Quelle  uffd-common.c   Sprache: C

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
/*
 * Userfaultfd tests util functions
 *
 * Copyright (C) 2015-2023  Red Hat, Inc.
 */

#include "uffd-common.h"

#define BASE_PMD_ADDR ((void *)(1UL << 30))

volatile bool test_uffdio_copy_eexist = true;
unsigned long nr_parallel, nr_pages, nr_pages_per_cpu, page_size;
char *area_src, *area_src_alias, *area_dst, *area_dst_alias, *area_remap;
int uffd = -1, uffd_flags, finished, *pipefd, test_type;
bool map_shared;
bool test_uffdio_wp = true;
unsigned long long *count_verify;
uffd_test_ops_t *uffd_test_ops;
uffd_test_case_ops_t *uffd_test_case_ops;
atomic_bool ready_for_fork;

static int uffd_mem_fd_create(off_t mem_size, bool hugetlb)
{
 unsigned int memfd_flags = 0;
 int mem_fd;

 if (hugetlb)
  memfd_flags = MFD_HUGETLB;
 mem_fd = memfd_create("uffd-test", memfd_flags);
 if (mem_fd < 0)
  err("memfd_create");
 if (ftruncate(mem_fd, mem_size))
  err("ftruncate");
 if (fallocate(mem_fd,
        FALLOC_FL_PUNCH_HOLE | FALLOC_FL_KEEP_SIZE, 0,
        mem_size))
  err("fallocate");

 return mem_fd;
}

static void anon_release_pages(char *rel_area)
{
 if (madvise(rel_area, nr_pages * page_size, MADV_DONTNEED))
  err("madvise(MADV_DONTNEED) failed");
}

static int anon_allocate_area(void **alloc_area, bool is_src)
{
 *alloc_area = mmap(NULL, nr_pages * page_size, PROT_READ | PROT_WRITE,
      MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE, -1, 0);
 if (*alloc_area == MAP_FAILED) {
  *alloc_area = NULL;
  return -errno;
 }
 return 0;
}

static void noop_alias_mapping(__u64 *start, size_t len, unsigned long offset)
{
}

static void hugetlb_release_pages(char *rel_area)
{
 if (!map_shared) {
  if (madvise(rel_area, nr_pages * page_size, MADV_DONTNEED))
   err("madvise(MADV_DONTNEED) failed");
 } else {
  if (madvise(rel_area, nr_pages * page_size, MADV_REMOVE))
   err("madvise(MADV_REMOVE) failed");
 }
}

static int hugetlb_allocate_area(void **alloc_area, bool is_src)
{
 off_t size = nr_pages * page_size;
 off_t offset = is_src ? 0 : size;
 void *area_alias = NULL;
 char **alloc_area_alias;
 int mem_fd = uffd_mem_fd_create(size * 2, true);

 *alloc_area = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE,
      (map_shared ? MAP_SHARED : MAP_PRIVATE) |
      (is_src ? 0 : MAP_NORESERVE),
      mem_fd, offset);
 if (*alloc_area == MAP_FAILED) {
  *alloc_area = NULL;
  return -errno;
 }

 if (map_shared) {
  area_alias = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE,
      MAP_SHARED, mem_fd, offset);
  if (area_alias == MAP_FAILED)
   return -errno;
 }

 if (is_src) {
  alloc_area_alias = &area_src_alias;
 } else {
  alloc_area_alias = &area_dst_alias;
 }
 if (area_alias)
  *alloc_area_alias = area_alias;

 close(mem_fd);
 return 0;
}

static void hugetlb_alias_mapping(__u64 *start, size_t len, unsigned long offset)
{
 if (!map_shared)
  return;

