mid-level directories using the arguments
291  * (which are copied from the Guest's page table entries).
292  */
293 static pte_t *find_spte(struct lg_cpu *cpu, unsigned long vaddr, bool allocate,
294                         int pgd_flags, int pmd_flags)
295 {
296         pgd_t *spgd;
297         /* Mid level for PAE. */
298 #ifdef CONFIG_X86_PAE
299         pmd_t *spmd;
300 #endif
301
302         /* Get top level entry. */
303         spgd = spgd_addr(cpu, cpu->cpu_pgd, vaddr);
304         if (!(pgd_flags(*spgd) & _PAGE_PRESENT)) {
305                 /* No shadow entry: allocate a new shadow PTE page. */
306                 unsigned long ptepage;
307
308                 /* If they didn't want us to allocate anything, stop. */
309                 if (!allocate)
310                         return NULL;
311
312                 ptepage = get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
313                 /*
314                  * This is not really the Guest's fault, but killing it is
315                  * simple for this corner case.
316                  */
317                 if (!ptepage) {
318                         kill_guest(cpu, "out of memory allocating pte page");
319                         return NULL;
320                 }
321                 /*
322                  * And we copy the flags to the shadow PGD entry.  The page
323                  * number in the shadow PGD is the page we just allocated.
324                  */
325                 set_pgd(spgd, __pgd(__pa(ptepage) | pgd_flags));
326         }
327
328         /*
329          * Intel's Physical Address Extension actually uses three levels of
330          * page tables, so we need to look in the mid-level.
331          */
332 #ifdef CONFIG_X86_PAE
333         /* Now look at the mid-level shadow entry. */
334         spmd = spmd_addr(cpu, *spgd, vaddr);
335
336         if (!(pmd_flags(*spmd) & _PAGE_PRESENT)) {
337                 /* No shadow entry: allocate a new shadow PTE page. */
338                 unsigned long ptepage;
339
340                 /* If they didn't want us to allocate anything, stop. */
341                 if (!allocate)
342                         return NULL;
343
344                 ptepage = get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
345
346                 /*
347                  * This is not really the Guest's fault, but killing it is
348                  * simple for this corner case.
349                  */
350                 if (!ptepage) {
351                         kill_guest(cpu, "out of memory allocating pmd page");
352                         return NULL;
353                 }
354
355                 /*
356                  * And we copy the flags to the shadow PMD entry.  The page
357                  * number in the shadow PMD is the page we just allocated.
358                  */
359                 set_pmd(spmd, __pmd(__pa(ptepage) | pmd_flags));
360         }
361 #endif
362
363         /* Get the pointer to the shadow PTE entry we're going to set. */
364         return spte_addr(cpu, *spgd, vaddr);
365 }
366
367 /*H:330
368  * (i) Looking up a page table entry when the Guest faults.
369  *
370  * We saw this call in run_guest(): when we see a page fault in the Guest, we
371  * come here.  That's because we only set up the shadow page tables lazily as
372  * they're needed, so we get page faults all the time and quietly fix them up
373  * and return to the Guest without it knowing.
374  *
375  * If we fixed up the fault (ie. we mapped the address), this routine returns
376  * true.  Otherwise, it was a real fault and we need to tell the Guest.
377  */
378 bool demand_page(struct lg_cpu *cpu, unsigned long vaddr, int errcode)
379 {
380         unsigned long gpte_ptr;
381         pte_t gpte;
382         pte_t *spte;
383         pmd_t gpmd;
384         pgd_t gpgd;
385
386         /* We never demand page the Switcher, so trying is a mistake. */
387         if (vaddr >= switcher_addr)
388                 return false;
389
390         /* First step: get the top-level Guest page table entry. */
391         if (unlikely(cpu->linear_pages)) {
392                 /* Faking up a linear mapping. */
393                 gpgd = __pgd(CHECK_GPGD_MASK);
394         } else {
395                 gpgd = lgread(cpu, gpgd_addr(cpu, vaddr), pgd_t);
396                 /* Toplevel not present?  We can't map it in. */
397                 if (!(pgd_flags(gpgd) & _PAGE_PRESENT))
398                         return false;
399
400                 /* 
401                  * This kills the Guest if it has weird flags or tries to
402                  * refer to a "physical" address outside the bounds.
403                  */
404                 if (!check_gpgd(cpu, gpgd))
405                         return false;
406         }
407
408         /* This "mid-level" entry is only used for non-linear, PAE mode. */
409         gpmd = __pmd(_PAGE_TABLE);
410
411 #ifdef CONFIG_X86_PAE
412         if (likely(!cpu->linear_pages)) {
413                 gpmd = lgread(cpu, gpmd_addr(gpgd, vaddr), pmd_t);
414                 /* Middle level not present?  We can't map it in. */
415                 if (!(pmd_flags(gpmd) & _PAGE_PRESENT))
416                         return false;
417
418                 /* 
419                  * This kills the Guest if it has weird flags or tries to
420                  * refer to a "physical" address outside the bounds.
