Linux 6.9-rc1
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / admin-guide / mm / userfaultfd.rst
1 ===========
2 Userfaultfd
3 ===========
4
5 Objective
6 =========
7
8 Userfaults allow the implementation of on-demand paging from userland
9 and more generally they allow userland to take control of various
10 memory page faults, something otherwise only the kernel code could do.
11
12 For example userfaults allows a proper and more optimal implementation
13 of the ``PROT_NONE+SIGSEGV`` trick.
14
15 Design
16 ======
17
18 Userspace creates a new userfaultfd, initializes it, and registers one or more
19 regions of virtual memory with it. Then, any page faults which occur within the
20 region(s) result in a message being delivered to the userfaultfd, notifying
21 userspace of the fault.
22
23 The ``userfaultfd`` (aside from registering and unregistering virtual
24 memory ranges) provides two primary functionalities:
25
26 1) ``read/POLLIN`` protocol to notify a userland thread of the faults
27    happening
28
29 2) various ``UFFDIO_*`` ioctls that can manage the virtual memory regions
30    registered in the ``userfaultfd`` that allows userland to efficiently
31    resolve the userfaults it receives via 1) or to manage the virtual
32    memory in the background
33
34 The real advantage of userfaults if compared to regular virtual memory
35 management of mremap/mprotect is that the userfaults in all their
36 operations never involve heavyweight structures like vmas (in fact the
37 ``userfaultfd`` runtime load never takes the mmap_lock for writing).
38 Vmas are not suitable for page- (or hugepage) granular fault tracking
39 when dealing with virtual address spaces that could span
40 Terabytes. Too many vmas would be needed for that.
41
42 The ``userfaultfd``, once created, can also be
43 passed using unix domain sockets to a manager process, so the same
44 manager process could handle the userfaults of a multitude of
45 different processes without them being aware about what is going on
46 (well of course unless they later try to use the ``userfaultfd``
47 themselves on the same region the manager is already tracking, which
48 is a corner case that would currently return ``-EBUSY``).
49
50 API
51 ===
52
53 Creating a userfaultfd
54 ----------------------
55
56 There are two ways to create a new userfaultfd, each of which provide ways to
57 restrict access to this functionality (since historically userfaultfds which
58 handle kernel page faults have been a useful tool for exploiting the kernel).
59
60 The first way, supported since userfaultfd was introduced, is the
61 userfaultfd(2) syscall. Access to this is controlled in several ways:
62
63 - Any user can always create a userfaultfd which traps userspace page faults
64   only. Such a userfaultfd can be created using the userfaultfd(2) syscall
65   with the flag UFFD_USER_MODE_ONLY.
66
67 - In order to also trap kernel page faults for the address space, either the
68   process needs the CAP_SYS_PTRACE capability, or the system must have
69   vm.unprivileged_userfaultfd set to 1. By default, vm.unprivileged_userfaultfd
70   is set to 0.
71
72 The second way, added to the kernel more recently, is by opening
73 /dev/userfaultfd and issuing a USERFAULTFD_IOC_NEW ioctl to it. This method
74 yields equivalent userfaultfds to the userfaultfd(2) syscall.
75
76 Unlike userfaultfd(2), access to /dev/userfaultfd is controlled via normal
77 filesystem permissions (user/group/mode), which gives fine grained access to
78 userfaultfd specifically, without also granting other unrelated privileges at
79 the same time (as e.g. granting CAP_SYS_PTRACE would do). Users who have access
80 to /dev/userfaultfd can always create userfaultfds that trap kernel page faults;
81 vm.unprivileged_userfaultfd is not considered.
82
83 Initializing a userfaultfd
84 --------------------------
85
86 When first opened the ``userfaultfd`` must be enabled invoking the
87 ``UFFDIO_API`` ioctl specifying a ``uffdio_api.api`` value set to ``UFFD_API`` (or
88 a later API version) which will specify the ``read/POLLIN`` protocol
89 userland intends to speak on the ``UFFD`` and the ``uffdio_api.features``
90 userland requires. The ``UFFDIO_API`` ioctl if successful (i.e. if the
91 requested ``uffdio_api.api`` is spoken also by the running kernel and the
92 requested features are going to be enabled) will return into
93 ``uffdio_api.features`` and ``uffdio_api.ioctls`` two 64bit bitmasks of
94 respectively all the available features of the read(2) protocol and
95 the generic ioctl available.
96
97 The ``uffdio_api.features`` bitmask returned by the ``UFFDIO_API`` ioctl
98 defines what memory types are supported by the ``userfaultfd`` and what
99 events, except page fault notifications, may be generated:
100
101 - The ``UFFD_FEATURE_EVENT_*`` flags indicate that various other events
102   other than page faults are supported. These events are described in more
103   detail below in the `Non-cooperative userfaultfd`_ section.