 *start = (unsigned long) area_dst_alias + offset;
}

static void shmem_release_pages(char *rel_area)
{
 if (madvise(rel_area, nr_pages * page_size, MADV_REMOVE))
  err("madvise(MADV_REMOVE) failed");
}

static int shmem_allocate_area(void **alloc_area, bool is_src)
{
 void *area_alias = NULL;
 size_t bytes = nr_pages * page_size, hpage_size = read_pmd_pagesize();
 unsigned long offset = is_src ? 0 : bytes;
 char *p = NULL, *p_alias = NULL;
 int mem_fd = uffd_mem_fd_create(bytes * 2, false);

 /* TODO: clean this up.  Use a static addr is ugly */
 p = BASE_PMD_ADDR;
 if (!is_src)
  /* src map + alias + interleaved hpages */
  p += 2 * (bytes + hpage_size);
 p_alias = p;
 p_alias += bytes;
 p_alias += hpage_size;  /* Prevent src/dst VMA merge */

 *alloc_area = mmap(p, bytes, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,
      mem_fd, offset);
 if (*alloc_area == MAP_FAILED) {
  *alloc_area = NULL;
  return -errno;
 }
 if (*alloc_area != p)
  err("mmap of memfd failed at %p", p);

 area_alias = mmap(p_alias, bytes, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,
     mem_fd, offset);
 if (area_alias == MAP_FAILED) {
  munmap(*alloc_area, bytes);
  *alloc_area = NULL;
  return -errno;
 }
 if (area_alias != p_alias)
  err("mmap of anonymous memory failed at %p", p_alias);

 if (is_src)
  area_src_alias = area_alias;
 else
  area_dst_alias = area_alias;

 close(mem_fd);
 return 0;
}

static void shmem_alias_mapping(__u64 *start, size_t len, unsigned long offset)
{
 *start = (unsigned long)area_dst_alias + offset;
}

static void shmem_check_pmd_mapping(void *p, int expect_nr_hpages)
{
 if (!check_huge_shmem(area_dst_alias, expect_nr_hpages,
         read_pmd_pagesize()))
  err("Did not find expected %d number of hugepages",
      expect_nr_hpages);
}

struct uffd_test_ops anon_uffd_test_ops = {
 .allocate_area = anon_allocate_area,
 .release_pages = anon_release_pages,
 .alias_mapping = noop_alias_mapping,
 .check_pmd_mapping = NULL,
};

struct uffd_test_ops shmem_uffd_test_ops = {
 .allocate_area = shmem_allocate_area,
 .release_pages = shmem_release_pages,
 .alias_mapping = shmem_alias_mapping,
 .check_pmd_mapping = shmem_check_pmd_mapping,
};

struct uffd_test_ops hugetlb_uffd_test_ops = {
 .allocate_area = hugetlb_allocate_area,
 .release_pages = hugetlb_release_pages,
 .alias_mapping = hugetlb_alias_mapping,
 .check_pmd_mapping = NULL,
};

void uffd_stats_report(struct uffd_args *args, int n_cpus)
{
 int i;
 unsigned long long miss_total = 0, wp_total = 0, minor_total = 0;

 for (i = 0; i < n_cpus; i++) {
  miss_total += args[i].missing_faults;
  wp_total += args[i].wp_faults;
  minor_total += args[i].minor_faults;
 }

 printf("userfaults: ");
 if (miss_total) {
  printf("%llu missing (", miss_total);
  for (i = 0; i < n_cpus; i++)
   printf("%lu+", args[i].missing_faults);
  printf("\b) ");
 }
 if (wp_total) {
  printf("%llu wp (", wp_total);
  for (i = 0; i < n_cpus; i++)
   printf("%lu+", args[i].wp_faults);
  printf("\b) ");
 }
 if (minor_total) {
  printf("%llu minor (", minor_total);
  for (i = 0; i < n_cpus; i++)
   printf("%lu+", args[i].minor_faults);
  printf("\b)");
 }
 printf("\n");
}

int userfaultfd_open(uint64_t *features)
{
 struct uffdio_api uffdio_api;

 uffd = uffd_open(UFFD_FLAGS);
 if (uffd < 0)
  return -1;
 uffd_flags = fcntl(uffd, F_GETFD, NULL);

 uffdio_api.api = UFFD_API;
 uffdio_api.features = *features;
 if (ioctl(uffd, UFFDIO_API, &uffdio_api))
  /* Probably lack of CAP_PTRACE? */
  return -1;
 if (uffdio_api.api != UFFD_API)
  err("UFFDIO_API error: %" PRIu64, (uint64_t)uffdio_api.api);