421                  */
422                 if (!check_gpmd(cpu, gpmd))
423                         return false;
424         }
425
426         /*
427          * OK, now we look at the lower level in the Guest page table: keep its
428          * address, because we might update it later.
429          */
430         gpte_ptr = gpte_addr(cpu, gpmd, vaddr);
431 #else
432         /*
433          * OK, now we look at the lower level in the Guest page table: keep its
434          * address, because we might update it later.
435          */
436         gpte_ptr = gpte_addr(cpu, gpgd, vaddr);
437 #endif
438
439         if (unlikely(cpu->linear_pages)) {
440                 /* Linear?  Make up a PTE which points to same page. */
441                 gpte = __pte((vaddr & PAGE_MASK) | _PAGE_RW | _PAGE_PRESENT);
442         } else {
443                 /* Read the actual PTE value. */
444                 gpte = lgread(cpu, gpte_ptr, pte_t);
445         }
446
447         /* If this page isn't in the Guest page tables, we can't page it in. */
448         if (!(pte_flags(gpte) & _PAGE_PRESENT))
449                 return false;
450
451         /*
452          * Check they're not trying to write to a page the Guest wants
453          * read-only (bit 2 of errcode == write).
454          */
455         if ((errcode & 2) && !(pte_flags(gpte) & _PAGE_RW))
456                 return false;
457
458         /* User access to a kernel-only page? (bit 3 == user access) */
459         if ((errcode & 4) && !(pte_flags(gpte) & _PAGE_USER))
460                 return false;
461
462         /*
463          * Check that the Guest PTE flags are OK, and the page number is below
464          * the pfn_limit (ie. not mapping the Launcher binary).
465          */
466         if (!check_gpte(cpu, gpte))
467                 return false;
468
469         /* Add the _PAGE_ACCESSED and (for a write) _PAGE_DIRTY flag */
470         gpte = pte_mkyoung(gpte);
471         if (errcode & 2)
472                 gpte = pte_mkdirty(gpte);
473
474         /* Get the pointer to the shadow PTE entry we're going to set. */
475         spte = find_spte(cpu, vaddr, true, pgd_flags(gpgd), pmd_flags(gpmd));
476         if (!spte)
477                 return false;
478
479         /*
480          * If there was a valid shadow PTE entry here before, we release it.
481          * This can happen with a write to a previously read-only entry.
482          */
483         release_pte(*spte);
484
485         /*
486          * If this is a write, we insist that the Guest page is writable (the
487          * final arg to gpte_to_spte()).
488          */
489         if (pte_dirty(gpte))
490                 *spte = gpte_to_spte(cpu, gpte, 1);
491         else
492                 /*
493                  * If this is a read, don't set the "writable" bit in the page
494                  * table entry, even if the Guest says it's writable.  That way
495                  * we will come back here when a write does actually occur, so
496                  * we can update the Guest's _PAGE_DIRTY flag.
497                  */
498                 set_pte(spte, gpte_to_spte(cpu, pte_wrprotect(gpte), 0));
499
500         /*
501          * Finally, we write the Guest PTE entry back: we've set the
502          * _PAGE_ACCESSED and maybe the _PAGE_DIRTY flags.
503          */
504         if (likely(!cpu->linear_pages))
505                 lgwrite(cpu, gpte_ptr, pte_t, gpte);
506
507         /*
508          * The fault is fixed, the page table is populated, the mapping
509          * manipulated, the result returned and the code complete.  A small
510          * delay and a trace of alliteration are the only indications the Guest
511          * has that a page fault occurred at all.
512          */
513         return true;
514 }
515
516 /*H:360
517  * (ii) Making sure the Guest stack is mapped.
518  *
519  * Remember that direct traps into the Guest need a mapped Guest kernel stack.
520  * pin_stack_pages() calls us here: we could simply call demand_page(), but as
521  * we've seen that logic is quite long, and usually the stack pages are already
522  * mapped, so it's overkill.
523  *
524  * This is a quick version which answers the question: is this virtual address
525  * mapped by the shadow page tables, and is it writable?
526  */
527 static bool page_writable(struct lg_cpu *cpu, unsigned long vaddr)
528 {
529         pte_t *spte;
530         unsigned long flags;
531
532         /* You can't put your stack in the Switcher! */
533         if (vaddr >= switcher_addr)
534                 return false;
535
536         /* If there's no shadow PTE, it's not writable. */
537         spte = find_spte(cpu, vaddr, false, 0, 0);
538         if (!spte)
539                 return false;
540
541         /*
542          * Check the flags on the pte entry itself: it must be present and
543          * writable.
