Quelle  kmmio.c   Sprache: C

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
/* Support for MMIO probes.
 * Benefit many code from kprobes
 * (C) 2002 Louis Zhuang <louis.zhuang@intel.com>.
 *     2007 Alexander Eichner
 *     2008 Pekka Paalanen <pq@iki.fi>
 */

#define pr_fmt(fmt) KBUILD_MODNAME ": " fmt

#include <linux/list.h>
#include <linux/rculist.h>
#include <linux/spinlock.h>
#include <linux/hash.h>
#include <linux/export.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/ptrace.h>
#include <linux/preempt.h>
#include <linux/percpu.h>
#include <linux/kdebug.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/slab.h>
#include <asm/cacheflush.h>
#include <asm/tlbflush.h>
#include <linux/errno.h>
#include <asm/debugreg.h>
#include <linux/mmiotrace.h>

#define KMMIO_PAGE_HASH_BITS 4
#define KMMIO_PAGE_TABLE_SIZE (1 << KMMIO_PAGE_HASH_BITS)

struct kmmio_fault_page {
 struct list_head list;
 struct kmmio_fault_page *release_next;
 unsigned long addr; /* the requested address */
 pteval_t old_presence; /* page presence prior to arming */
 bool armed;

 /*
 * Number of times this page has been registered as a part
 * of a probe. If zero, page is disarmed and this may be freed.
 * Used only by writers (RCU) and post_kmmio_handler().
 * Protected by kmmio_lock, when linked into kmmio_page_table.
 */
 int count;

 bool scheduled_for_release;
};

struct kmmio_delayed_release {
 struct rcu_head rcu;
 struct kmmio_fault_page *release_list;
};

struct kmmio_context {
 struct kmmio_fault_page *fpage;
 struct kmmio_probe *probe;
 unsigned long saved_flags;
 unsigned long addr;
 int active;
};

/*
 * The kmmio_lock is taken in int3 context, which is treated as NMI context.
 * This causes lockdep to complain about it bein in both NMI and normal
 * context. Hide it from lockdep, as it should not have any other locks
 * taken under it, and this is only enabled for debugging mmio anyway.
 */
static arch_spinlock_t kmmio_lock = __ARCH_SPIN_LOCK_UNLOCKED;

/* Protected by kmmio_lock */
unsigned int kmmio_count;

/* Read-protected by RCU, write-protected by kmmio_lock. */
static struct list_head kmmio_page_table[KMMIO_PAGE_TABLE_SIZE];
static LIST_HEAD(kmmio_probes);

static struct list_head *kmmio_page_list(unsigned long addr)
{
 unsigned int l;
 pte_t *pte = lookup_address(addr, &l);

 if (!pte)
  return NULL;
 addr &= page_level_mask(l);

 return &kmmio_page_table[hash_long(addr, KMMIO_PAGE_HASH_BITS)];
}

/* Accessed per-cpu */
static DEFINE_PER_CPU(struct kmmio_context, kmmio_ctx);

/*
 * this is basically a dynamic stabbing problem:
 * Could use the existing prio tree code or
 * Possible better implementations:
 * The Interval Skip List: A Data Structure for Finding All Intervals That
 * Overlap a Point (might be simple)
 * Space Efficient Dynamic Stabbing with Fast Queries - Mikkel Thorup
 */
/* Get the kmmio at this addr (if any). You must be holding RCU read lock. */
static struct kmmio_probe *get_kmmio_probe(unsigned long addr)
{
 struct kmmio_probe *p;
 list_for_each_entry_rcu(p, &kmmio_probes, list) {
  if (addr >= p->addr && addr < (p->addr + p->len))
   return p;
 }
 return NULL;
}