 *features = uffdio_api.features;
 return 0;
}

static inline void munmap_area(void **area)
{
 if (*area)
  if (munmap(*area, nr_pages * page_size))
   err("munmap");

 *area = NULL;
}

void uffd_test_ctx_clear(void)
{
 size_t i;

 if (pipefd) {
  for (i = 0; i < nr_parallel * 2; ++i) {
   if (close(pipefd[i]))
    err("close pipefd");
  }
  free(pipefd);
  pipefd = NULL;
 }

 if (count_verify) {
  free(count_verify);
  count_verify = NULL;
 }

 if (uffd != -1) {
  if (close(uffd))
   err("close uffd");
  uffd = -1;
 }

 munmap_area((void **)&area_src);
 munmap_area((void **)&area_src_alias);
 munmap_area((void **)&area_dst);
 munmap_area((void **)&area_dst_alias);
 munmap_area((void **)&area_remap);
}

int uffd_test_ctx_init(uint64_t features, const char **errmsg)
{
 unsigned long nr, cpu;
 int ret;

 if (uffd_test_case_ops && uffd_test_case_ops->pre_alloc) {
  ret = uffd_test_case_ops->pre_alloc(errmsg);
  if (ret)
   return ret;
 }

 ret = uffd_test_ops->allocate_area((void **)&area_src, true);
 ret |= uffd_test_ops->allocate_area((void **)&area_dst, false);
 if (ret) {
  if (errmsg)
   *errmsg = "memory allocation failed";
  return ret;
 }

 if (uffd_test_case_ops && uffd_test_case_ops->post_alloc) {
  ret = uffd_test_case_ops->post_alloc(errmsg);
  if (ret)
   return ret;
 }

 ret = userfaultfd_open(&features);
 if (ret) {
  if (errmsg)
   *errmsg = "possible lack of privilege";
  return ret;
 }

 count_verify = malloc(nr_pages * sizeof(unsigned long long));
 if (!count_verify)
  err("count_verify");

 for (nr = 0; nr < nr_pages; nr++) {
  *area_mutex(area_src, nr) =
   (pthread_mutex_t)PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
  count_verify[nr] = *area_count(area_src, nr) = 1;
  /*
   * In the transition between 255 to 256, powerpc will
   * read out of order in my_bcmp and see both bytes as
   * zero, so leave a placeholder below always non-zero
   * after the count, to avoid my_bcmp to trigger false
   * positives.
 */
  *(area_count(area_src, nr) + 1) = 1;
 }

 /*
  * After initialization of area_src, we must explicitly release pages
  * for area_dst to make sure it's fully empty.  Otherwise we could have
  * some area_dst pages be erroneously initialized with zero pages,
  * hence we could hit memory corruption later in the test.
  *
  * One example is when THP is globally enabled, above allocate_area()
  * calls could have the two areas merged into a single VMA (as they
  * will have the same VMA flags so they're mergeable).  When we
  * initialize the area_src above, it's possible that some part of
  * area_dst could have been faulted in via one huge THP that will be
  * shared between area_src and area_dst.  It could cause some of the
  * area_dst won't be trapped by missing userfaults.
  *
  * This release_pages() will guarantee even if that happened, we'll
  * proactively split the thp and drop any accidentally initialized
  * pages within area_dst.
 */
 uffd_test_ops->release_pages(area_dst);

 pipefd = malloc(sizeof(int) * nr_parallel * 2);
 if (!pipefd)
  err("pipefd");
 for (cpu = 0; cpu < nr_parallel; cpu++)
  if (pipe2(&pipefd[cpu * 2], O_CLOEXEC | O_NONBLOCK))
   err("pipe");

 return 0;
}

void wp_range(int ufd, __u64 start, __u64 len, bool wp)
{
 struct uffdio_writeprotect prms;