544          */
545         flags = pte_flags(*spte);
546         return (flags & (_PAGE_PRESENT|_PAGE_RW)) == (_PAGE_PRESENT|_PAGE_RW);
547 }
548
549 /*
550  * So, when pin_stack_pages() asks us to pin a page, we check if it's already
551  * in the page tables, and if not, we call demand_page() with error code 2
552  * (meaning "write").
553  */
554 void pin_page(struct lg_cpu *cpu, unsigned long vaddr)
555 {
556         if (!page_writable(cpu, vaddr) && !demand_page(cpu, vaddr, 2))
557                 kill_guest(cpu, "bad stack page %#lx", vaddr);
558 }
559 /*:*/
560
561 #ifdef CONFIG_X86_PAE
562 static void release_pmd(pmd_t *spmd)
563 {
564         /* If the entry's not present, there's nothing to release. */
565         if (pmd_flags(*spmd) & _PAGE_PRESENT) {
566                 unsigned int i;
567                 pte_t *ptepage = __va(pmd_pfn(*spmd) << PAGE_SHIFT);
568                 /* For each entry in the page, we might need to release it. */
569                 for (i = 0; i < PTRS_PER_PTE; i++)
570                         release_pte(ptepage[i]);
571                 /* Now we can free the page of PTEs */
572                 free_page((long)ptepage);
573                 /* And zero out the PMD entry so we never release it twice. */
574                 set_pmd(spmd, __pmd(0));
575         }
576 }
577
578 static void release_pgd(pgd_t *spgd)
579 {
580         /* If the entry's not present, there's nothing to release. */
581         if (pgd_flags(*spgd) & _PAGE_PRESENT) {
582                 unsigned int i;
583                 pmd_t *pmdpage = __va(pgd_pfn(*spgd) << PAGE_SHIFT);
584
585                 for (i = 0; i < PTRS_PER_PMD; i++)
586                         release_pmd(&pmdpage[i]);
587
588                 /* Now we can free the page of PMDs */
589                 free_page((long)pmdpage);
590                 /* And zero out the PGD entry so we never release it twice. */
591                 set_pgd(spgd, __pgd(0));
592         }
593 }
594
595 #else /* !CONFIG_X86_PAE */
596 /*H:450
597  * If we chase down the release_pgd() code, the non-PAE version looks like
598  * this.  The PAE version is almost identical, but instead of calling
599  * release_pte it calls release_pmd(), which looks much like this.
600  */
601 static void release_pgd(pgd_t *spgd)
602 {
603         /* If the entry's not present, there's nothing to release. */
604         if (pgd_flags(*spgd) & _PAGE_PRESENT) {
605                 unsigned int i;
606                 /*
607                  * Converting the pfn to find the actual PTE page is easy: turn
608                  * the page number into a physical address, then convert to a
609                  * virtual address (easy for kernel pages like this one).
610                  */
611                 pte_t *ptepage = __va(pgd_pfn(*spgd) << PAGE_SHIFT);
612                 /* For each entry in the page, we might need to release it. */
613                 for (i = 0; i < PTRS_PER_PTE; i++)
614                         release_pte(ptepage[i]);
615                 /* Now we can free the page of PTEs */
616                 free_page((long)ptepage);
617                 /* And zero out the PGD entry so we never release it twice. */
618                 *spgd = __pgd(0);
619         }
620 }
621 #endif
622
623 /*H:445
624  * We saw flush_user_mappings() twice: once from the flush_user_mappings()
625  * hypercall and once in new_pgdir() when we re-used a top-level pgdir page.
626  * It simply releases every PTE page from 0 up to the Guest's kernel address.
627  */
628 static void flush_user_mappings(struct lguest *lg, int idx)
629 {
630         unsigned int i;
631         /* Release every pgd entry up to the kernel's address. */
632         for (i = 0; i < pgd_index(lg->kernel_address); i++)
633                 release_pgd(lg->pgdirs[idx].pgdir + i);
634 }
635
636 /*H:440
637  * (v) Flushing (throwing away) page tables,
638  *
639  * The Guest has a hypercall to throw away the page tables: it's used when a
640  * large number of mappings have been changed.