/* You must be holding RCU read lock. */
static struct kmmio_fault_page *get_kmmio_fault_page(unsigned long addr)
{
 struct list_head *head;
 struct kmmio_fault_page *f;
 unsigned int l;
 pte_t *pte = lookup_address(addr, &l);

 if (!pte)
  return NULL;
 addr &= page_level_mask(l);
 head = kmmio_page_list(addr);
 list_for_each_entry_rcu(f, head, list) {
  if (f->addr == addr)
   return f;
 }
 return NULL;
}

static void clear_pmd_presence(pmd_t *pmd, bool clear, pmdval_t *old)
{
 pmd_t new_pmd;
 pmdval_t v = pmd_val(*pmd);
 if (clear) {
  *old = v;
  new_pmd = pmd_mkinvalid(*pmd);
 } else {
  /* Presume this has been called with clear==true previously */
  new_pmd = __pmd(*old);
 }
 set_pmd(pmd, new_pmd);
}

static void clear_pte_presence(pte_t *pte, bool clear, pteval_t *old)
{
 pteval_t v = pte_val(*pte);
 if (clear) {
  *old = v;
  /* Nothing should care about address */
  pte_clear(&init_mm, 0, pte);
 } else {
  /* Presume this has been called with clear==true previously */
  set_pte_atomic(pte, __pte(*old));
 }
}

static int clear_page_presence(struct kmmio_fault_page *f, bool clear)
{
 unsigned int level;
 pte_t *pte = lookup_address(f->addr, &level);

 if (!pte) {
  pr_err("no pte for addr 0x%08lx\n", f->addr);
  return -1;
 }

 switch (level) {
 case PG_LEVEL_2M:
  clear_pmd_presence((pmd_t *)pte, clear, &f->old_presence);
  break;
 case PG_LEVEL_4K:
  clear_pte_presence(pte, clear, &f->old_presence);
  break;
 default:
  pr_err("unexpected page level 0x%x.\n", level);
  return -1;
 }

 flush_tlb_one_kernel(f->addr);
 return 0;
}

/*
 * Mark the given page as not present. Access to it will trigger a fault.
 *
 * Struct kmmio_fault_page is protected by RCU and kmmio_lock, but the
 * protection is ignored here. RCU read lock is assumed held, so the struct
 * will not disappear unexpectedly. Furthermore, the caller must guarantee,
 * that double arming the same virtual address (page) cannot occur.
 *
 * Double disarming on the other hand is allowed, and may occur when a fault
 * and mmiotrace shutdown happen simultaneously.
 */
static int arm_kmmio_fault_page(struct kmmio_fault_page *f)
{
 int ret;
 WARN_ONCE(f->armed, KERN_ERR pr_fmt("kmmio page already armed.\n"));
 if (f->armed) {
  pr_warn("double-arm: addr 0x%08lx, ref %d, old %d\n",
   f->addr, f->count, !!f->old_presence);
 }
 ret = clear_page_presence(f, true);
 WARN_ONCE(ret < 0, KERN_ERR pr_fmt("arming at 0x%08lx failed.\n"),
    f->addr);
 f->armed = true;
 return ret;
}

/** Restore the given page to saved presence state. */
static void disarm_kmmio_fault_page(struct kmmio_fault_page *f)
{
 int ret = clear_page_presence(f, false);
 WARN_ONCE(ret < 0,
   KERN_ERR "kmmio disarming at 0x%08lx failed.\n", f->addr);
 f->armed = false;
}

/*
 * This is being called from do_page_fault().
 *
 * We may be in an interrupt or a critical section. Also prefecthing may
 * trigger a page fault. We may be in the middle of process switch.
 * We cannot take any locks, because we could be executing especially
 * within a kmmio critical section.
 *
 * Local interrupts are disabled, so preemption cannot happen.
 * Do not enable interrupts, do not sleep, and watch out for other CPUs.
 */
/*
 * Interrupts are disabled on entry as trap3 is an interrupt gate
 * and they remain disabled throughout this function.
 */
int kmmio_handler(struct pt_regs *regs, unsigned long addr)
{
 struct kmmio_context *ctx;
 struct kmmio_fault_page *faultpage;
 int ret = 0; /* default to fault not handled */
 unsigned long page_base = addr;
 unsigned int l;
 pte_t *pte = lookup_address(addr, &l);
 if (!pte)
  return -EINVAL;
 page_base &= page_level_mask(l);