104
105 - ``UFFD_FEATURE_MISSING_HUGETLBFS`` and ``UFFD_FEATURE_MISSING_SHMEM``
106   indicate that the kernel supports ``UFFDIO_REGISTER_MODE_MISSING``
107   registrations for hugetlbfs and shared memory (covering all shmem APIs,
108   i.e. tmpfs, ``IPCSHM``, ``/dev/zero``, ``MAP_SHARED``, ``memfd_create``,
109   etc) virtual memory areas, respectively.
110
111 - ``UFFD_FEATURE_MINOR_HUGETLBFS`` indicates that the kernel supports
112   ``UFFDIO_REGISTER_MODE_MINOR`` registration for hugetlbfs virtual memory
113   areas. ``UFFD_FEATURE_MINOR_SHMEM`` is the analogous feature indicating
114   support for shmem virtual memory areas.
115
116 - ``UFFD_FEATURE_MOVE`` indicates that the kernel supports moving an
117   existing page contents from userspace.
118
119 The userland application should set the feature flags it intends to use
120 when invoking the ``UFFDIO_API`` ioctl, to request that those features be
121 enabled if supported.
122
123 Once the ``userfaultfd`` API has been enabled the ``UFFDIO_REGISTER``
124 ioctl should be invoked (if present in the returned ``uffdio_api.ioctls``
125 bitmask) to register a memory range in the ``userfaultfd`` by setting the
126 uffdio_register structure accordingly. The ``uffdio_register.mode``
127 bitmask will specify to the kernel which kind of faults to track for
128 the range. The ``UFFDIO_REGISTER`` ioctl will return the
129 ``uffdio_register.ioctls`` bitmask of ioctls that are suitable to resolve
130 userfaults on the range registered. Not all ioctls will necessarily be
131 supported for all memory types (e.g. anonymous memory vs. shmem vs.
132 hugetlbfs), or all types of intercepted faults.
133
134 Userland can use the ``uffdio_register.ioctls`` to manage the virtual
135 address space in the background (to add or potentially also remove
136 memory from the ``userfaultfd`` registered range). This means a userfault
137 could be triggering just before userland maps in the background the
138 user-faulted page.
139
140 Resolving Userfaults
141 --------------------
142
143 There are three basic ways to resolve userfaults:
144
145 - ``UFFDIO_COPY`` atomically copies some existing page contents from
146   userspace.
147
148 - ``UFFDIO_ZEROPAGE`` atomically zeros the new page.
149
150 - ``UFFDIO_CONTINUE`` maps an existing, previously-populated page.
151
152 These operations are atomic in the sense that they guarantee nothing can
153 see a half-populated page, since readers will keep userfaulting until the
154 operation has finished.
155
156 By default, these wake up userfaults blocked on the range in question.
157 They support a ``UFFDIO_*_MODE_DONTWAKE`` ``mode`` flag, which indicates
158 that waking will be done separately at some later time.
159
160 Which ioctl to choose depends on the kind of page fault, and what we'd
161 like to do to resolve it:
162
163 - For ``UFFDIO_REGISTER_MODE_MISSING`` faults, the fault needs to be
164   resolved by either providing a new page (``UFFDIO_COPY``), or mapping
165   the zero page (``UFFDIO_ZEROPAGE``). By default, the kernel would map
166   the zero page for a missing fault. With userfaultfd, userspace can
167   decide what content to provide before the faulting thread continues.
168
169 - For ``UFFDIO_REGISTER_MODE_MINOR`` faults, there is an existing page (in
170   the page cache). Userspace has the option of modifying the page's
171   contents before resolving the fault. Once the contents are correct
172   (modified or not), userspace asks the kernel to map the page and let the
173   faulting thread continue with ``UFFDIO_CONTINUE``.
174
175 Notes:
176
177 - You can tell which kind of fault occurred by examining
178   ``pagefault.flags`` within the ``uffd_msg``, checking for the
179   ``UFFD_PAGEFAULT_FLAG_*`` flags.
180
181 - None of the page-delivering ioctls default to the range that you
182   registered with.  You must fill in all fields for the appropriate
183   ioctl struct including the range.
184
185 - You get the address of the access that triggered the missing page
186   event out of a struct uffd_msg that you read in the thread from the
187   uffd.  You can supply as many pages as you want with these IOCTLs.
188   Keep in mind that unless you used DONTWAKE then the first of any of
189   those IOCTLs wakes up the faulting thread.
190
191 - Be sure to test for all errors including
192   (``pollfd[0].revents & POLLERR``).  This can happen, e.g. when ranges
193   supplied were incorrect.