641  */
642 void guest_pagetable_flush_user(struct lg_cpu *cpu)
643 {
644         /* Drop the userspace part of the current page table. */
645         flush_user_mappings(cpu->lg, cpu->cpu_pgd);
646 }
647 /*:*/
648
649 /* We walk down the guest page tables to get a guest-physical address */
650 bool __guest_pa(struct lg_cpu *cpu, unsigned long vaddr, unsigned long *paddr)
651 {
652         pgd_t gpgd;
653         pte_t gpte;
654 #ifdef CONFIG_X86_PAE
655         pmd_t gpmd;
656 #endif
657
658         /* Still not set up?  Just map 1:1. */
659         if (unlikely(cpu->linear_pages)) {
660                 *paddr = vaddr;
661                 return true;
662         }
663
664         /* First step: get the top-level Guest page table entry. */
665         gpgd = lgread(cpu, gpgd_addr(cpu, vaddr), pgd_t);
666         /* Toplevel not present?  We can't map it in. */
667         if (!(pgd_flags(gpgd) & _PAGE_PRESENT))
668                 goto fail;
669
670 #ifdef CONFIG_X86_PAE
671         gpmd = lgread(cpu, gpmd_addr(gpgd, vaddr), pmd_t);
672         if (!(pmd_flags(gpmd) & _PAGE_PRESENT))
673                 goto fail;
674         gpte = lgread(cpu, gpte_addr(cpu, gpmd, vaddr), pte_t);
675 #else
676         gpte = lgread(cpu, gpte_addr(cpu, gpgd, vaddr), pte_t);
677 #endif
678         if (!(pte_flags(gpte) & _PAGE_PRESENT))
679                 goto fail;
680
681         *paddr = pte_pfn(gpte) * PAGE_SIZE | (vaddr & ~PAGE_MASK);
682         return true;
683
684 fail:
685         *paddr = -1UL;
686         return false;
687 }
688
689 /*
690  * This is the version we normally use: kills the Guest if it uses a
691  * bad address
692  */
693 unsigned long guest_pa(struct lg_cpu *cpu, unsigned long vaddr)
694 {
695         unsigned long paddr;
696
697         if (!__guest_pa(cpu, vaddr, &paddr))
698                 kill_guest(cpu, "Bad address %#lx", vaddr);
699         return paddr;
700 }
701
702 /*
703  * We keep several page tables.  This is a simple routine to find the page
704  * table (if any) corresponding to this top-level address the Guest has given
705  * us.
706  */
707 static unsigned int find_pgdir(struct lguest *lg, unsigned long pgtable)
708 {
709         unsigned int i;
710         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(lg->pgdirs); i++)
711                 if (lg->pgdirs[i].pgdir && lg->pgdirs[i].gpgdir == pgtable)
712                         break;
713         return i;
714 }
715
716 /*H:435
717  * And this is us, creating the new page directory.  If we really do
718  * allocate a new one (and so the kernel parts are not there), we set
719  * blank_pgdir.
720  */
721 static unsigned int new_pgdir(struct lg_cpu *cpu,
722                               unsigned long gpgdir,
723                               int *blank_pgdir)
724 {
725         unsigned int next;
726
727         /*
728          * We pick one entry at random to throw out.  Choosing the Least
729          * Recently Used might be better, but this is easy.
730          */
731         next = prandom_u32() % ARRAY_SIZE(cpu->lg->pgdirs);
732         /* If it's never been allocated at all before, try now. */
733         if (!cpu->lg->pgdirs[next].pgdir) {
734                 cpu->lg->pgdirs[next].pgdir =
735                                         (pgd_t *)get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
736                 /* If the allocation fails, just keep using the one we have */
737                 if (!cpu->lg->pgdirs[next].pgdir)
738                         next = cpu->cpu_pgd;
739                 else {
740                         /*
741                          * This is a blank page, so there are no kernel
742                          * mappings: caller must map the stack!
743                          */
744                         *blank_pgdir = 1;
745                 }
746         }
747         /* Record which Guest toplevel this shadows. */
748         cpu->lg->pgdirs[next].gpgdir = gpgdir;
749         /* Release all the non-kernel mappings. */
750         flush_user_mappings(cpu->lg, next);
751
752         /* This hasn't run on any CPU at all. */
753         cpu->lg->pgdirs[next].last_host_cpu = -1;
754
755         return next;
756 }
757
758 /*H:501
759  * We do need the Switcher code mapped at all times, so we allocate that
760  * part of the Guest page table here.  We map the Switcher code immediately,
761  * but defer mapping of the guest register page and IDT/LDT etc page until
762  * just before we run the guest in map_switcher_in_guest().
763  *
764  * We *could* do this setup in map_switcher_in_guest(), but at that point
765  * we've interrupts disabled, and allocating pages like that is fraught: we
766  * can't sleep if we need to free up some memory.