 /* Write protection page faults */
 prms.range.start = start;
 prms.range.len = len;
 /* Undo write-protect, do wakeup after that */
 prms.mode = wp ? UFFDIO_WRITEPROTECT_MODE_WP : 0;

 if (ioctl(ufd, UFFDIO_WRITEPROTECT, &prms))
  err("clear WP failed: address=0x%"PRIx64, (uint64_t)start);
}

static void continue_range(int ufd, __u64 start, __u64 len, bool wp)
{
 struct uffdio_continue req;
 int ret;

 req.range.start = start;
 req.range.len = len;
 req.mode = 0;
 if (wp)
  req.mode |= UFFDIO_CONTINUE_MODE_WP;

 if (ioctl(ufd, UFFDIO_CONTINUE, &req))
  err("UFFDIO_CONTINUE failed for address 0x%" PRIx64,
      (uint64_t)start);

 /*
  * Error handling within the kernel for continue is subtly different
  * from copy or zeropage, so it may be a source of bugs. Trigger an
  * error (-EEXIST) on purpose, to verify doing so doesn't cause a BUG.
 */
 req.mapped = 0;
 ret = ioctl(ufd, UFFDIO_CONTINUE, &req);
 if (ret >= 0 || req.mapped != -EEXIST)
  err("failed to exercise UFFDIO_CONTINUE error handling, ret=%d, mapped=%" PRId64,
      ret, (int64_t) req.mapped);
}

int uffd_read_msg(int ufd, struct uffd_msg *msg)
{
 int ret = read(uffd, msg, sizeof(*msg));

 if (ret != sizeof(*msg)) {
  if (ret < 0) {
   if (errno == EAGAIN || errno == EINTR)
    return 1;
   err("blocking read error");
  } else {
   err("short read");
  }
 }

 return 0;
}

void uffd_handle_page_fault(struct uffd_msg *msg, struct uffd_args *args)
{
 unsigned long offset;

 if (msg->event != UFFD_EVENT_PAGEFAULT)
  err("unexpected msg event %u", msg->event);

 if (msg->arg.pagefault.flags & UFFD_PAGEFAULT_FLAG_WP) {
  /* Write protect page faults */
  wp_range(uffd, msg->arg.pagefault.address, page_size, false);
  args->wp_faults++;
 } else if (msg->arg.pagefault.flags & UFFD_PAGEFAULT_FLAG_MINOR) {
  uint8_t *area;
  int b;

  /*
   * Minor page faults
   *
   * To prove we can modify the original range for testing
   * purposes, we're going to bit flip this range before
   * continuing.
   *
   * Note that this requires all minor page fault tests operate on
   * area_dst (non-UFFD-registered) and area_dst_alias
   * (UFFD-registered).
 */

  area = (uint8_t *)(area_dst +
       ((char *)msg->arg.pagefault.address -
        area_dst_alias));
  for (b = 0; b < page_size; ++b)
   area[b] = ~area[b];
  continue_range(uffd, msg->arg.pagefault.address, page_size,
          args->apply_wp);
  args->minor_faults++;
 } else {
  /*
   * Missing page faults.
   *
   * Here we force a write check for each of the missing mode
   * faults.  It's guaranteed because the only threads that
   * will trigger uffd faults are the locking threads, and
   * their first instruction to touch the missing page will
   * always be pthread_mutex_lock().
   *
   * Note that here we relied on an NPTL glibc impl detail to
   * always read the lock type at the entry of the lock op
   * (pthread_mutex_t.__data.__type, offset 0x10) before
   * doing any locking operations to guarantee that.  It's
   * actually not good to rely on this impl detail because
   * logically a pthread-compatible lib can implement the
   * locks without types and we can fail when linking with
   * them.  However since we used to find bugs with this
   * strict check we still keep it around.  Hopefully this
   * could be a good hint when it fails again.  If one day
   * it'll break on some other impl of glibc we'll revisit.
 */
  if (msg->arg.pagefault.flags & UFFD_PAGEFAULT_FLAG_WRITE)
   err("unexpected write fault");