 /*
 * Hold the RCU read lock over single stepping to avoid looking
 * up the probe and kmmio_fault_page again. The rcu_read_lock_sched()
 * also disables preemption and prevents process switch during
 * the single stepping. We can only handle one active kmmio trace
 * per cpu, so ensure that we finish it before something else
 * gets to run.
 */
 rcu_read_lock_sched_notrace();

 faultpage = get_kmmio_fault_page(page_base);
 if (!faultpage) {
  /*
 * Either this page fault is not caused by kmmio, or
 * another CPU just pulled the kmmio probe from under
 * our feet. The latter case should not be possible.
 */
  goto no_kmmio;
 }

 ctx = this_cpu_ptr(&kmmio_ctx);
 if (ctx->active) {
  if (page_base == ctx->addr) {
   /*
 * A second fault on the same page means some other
 * condition needs handling by do_page_fault(), the
 * page really not being present is the most common.
 */
   pr_debug("secondary hit for 0x%08lx CPU %d.\n",
     addr, smp_processor_id());

   if (!faultpage->old_presence)
    pr_info("unexpected secondary hit for address 0x%08lx on CPU %d.\n",
     addr, smp_processor_id());
  } else {
   /*
 * Prevent overwriting already in-flight context.
 * This should not happen, let's hope disarming at
 * least prevents a panic.
 */
   pr_emerg("recursive probe hit on CPU %d, for address 0x%08lx. Ignoring.\n",
     smp_processor_id(), addr);
   pr_emerg("previous hit was at 0x%08lx.\n", ctx->addr);
   disarm_kmmio_fault_page(faultpage);
  }
  goto no_kmmio;
 }
 ctx->active++;

 ctx->fpage = faultpage;
 ctx->probe = get_kmmio_probe(page_base);
 ctx->saved_flags = (regs->flags & (X86_EFLAGS_TF | X86_EFLAGS_IF));
 ctx->addr = page_base;

 if (ctx->probe && ctx->probe->pre_handler)
  ctx->probe->pre_handler(ctx->probe, regs, addr);

 /*
 * Enable single-stepping and disable interrupts for the faulting
 * context. Local interrupts must not get enabled during stepping.
 */
 regs->flags |= X86_EFLAGS_TF;
 regs->flags &= ~X86_EFLAGS_IF;

 /* Now we set present bit in PTE and single step. */
 disarm_kmmio_fault_page(ctx->fpage);

 /*
 * If another cpu accesses the same page while we are stepping,
 * the access will not be caught. It will simply succeed and the
 * only downside is we lose the event. If this becomes a problem,
 * the user should drop to single cpu before tracing.
 */

 return 1; /* fault handled */

no_kmmio:
 rcu_read_unlock_sched_notrace();
 return ret;
}

/*
 * Interrupts are disabled on entry as trap1 is an interrupt gate
 * and they remain disabled throughout this function.
 * This must always get called as the pair to kmmio_handler().
 */
static int post_kmmio_handler(unsigned long condition, struct pt_regs *regs)
{
 int ret = 0;
 struct kmmio_context *ctx = this_cpu_ptr(&kmmio_ctx);

 if (!ctx->active) {
  /*
 * debug traps without an active context are due to either
 * something external causing them (f.e. using a debugger while
 * mmio tracing enabled), or erroneous behaviour
 */
  pr_warn("unexpected debug trap on CPU %d.\n", smp_processor_id());
  goto out;
 }

 if (ctx->probe && ctx->probe->post_handler)
  ctx->probe->post_handler(ctx->probe, condition, regs);

 /* Prevent racing against release_kmmio_fault_page(). */
 arch_spin_lock(&kmmio_lock);
 if (ctx->fpage->count)
  arm_kmmio_fault_page(ctx->fpage);
 arch_spin_unlock(&kmmio_lock);

 regs->flags &= ~X86_EFLAGS_TF;
 regs->flags |= ctx->saved_flags;

 /* These were acquired in kmmio_handler(). */
 ctx->active--;
 BUG_ON(ctx->active);
 rcu_read_unlock_sched_notrace();