767  */
768 static bool allocate_switcher_mapping(struct lg_cpu *cpu)
769 {
770         int i;
771
772         for (i = 0; i < TOTAL_SWITCHER_PAGES; i++) {
773                 pte_t *pte = find_spte(cpu, switcher_addr + i * PAGE_SIZE, true,
774                                        CHECK_GPGD_MASK, _PAGE_TABLE);
775                 if (!pte)
776                         return false;
777
778                 /*
779                  * Map the switcher page if not already there.  It might
780                  * already be there because we call allocate_switcher_mapping()
781                  * in guest_set_pgd() just in case it did discard our Switcher
782                  * mapping, but it probably didn't.
783                  */
784                 if (i == 0 && !(pte_flags(*pte) & _PAGE_PRESENT)) {
785                         /* Get a reference to the Switcher page. */
786                         get_page(lg_switcher_pages[0]);
787                         /* Create a read-only, exectuable, kernel-style PTE */
788                         set_pte(pte,
789                                 mk_pte(lg_switcher_pages[0], PAGE_KERNEL_RX));
790                 }
791         }
792         cpu->lg->pgdirs[cpu->cpu_pgd].switcher_mapped = true;
793         return true;
794 }
795
796 /*H:470
797  * Finally, a routine which throws away everything: all PGD entries in all
798  * the shadow page tables, including the Guest's kernel mappings.  This is used
799  * when we destroy the Guest.
800  */
801 static void release_all_pagetables(struct lguest *lg)
802 {
803         unsigned int i, j;
804
805         /* Every shadow pagetable this Guest has */
806         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(lg->pgdirs); i++) {
807                 if (!lg->pgdirs[i].pgdir)
808                         continue;
809
810                 /* Every PGD entry. */
811                 for (j = 0; j < PTRS_PER_PGD; j++)
812                         release_pgd(lg->pgdirs[i].pgdir + j);
813                 lg->pgdirs[i].switcher_mapped = false;
814                 lg->pgdirs[i].last_host_cpu = -1;
815         }
816 }
817
818 /*
819  * We also throw away everything when a Guest tells us it's changed a kernel
820  * mapping.  Since kernel mappings are in every page table, it's easiest to
821  * throw them all away.  This traps the Guest in amber for a while as
822  * everything faults back in, but it's rare.
823  */
824 void guest_pagetable_clear_all(struct lg_cpu *cpu)
825 {
826         release_all_pagetables(cpu->lg);
827         /* We need the Guest kernel stack mapped again. */
828         pin_stack_pages(cpu);
829         /* And we need Switcher allocated. */
830         if (!allocate_switcher_mapping(cpu))
831                 kill_guest(cpu, "Cannot populate switcher mapping");
832 }
833
834 /*H:430
835  * (iv) Switching page tables
836  *
837  * Now we've seen all the page table setting and manipulation, let's see
838  * what happens when the Guest changes page tables (ie. changes the top-level
839  * pgdir).  This occurs on almost every context switch.
840  */
841 void guest_new_pagetable(struct lg_cpu *cpu, unsigned long pgtable)
842 {
843         int newpgdir, repin = 0;
844
845         /*
846          * The very first time they call this, we're actually running without
847          * any page tables; we've been making it up.  Throw them away now.
848          */
849         if (unlikely(cpu->linear_pages)) {
850                 release_all_pagetables(cpu->lg);
851                 cpu->linear_pages = false;
852                 /* Force allocation of a new pgdir. */
853                 newpgdir = ARRAY_SIZE(cpu->lg->pgdirs);
854         } else {
855                 /* Look to see if we have this one already. */
856                 newpgdir = find_pgdir(cpu->lg, pgtable);
857         }
858
859         /*
860          * If not, we allocate or mug an existing one: if it's a fresh one,
861          * repin gets set to 1.
862          */
863         if (newpgdir == ARRAY_SIZE(cpu->lg->pgdirs))
864                 newpgdir = new_pgdir(cpu, pgtable, &repin);
865         /* Change the current pgd index to the new one. */
866         cpu->cpu_pgd = newpgdir;
867         /*
868          * If it was completely blank, we map in the Guest kernel stack and
869          * the Switcher.
870          */
871         if (repin)
872                 pin_stack_pages(cpu);
873
874         if (!cpu->lg->pgdirs[cpu->cpu_pgd].switcher_mapped) {
875                 if (!allocate_switcher_mapping(cpu))
876                         kill_guest(cpu, "Cannot populate switcher mapping");
877         }
878 }
879 /*:*/
880
881 /*M:009
882  * Since we throw away all mappings when a kernel mapping changes, our
883  * performance sucks for guests using highmem.  In fact, a guest with
884  * PAGE_OFFSET 0xc0000000 (the default) and more than about 700MB of RAM is
885  * usually slower than a Guest with less memory.
886  *
887  * This, of course, cannot be fixed.  It would take some kind of... well, I
888  * don't know, but the term "puissant code-fu" comes to mind.