194
195 Write Protect Notifications
196 ---------------------------
197
198 This is equivalent to (but faster than) using mprotect and a SIGSEGV
199 signal handler.
200
201 Firstly you need to register a range with ``UFFDIO_REGISTER_MODE_WP``.
202 Instead of using mprotect(2) you use
203 ``ioctl(uffd, UFFDIO_WRITEPROTECT, struct *uffdio_writeprotect)``
204 while ``mode = UFFDIO_WRITEPROTECT_MODE_WP``
205 in the struct passed in.  The range does not default to and does not
206 have to be identical to the range you registered with.  You can write
207 protect as many ranges as you like (inside the registered range).
208 Then, in the thread reading from uffd the struct will have
209 ``msg.arg.pagefault.flags & UFFD_PAGEFAULT_FLAG_WP`` set. Now you send
210 ``ioctl(uffd, UFFDIO_WRITEPROTECT, struct *uffdio_writeprotect)``
211 again while ``pagefault.mode`` does not have ``UFFDIO_WRITEPROTECT_MODE_WP``
212 set. This wakes up the thread which will continue to run with writes. This
213 allows you to do the bookkeeping about the write in the uffd reading
214 thread before the ioctl.
215
216 If you registered with both ``UFFDIO_REGISTER_MODE_MISSING`` and
217 ``UFFDIO_REGISTER_MODE_WP`` then you need to think about the sequence in
218 which you supply a page and undo write protect.  Note that there is a
219 difference between writes into a WP area and into a !WP area.  The
220 former will have ``UFFD_PAGEFAULT_FLAG_WP`` set, the latter
221 ``UFFD_PAGEFAULT_FLAG_WRITE``.  The latter did not fail on protection but
222 you still need to supply a page when ``UFFDIO_REGISTER_MODE_MISSING`` was
223 used.
224
225 Userfaultfd write-protect mode currently behave differently on none ptes
226 (when e.g. page is missing) over different types of memories.
227
228 For anonymous memory, ``ioctl(UFFDIO_WRITEPROTECT)`` will ignore none ptes
229 (e.g. when pages are missing and not populated).  For file-backed memories
230 like shmem and hugetlbfs, none ptes will be write protected just like a
231 present pte.  In other words, there will be a userfaultfd write fault
232 message generated when writing to a missing page on file typed memories,
233 as long as the page range was write-protected before.  Such a message will
234 not be generated on anonymous memories by default.
235
236 If the application wants to be able to write protect none ptes on anonymous
237 memory, one can pre-populate the memory with e.g. MADV_POPULATE_READ.  On
238 newer kernels, one can also detect the feature UFFD_FEATURE_WP_UNPOPULATED
239 and set the feature bit in advance to make sure none ptes will also be
240 write protected even upon anonymous memory.
241
242 When using ``UFFDIO_REGISTER_MODE_WP`` in combination with either
243 ``UFFDIO_REGISTER_MODE_MISSING`` or ``UFFDIO_REGISTER_MODE_MINOR``, when
244 resolving missing / minor faults with ``UFFDIO_COPY`` or ``UFFDIO_CONTINUE``
245 respectively, it may be desirable for the new page / mapping to be
246 write-protected (so future writes will also result in a WP fault). These ioctls
247 support a mode flag (``UFFDIO_COPY_MODE_WP`` or ``UFFDIO_CONTINUE_MODE_WP``
248 respectively) to configure the mapping this way.
249
250 If the userfaultfd context has ``UFFD_FEATURE_WP_ASYNC`` feature bit set,
251 any vma registered with write-protection will work in async mode rather
252 than the default sync mode.
253
254 In async mode, there will be no message generated when a write operation
255 happens, meanwhile the write-protection will be resolved automatically by
256 the kernel.  It can be seen as a more accurate version of soft-dirty
257 tracking and it can be different in a few ways:
258
259   - The dirty result will not be affected by vma changes (e.g. vma
260     merging) because the dirty is only tracked by the pte.
261
262   - It supports range operations by default, so one can enable tracking on
263     any range of memory as long as page aligned.
264
265   - Dirty information will not get lost if the pte was zapped due to
266     various reasons (e.g. during split of a shmem transparent huge page).
267
268   - Due to a reverted meaning of soft-dirty (page clean when uffd-wp bit
269     set; dirty when uffd-wp bit cleared), it has different semantics on
270     some of the memory operations.  For example: ``MADV_DONTNEED`` on
271     anonymous (or ``MADV_REMOVE`` on a file mapping) will be treated as
272     dirtying of memory by dropping uffd-wp bit during the procedure.
273
274 The user app can collect the "written/dirty" status by looking up the
275 uffd-wp bit for the pages being interested in /proc/pagemap.