  offset = (char *)(unsigned long)msg->arg.pagefault.address - area_dst;
  offset &= ~(page_size-1);

  if (copy_page(uffd, offset, args->apply_wp))
   args->missing_faults++;
 }
}

void *uffd_poll_thread(void *arg)
{
 struct uffd_args *args = (struct uffd_args *)arg;
 unsigned long cpu = args->cpu;
 struct pollfd pollfd[2];
 struct uffd_msg msg;
 struct uffdio_register uffd_reg;
 int ret;
 char tmp_chr;

 if (!args->handle_fault)
  args->handle_fault = uffd_handle_page_fault;

 pollfd[0].fd = uffd;
 pollfd[0].events = POLLIN;
 pollfd[1].fd = pipefd[cpu*2];
 pollfd[1].events = POLLIN;

 ready_for_fork = true;

 for (;;) {
  ret = poll(pollfd, 2, -1);
  if (ret <= 0) {
   if (errno == EINTR || errno == EAGAIN)
    continue;
   err("poll error: %d", ret);
  }
  if (pollfd[1].revents) {
   if (!(pollfd[1].revents & POLLIN))
    err("pollfd[1].revents %d", pollfd[1].revents);
   if (read(pollfd[1].fd, &tmp_chr, 1) != 1)
    err("read pipefd error");
   break;
  }
  if (!(pollfd[0].revents & POLLIN))
   err("pollfd[0].revents %d", pollfd[0].revents);
  if (uffd_read_msg(uffd, &msg))
   continue;
  switch (msg.event) {
  default:
   err("unexpected msg event %u\n", msg.event);
   break;
  case UFFD_EVENT_PAGEFAULT:
   args->handle_fault(&msg, args);
   break;
  case UFFD_EVENT_FORK:
   close(uffd);
   uffd = msg.arg.fork.ufd;
   pollfd[0].fd = uffd;
   break;
  case UFFD_EVENT_REMOVE:
   uffd_reg.range.start = msg.arg.remove.start;
   uffd_reg.range.len = msg.arg.remove.end -
    msg.arg.remove.start;
   if (ioctl(uffd, UFFDIO_UNREGISTER, &uffd_reg.range))
    err("remove failure");
   break;
  case UFFD_EVENT_REMAP:
   area_remap = area_dst;  /* save for later unmap */
   area_dst = (char *)(unsigned long)msg.arg.remap.to;
   break;
  }
 }

 return NULL;
}

static void retry_copy_page(int ufd, struct uffdio_copy *uffdio_copy,
       unsigned long offset)
{
 uffd_test_ops->alias_mapping(&uffdio_copy->dst,
         uffdio_copy->len,
         offset);
 if (ioctl(ufd, UFFDIO_COPY, uffdio_copy)) {
  /* real retval in ufdio_copy.copy */
  if (uffdio_copy->copy != -EEXIST)
   err("UFFDIO_COPY retry error: %"PRId64,
       (int64_t)uffdio_copy->copy);
 } else {
  err("UFFDIO_COPY retry unexpected: %"PRId64,
      (int64_t)uffdio_copy->copy);
 }
}

static void wake_range(int ufd, unsigned long addr, unsigned long len)
{
 struct uffdio_range uffdio_wake;

 uffdio_wake.start = addr;
 uffdio_wake.len = len;

 if (ioctl(ufd, UFFDIO_WAKE, &uffdio_wake))
  fprintf(stderr, "error waking %lu\n",
   addr), exit(1);
}