889 :*/
890
891 /*H:420
892  * This is the routine which actually sets the page table entry for then
893  * "idx"'th shadow page table.
894  *
895  * Normally, we can just throw out the old entry and replace it with 0: if they
896  * use it demand_page() will put the new entry in.  We need to do this anyway:
897  * The Guest expects _PAGE_ACCESSED to be set on its PTE the first time a page
898  * is read from, and _PAGE_DIRTY when it's written to.
899  *
900  * But Avi Kivity pointed out that most Operating Systems (Linux included) set
901  * these bits on PTEs immediately anyway.  This is done to save the CPU from
902  * having to update them, but it helps us the same way: if they set
903  * _PAGE_ACCESSED then we can put a read-only PTE entry in immediately, and if
904  * they set _PAGE_DIRTY then we can put a writable PTE entry in immediately.
905  */
906 static void __guest_set_pte(struct lg_cpu *cpu, int idx,
907                        unsigned long vaddr, pte_t gpte)
908 {
909         /* Look up the matching shadow page directory entry. */
910         pgd_t *spgd = spgd_addr(cpu, idx, vaddr);
911 #ifdef CONFIG_X86_PAE
912         pmd_t *spmd;
913 #endif
914
915         /* If the top level isn't present, there's no entry to update. */
916         if (pgd_flags(*spgd) & _PAGE_PRESENT) {
917 #ifdef CONFIG_X86_PAE
918                 spmd = spmd_addr(cpu, *spgd, vaddr);
919                 if (pmd_flags(*spmd) & _PAGE_PRESENT) {
920 #endif
921                         /* Otherwise, start by releasing the existing entry. */
922                         pte_t *spte = spte_addr(cpu, *spgd, vaddr);
923                         release_pte(*spte);
924
925                         /*
926                          * If they're setting this entry as dirty or accessed,
927                          * we might as well put that entry they've given us in
928                          * now.  This shaves 10% off a copy-on-write
929                          * micro-benchmark.
930                          */
931                         if (pte_flags(gpte) & (_PAGE_DIRTY | _PAGE_ACCESSED)) {
932                                 if (!check_gpte(cpu, gpte))
933                                         return;
934                                 set_pte(spte,
935                                         gpte_to_spte(cpu, gpte,
936                                                 pte_flags(gpte) & _PAGE_DIRTY));
937                         } else {
938                                 /*
939                                  * Otherwise kill it and we can demand_page()
940                                  * it in later.
941                                  */
942                                 set_pte(spte, __pte(0));
943                         }
944 #ifdef CONFIG_X86_PAE
945                 }
946 #endif
947         }
948 }
949
950 /*H:410
951  * Updating a PTE entry is a little trickier.
952  *
953  * We keep track of several different page tables (the Guest uses one for each
954  * process, so it makes sense to cache at least a few).  Each of these have
955  * identical kernel parts: ie. every mapping above PAGE_OFFSET is the same for
956  * all processes.  So when the page table above that address changes, we update
957  * all the page tables, not just the current one.  This is rare.
958  *
959  * The benefit is that when we have to track a new page table, we can keep all
960  * the kernel mappings.  This speeds up context switch immensely.
961  */
962 void guest_set_pte(struct lg_cpu *cpu,
963                    unsigned long gpgdir, unsigned long vaddr, pte_t gpte)
964 {
965         /* We don't let you remap the Switcher; we need it to get back! */
966         if (vaddr >= switcher_addr) {
967                 kill_guest(cpu, "attempt to set pte into Switcher pages");
968                 return;
969         }
970
971         /*
972          * Kernel mappings must be changed on all top levels.  Slow, but doesn't
973          * happen often.
974          */
975         if (vaddr >= cpu->lg->kernel_address) {
976                 unsigned int i;
977                 for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(cpu->lg->pgdirs); i++)
978                         if (cpu->lg->pgdirs[i].pgdir)
979                                 __guest_set_pte(cpu, i, vaddr, gpte);
980         } else {
981                 /* Is this page table one we have a shadow for? */
982                 int pgdir = find_pgdir(cpu->lg, gpgdir);
983                 if (pgdir != ARRAY_SIZE(cpu->lg->pgdirs))
984                         /* If so, do the update. */
985                         __guest_set_pte(cpu, pgdir, vaddr, gpte);
986         }
987 }
988
989 /*H:400
990  * (iii) Setting up a page table entry when the Guest tells us one has changed.
991  *
992  * Just like we did in interrupts_and_traps.c, it makes sense for us to deal
993  * with the other side of page tables while we're here: what happens when the
994  * Guest asks for a page table to be updated?
995  *
996  * We already saw that demand_page() will fill in the shadow page tables when
997  * needed, so we can simply remove shadow page table entries whenever the Guest
998  * tells us they've changed.  When the Guest tries to use the new entry it will
999  * fault and demand_page() will fix it up.