 /*
 * if somebody else is singlestepping across a probe point, flags
 * will have TF set, in which case, continue the remaining processing
 * of do_debug, as if this is not a probe hit.
 */
 if (!(regs->flags & X86_EFLAGS_TF))
  ret = 1;
out:
 return ret;
}

/* You must be holding kmmio_lock. */
static int add_kmmio_fault_page(unsigned long addr)
{
 struct kmmio_fault_page *f;

 f = get_kmmio_fault_page(addr);
 if (f) {
  if (!f->count)
   arm_kmmio_fault_page(f);
  f->count++;
  return 0;
 }

 f = kzalloc(sizeof(*f), GFP_ATOMIC);
 if (!f)
  return -1;

 f->count = 1;
 f->addr = addr;

 if (arm_kmmio_fault_page(f)) {
  kfree(f);
  return -1;
 }

 list_add_rcu(&f->list, kmmio_page_list(f->addr));

 return 0;
}

/* You must be holding kmmio_lock. */
static void release_kmmio_fault_page(unsigned long addr,
    struct kmmio_fault_page **release_list)
{
 struct kmmio_fault_page *f;

 f = get_kmmio_fault_page(addr);
 if (!f)
  return;

 f->count--;
 BUG_ON(f->count < 0);
 if (!f->count) {
  disarm_kmmio_fault_page(f);
  if (!f->scheduled_for_release) {
   f->release_next = *release_list;
   *release_list = f;
   f->scheduled_for_release = true;
  }
 }
}

/*
 * With page-unaligned ioremaps, one or two armed pages may contain
 * addresses from outside the intended mapping. Events for these addresses
 * are currently silently dropped. The events may result only from programming
 * mistakes by accessing addresses before the beginning or past the end of a
 * mapping.
 */
int register_kmmio_probe(struct kmmio_probe *p)
{
 unsigned long flags;
 int ret = 0;
 unsigned long size = 0;
 unsigned long addr = p->addr & PAGE_MASK;
 const unsigned long size_lim = p->len + (p->addr & ~PAGE_MASK);
 unsigned int l;
 pte_t *pte;

 local_irq_save(flags);
 arch_spin_lock(&kmmio_lock);
 if (get_kmmio_probe(addr)) {
  ret = -EEXIST;
  goto out;
 }

 pte = lookup_address(addr, &l);
 if (!pte) {
  ret = -EINVAL;
  goto out;
 }

 kmmio_count++;
 list_add_rcu(&p->list, &kmmio_probes);
 while (size < size_lim) {
  if (add_kmmio_fault_page(addr + size))
   pr_err("Unable to set page fault.\n");
  size += page_level_size(l);
 }
out:
 arch_spin_unlock(&kmmio_lock);
 local_irq_restore(flags);

 /*
 * XXX: What should I do here?
 * Here was a call to global_flush_tlb(), but it does not exist
 * anymore. It seems it's not needed after all.
 */
 return ret;
}
EXPORT_SYMBOL(register_kmmio_probe);

static void rcu_free_kmmio_fault_pages(struct rcu_head *head)
{
 struct kmmio_delayed_release *dr = container_of(
      head,
      struct kmmio_delayed_release,
      rcu);
 struct kmmio_fault_page *f = dr->release_list;
 while (f) {
  struct kmmio_fault_page *next = f->release_next;
  BUG_ON(f->count);
  kfree(f);
  f = next;
 }
 kfree(dr);
}

static void remove_kmmio_fault_pages(struct rcu_head *head)
{
 struct kmmio_delayed_release *dr =
  container_of(head, struct kmmio_delayed_release, rcu);
 struct kmmio_fault_page *f = dr->release_list;
 struct kmmio_fault_page **prevp = &dr->release_list;
 unsigned long flags;

 local_irq_save(flags);
 arch_spin_lock(&kmmio_lock);
 while (f) {
  if (!f->count) {
   list_del_rcu(&f->list);
   prevp = &f->release_next;
  } else {
   *prevp = f->release_next;
   f->release_next = NULL;
   f->scheduled_for_release = false;
  }
  f = *prevp;
 }
 arch_spin_unlock(&kmmio_lock);
 local_irq_restore(flags);