int __copy_page(int ufd, unsigned long offset, bool retry, bool wp)
{
 struct uffdio_copy uffdio_copy;

 if (offset >= nr_pages * page_size)
  err("unexpected offset %lu\n", offset);
 uffdio_copy.dst = (unsigned long) area_dst + offset;
 uffdio_copy.src = (unsigned long) area_src + offset;
 uffdio_copy.len = page_size;
 if (wp)
  uffdio_copy.mode = UFFDIO_COPY_MODE_WP;
 else
  uffdio_copy.mode = 0;
 uffdio_copy.copy = 0;
 if (ioctl(ufd, UFFDIO_COPY, &uffdio_copy)) {
  /* real retval in ufdio_copy.copy */
  if (uffdio_copy.copy != -EEXIST)
   err("UFFDIO_COPY error: %"PRId64,
       (int64_t)uffdio_copy.copy);
  wake_range(ufd, uffdio_copy.dst, page_size);
 } else if (uffdio_copy.copy != page_size) {
  err("UFFDIO_COPY error: %"PRId64, (int64_t)uffdio_copy.copy);
 } else {
  if (test_uffdio_copy_eexist && retry) {
   test_uffdio_copy_eexist = false;
   retry_copy_page(ufd, &uffdio_copy, offset);
  }
  return 1;
 }
 return 0;
}

int copy_page(int ufd, unsigned long offset, bool wp)
{
 return __copy_page(ufd, offset, false, wp);
}

int move_page(int ufd, unsigned long offset, unsigned long len)
{
 struct uffdio_move uffdio_move;

 if (offset + len > nr_pages * page_size)
  err("unexpected offset %lu and length %lu\n", offset, len);
 uffdio_move.dst = (unsigned long) area_dst + offset;
 uffdio_move.src = (unsigned long) area_src + offset;
 uffdio_move.len = len;
 uffdio_move.mode = UFFDIO_MOVE_MODE_ALLOW_SRC_HOLES;
 uffdio_move.move = 0;
 if (ioctl(ufd, UFFDIO_MOVE, &uffdio_move)) {
  /* real retval in uffdio_move.move */
  if (uffdio_move.move != -EEXIST)
   err("UFFDIO_MOVE error: %"PRId64,
       (int64_t)uffdio_move.move);
  wake_range(ufd, uffdio_move.dst, len);
 } else if (uffdio_move.move != len) {
  err("UFFDIO_MOVE error: %"PRId64, (int64_t)uffdio_move.move);
 } else
  return 1;
 return 0;
}

int uffd_open_dev(unsigned int flags)
{
 int fd, uffd;

 fd = open("/dev/userfaultfd", O_RDWR | O_CLOEXEC);
 if (fd < 0)
  return fd;
 uffd = ioctl(fd, USERFAULTFD_IOC_NEW, flags);
 close(fd);

 return uffd;
}

int uffd_open_sys(unsigned int flags)
{
#ifdef __NR_userfaultfd
 return syscall(__NR_userfaultfd, flags);
#else
 return -1;
#endif
}

int uffd_open(unsigned int flags)
{
 int uffd = uffd_open_sys(flags);

 if (uffd < 0)
  uffd = uffd_open_dev(flags);

 return uffd;
}

int uffd_get_features(uint64_t *features)
{
 struct uffdio_api uffdio_api = { .api = UFFD_API, .features = 0 };
 /*
  * This should by default work in most kernels; the feature list
  * will be the same no matter what we pass in here.
 */
 int fd = uffd_open(UFFD_USER_MODE_ONLY);

 if (fd < 0)
  /* Maybe the kernel is older than user-only mode? */
  fd = uffd_open(0);

 if (fd < 0)
  return fd;

 if (ioctl(fd, UFFDIO_API, &uffdio_api)) {
  close(fd);
  return -errno;
 }

 *features = uffdio_api.features;
 close(fd);

 return 0;
}