1000  *
1001  * So with that in mind here's our code to update a (top-level) PGD entry:
1002  */
1003 void guest_set_pgd(struct lguest *lg, unsigned long gpgdir, u32 idx)
1004 {
1005         int pgdir;
1006
1007         if (idx > PTRS_PER_PGD) {
1008                 kill_guest(&lg->cpus[0], "Attempt to set pgd %u/%u",
1009                            idx, PTRS_PER_PGD);
1010                 return;
1011         }
1012
1013         /* If they're talking about a page table we have a shadow for... */
1014         pgdir = find_pgdir(lg, gpgdir);
1015         if (pgdir < ARRAY_SIZE(lg->pgdirs)) {
1016                 /* ... throw it away. */
1017                 release_pgd(lg->pgdirs[pgdir].pgdir + idx);
1018                 /* That might have been the Switcher mapping, remap it. */
1019                 if (!allocate_switcher_mapping(&lg->cpus[0])) {
1020                         kill_guest(&lg->cpus[0],
1021                                    "Cannot populate switcher mapping");
1022                 }
1023                 lg->pgdirs[pgdir].last_host_cpu = -1;
1024         }
1025 }
1026
1027 #ifdef CONFIG_X86_PAE
1028 /* For setting a mid-level, we just throw everything away.  It's easy. */
1029 void guest_set_pmd(struct lguest *lg, unsigned long pmdp, u32 idx)
1030 {
1031         guest_pagetable_clear_all(&lg->cpus[0]);
1032 }
1033 #endif
1034
1035 /*H:500
1036  * (vii) Setting up the page tables initially.
1037  *
1038  * When a Guest is first created, set initialize a shadow page table which
1039  * we will populate on future faults.  The Guest doesn't have any actual
1040  * pagetables yet, so we set linear_pages to tell demand_page() to fake it
1041  * for the moment.
1042  *
1043  * We do need the Switcher to be mapped at all times, so we allocate that
1044  * part of the Guest page table here.
1045  */
1046 int init_guest_pagetable(struct lguest *lg)
1047 {
1048         struct lg_cpu *cpu = &lg->cpus[0];
1049         int allocated = 0;
1050
1051         /* lg (and lg->cpus[]) starts zeroed: this allocates a new pgdir */
1052         cpu->cpu_pgd = new_pgdir(cpu, 0, &allocated);
1053         if (!allocated)
1054                 return -ENOMEM;
1055
1056         /* We start with a linear mapping until the initialize. */
1057         cpu->linear_pages = true;
1058
1059         /* Allocate the page tables for the Switcher. */
1060         if (!allocate_switcher_mapping(cpu)) {
1061                 release_all_pagetables(lg);
1062                 return -ENOMEM;
1063         }
1064
1065         return 0;
1066 }
1067
1068 /*H:508 When the Guest calls LHCALL_LGUEST_INIT we do more setup. */
1069 void page_table_guest_data_init(struct lg_cpu *cpu)
1070 {
1071         /*
1072          * We tell the Guest that it can't use the virtual addresses
1073          * used by the Switcher.  This trick is equivalent to 4GB -
1074          * switcher_addr.
1075          */
1076         u32 top = ~switcher_addr + 1;
1077
1078         /* We get the kernel address: above this is all kernel memory. */
1079         if (get_user(cpu->lg->kernel_address,
1080                      &cpu->lg->lguest_data->kernel_address)
1081                 /*
1082                  * We tell the Guest that it can't use the top virtual
1083                  * addresses (used by the Switcher).
1084                  */
1085             || put_user(top, &cpu->lg->lguest_data->reserve_mem)) {
1086                 kill_guest(cpu, "bad guest page %p", cpu->lg->lguest_data);
1087                 return;
1088         }
1089
1090         /*
1091          * In flush_user_mappings() we loop from 0 to
1092          * "pgd_index(lg->kernel_address)".  This assumes it won't hit the
1093          * Switcher mappings, so check that now.
1094          */
1095         if (cpu->lg->kernel_address >= switcher_addr)
1096                 kill_guest(cpu, "bad kernel address %#lx",
1097                                  cpu->lg->kernel_address);
1098 }
1099
1100 /* When a Guest dies, our cleanup is fairly simple. */
1101 void free_guest_pagetable(struct lguest *lg)
1102 {
1103         unsigned int i;
1104
1105         /* Throw away all page table pages. */
1106         release_all_pagetables(lg);
1107         /* Now free the top levels: free_page() can handle 0 just fine. */
1108         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(lg->pgdirs); i++)
1109                 free_page((long)lg->pgdirs[i].pgdir);
1110 }
1111
1112 /*H:481
1113  * This clears the Switcher mappings for cpu #i.