 /* This is the real RCU destroy call. */
 call_rcu(&dr->rcu, rcu_free_kmmio_fault_pages);
}

/*
 * Remove a kmmio probe. You have to synchronize_rcu() before you can be
 * sure that the callbacks will not be called anymore. Only after that
 * you may actually release your struct kmmio_probe.
 *
 * Unregistering a kmmio fault page has three steps:
 * 1. release_kmmio_fault_page()
 *    Disarm the page, wait a grace period to let all faults finish.
 * 2. remove_kmmio_fault_pages()
 *    Remove the pages from kmmio_page_table.
 * 3. rcu_free_kmmio_fault_pages()
 *    Actually free the kmmio_fault_page structs as with RCU.
 */
void unregister_kmmio_probe(struct kmmio_probe *p)
{
 unsigned long flags;
 unsigned long size = 0;
 unsigned long addr = p->addr & PAGE_MASK;
 const unsigned long size_lim = p->len + (p->addr & ~PAGE_MASK);
 struct kmmio_fault_page *release_list = NULL;
 struct kmmio_delayed_release *drelease;
 unsigned int l;
 pte_t *pte;

 pte = lookup_address(addr, &l);
 if (!pte)
  return;

 local_irq_save(flags);
 arch_spin_lock(&kmmio_lock);
 while (size < size_lim) {
  release_kmmio_fault_page(addr + size, &release_list);
  size += page_level_size(l);
 }
 list_del_rcu(&p->list);
 kmmio_count--;
 arch_spin_unlock(&kmmio_lock);
 local_irq_restore(flags);

 if (!release_list)
  return;

 drelease = kmalloc(sizeof(*drelease), GFP_ATOMIC);
 if (!drelease) {
  pr_crit("leaking kmmio_fault_page objects.\n");
  return;
 }
 drelease->release_list = release_list;

 /*
 * This is not really RCU here. We have just disarmed a set of
 * pages so that they cannot trigger page faults anymore. However,
 * we cannot remove the pages from kmmio_page_table,
 * because a probe hit might be in flight on another CPU. The
 * pages are collected into a list, and they will be removed from
 * kmmio_page_table when it is certain that no probe hit related to
 * these pages can be in flight. RCU grace period sounds like a
 * good choice.
 *
 * If we removed the pages too early, kmmio page fault handler might
 * not find the respective kmmio_fault_page and determine it's not
 * a kmmio fault, when it actually is. This would lead to madness.
 */
 call_rcu(&drelease->rcu, remove_kmmio_fault_pages);
}
EXPORT_SYMBOL(unregister_kmmio_probe);

static int
kmmio_die_notifier(struct notifier_block *nb, unsigned long val, void *args)
{
 struct die_args *arg = args;
 unsigned long* dr6_p = (unsigned long *)ERR_PTR(arg->err);

 if (val == DIE_DEBUG && (*dr6_p & DR_STEP))
  if (post_kmmio_handler(*dr6_p, arg->regs) == 1) {
   /*
 * Reset the BS bit in dr6 (pointed by args->err) to
 * denote completion of processing
 */
   *dr6_p &= ~DR_STEP;
   return NOTIFY_STOP;
  }

 return NOTIFY_DONE;
}

static struct notifier_block nb_die = {
 .notifier_call = kmmio_die_notifier
};

int kmmio_init(void)
{
 int i;

 for (i = 0; i < KMMIO_PAGE_TABLE_SIZE; i++)
  INIT_LIST_HEAD(&kmmio_page_table[i]);

 return register_die_notifier(&nb_die);
}

void kmmio_cleanup(void)
{
 int i;

 unregister_die_notifier(&nb_die);
 for (i = 0; i < KMMIO_PAGE_TABLE_SIZE; i++) {
  WARN_ONCE(!list_empty(&kmmio_page_table[i]),
   KERN_ERR "kmmio_page_table not empty at cleanup, any further tracing will leak memory.\n");
 }
}