1114  */
1115 static void remove_switcher_percpu_map(struct lg_cpu *cpu, unsigned int i)
1116 {
1117         unsigned long base = switcher_addr + PAGE_SIZE + i * PAGE_SIZE*2;
1118         pte_t *pte;
1119
1120         /* Clear the mappings for both pages. */
1121         pte = find_spte(cpu, base, false, 0, 0);
1122         release_pte(*pte);
1123         set_pte(pte, __pte(0));
1124
1125         pte = find_spte(cpu, base + PAGE_SIZE, false, 0, 0);
1126         release_pte(*pte);
1127         set_pte(pte, __pte(0));
1128 }
1129
1130 /*H:480
1131  * (vi) Mapping the Switcher when the Guest is about to run.
1132  *
1133  * The Switcher and the two pages for this CPU need to be visible in the Guest
1134  * (and not the pages for other CPUs).
1135  *
1136  * The pages for the pagetables have all been allocated before: we just need
1137  * to make sure the actual PTEs are up-to-date for the CPU we're about to run
1138  * on.
1139  */
1140 void map_switcher_in_guest(struct lg_cpu *cpu, struct lguest_pages *pages)
1141 {
1142         unsigned long base;
1143         struct page *percpu_switcher_page, *regs_page;
1144         pte_t *pte;
1145         struct pgdir *pgdir = &cpu->lg->pgdirs[cpu->cpu_pgd];
1146
1147         /* Switcher page should always be mapped by now! */
1148         BUG_ON(!pgdir->switcher_mapped);
1149
1150         /* 
1151          * Remember that we have two pages for each Host CPU, so we can run a
1152          * Guest on each CPU without them interfering.  We need to make sure
1153          * those pages are mapped correctly in the Guest, but since we usually
1154          * run on the same CPU, we cache that, and only update the mappings
1155          * when we move.
1156          */
1157         if (pgdir->last_host_cpu == raw_smp_processor_id())
1158                 return;
1159
1160         /* -1 means unknown so we remove everything. */
1161         if (pgdir->last_host_cpu == -1) {
1162                 unsigned int i;
1163                 for_each_possible_cpu(i)
1164                         remove_switcher_percpu_map(cpu, i);
1165         } else {
1166                 /* We know exactly what CPU mapping to remove. */
1167                 remove_switcher_percpu_map(cpu, pgdir->last_host_cpu);
1168         }
1169
1170         /*
1171          * When we're running the Guest, we want the Guest's "regs" page to
1172          * appear where the first Switcher page for this CPU is.  This is an
1173          * optimization: when the Switcher saves the Guest registers, it saves
1174          * them into the first page of this CPU's "struct lguest_pages": if we
1175          * make sure the Guest's register page is already mapped there, we
1176          * don't have to copy them out again.
1177          */
1178         /* Find the shadow PTE for this regs page. */
1179         base = switcher_addr + PAGE_SIZE
1180                 + raw_smp_processor_id() * sizeof(struct lguest_pages);
1181         pte = find_spte(cpu, base, false, 0, 0);
1182         regs_page = pfn_to_page(__pa(cpu->regs_page) >> PAGE_SHIFT);
1183         get_page(regs_page);
1184         set_pte(pte, mk_pte(regs_page, __pgprot(__PAGE_KERNEL & ~_PAGE_GLOBAL)));
1185
1186         /*
1187          * We map the second page of the struct lguest_pages read-only in
1188          * the Guest: the IDT, GDT and other things it's not supposed to
1189          * change.
1190          */
1191         pte = find_spte(cpu, base + PAGE_SIZE, false, 0, 0);
1192         percpu_switcher_page
1193                 = lg_switcher_pages[1 + raw_smp_processor_id()*2 + 1];
1194         get_page(percpu_switcher_page);
1195         set_pte(pte, mk_pte(percpu_switcher_page,
1196                             __pgprot(__PAGE_KERNEL_RO & ~_PAGE_GLOBAL)));
1197
1198         pgdir->last_host_cpu = raw_smp_processor_id();
1199 }
1200
1201 /*H:490
1202  * We've made it through the page table code.  Perhaps our tired brains are
1203  * still processing the details, or perhaps we're simply glad it's over.
1204  *
1205  * If nothing else, note that all this complexity in juggling shadow page tables
1206  * in sync with the Guest's page tables is for one reason: for most Guests this
1207  * page table dance determines how bad performance will be.  This is why Xen
1208  * uses exotic direct Guest pagetable manipulation, and why both Intel and AMD
1209  * have implemented shadow page table support directly into hardware.
1210  *
1211  * There is just one file remaining in the Host.
1212  */