276
277 The page will not be under track of uffd-wp async mode until the page is
278 explicitly write-protected by ``ioctl(UFFDIO_WRITEPROTECT)`` with the mode
279 flag ``UFFDIO_WRITEPROTECT_MODE_WP`` set.  Trying to resolve a page fault
280 that was tracked by async mode userfaultfd-wp is invalid.
281
282 When userfaultfd-wp async mode is used alone, it can be applied to all
283 kinds of memory.
284
285 Memory Poisioning Emulation
286 ---------------------------
287
288 In response to a fault (either missing or minor), an action userspace can
289 take to "resolve" it is to issue a ``UFFDIO_POISON``. This will cause any
290 future faulters to either get a SIGBUS, or in KVM's case the guest will
291 receive an MCE as if there were hardware memory poisoning.
292
293 This is used to emulate hardware memory poisoning. Imagine a VM running on a
294 machine which experiences a real hardware memory error. Later, we live migrate
295 the VM to another physical machine. Since we want the migration to be
296 transparent to the guest, we want that same address range to act as if it was
297 still poisoned, even though it's on a new physical host which ostensibly
298 doesn't have a memory error in the exact same spot.
299
300 QEMU/KVM
301 ========
302
303 QEMU/KVM is using the ``userfaultfd`` syscall to implement postcopy live
304 migration. Postcopy live migration is one form of memory
305 externalization consisting of a virtual machine running with part or
306 all of its memory residing on a different node in the cloud. The
307 ``userfaultfd`` abstraction is generic enough that not a single line of
308 KVM kernel code had to be modified in order to add postcopy live
309 migration to QEMU.
310
311 Guest async page faults, ``FOLL_NOWAIT`` and all other ``GUP*`` features work
312 just fine in combination with userfaults. Userfaults trigger async
313 page faults in the guest scheduler so those guest processes that
314 aren't waiting for userfaults (i.e. network bound) can keep running in
315 the guest vcpus.
316
317 It is generally beneficial to run one pass of precopy live migration
318 just before starting postcopy live migration, in order to avoid
319 generating userfaults for readonly guest regions.
320
321 The implementation of postcopy live migration currently uses one
322 single bidirectional socket but in the future two different sockets
323 will be used (to reduce the latency of the userfaults to the minimum
324 possible without having to decrease ``/proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem``).
325
326 The QEMU in the source node writes all pages that it knows are missing
327 in the destination node, into the socket, and the migration thread of
328 the QEMU running in the destination node runs ``UFFDIO_COPY|ZEROPAGE``
329 ioctls on the ``userfaultfd`` in order to map the received pages into the
330 guest (``UFFDIO_ZEROCOPY`` is used if the source page was a zero page).
331
332 A different postcopy thread in the destination node listens with
333 poll() to the ``userfaultfd`` in parallel. When a ``POLLIN`` event is
334 generated after a userfault triggers, the postcopy thread read() from
335 the ``userfaultfd`` and receives the fault address (or ``-EAGAIN`` in case the
336 userfault was already resolved and waken by a ``UFFDIO_COPY|ZEROPAGE`` run
337 by the parallel QEMU migration thread).
338
339 After the QEMU postcopy thread (running in the destination node) gets
340 the userfault address it writes the information about the missing page
341 into the socket. The QEMU source node receives the information and
342 roughly "seeks" to that page address and continues sending all
343 remaining missing pages from that new page offset. Soon after that
344 (just the time to flush the tcp_wmem queue through the network) the
345 migration thread in the QEMU running in the destination node will
346 receive the page that triggered the userfault and it'll map it as
347 usual with the ``UFFDIO_COPY|ZEROPAGE`` (without actually knowing if it
348 was spontaneously sent by the source or if it was an urgent page
349 requested through a userfault).
350
351 By the time the userfaults start, the QEMU in the destination node
352 doesn't need to keep any per-page state bitmap relative to the live
353 migration around and a single per-page bitmap has to be maintained in
354 the QEMU running in the source node to know which pages are still
355 missing in the destination node. The bitmap in the source node is
356 checked to find which missing pages to send in round robin and we seek
357 over it when receiving incoming userfaults. After sending each page of
358 course the bitmap is updated accordingly. It's also useful to avoid
359 sending the same page twice (in case the userfault is read by the
360 postcopy thread just before ``UFFDIO_COPY|ZEROPAGE`` runs in the migration
361 thread).
362
363 Non-cooperative userfaultfd
364 ===========================
365
366 When the ``userfaultfd`` is monitored by an external manager, the manager
367 must be able to track changes in the process virtual memory
368 layout. Userfaultfd can notify the manager about such changes using
369 the same read(2) protocol as for the page fault notifications. The
370 manager has to explicitly enable these events by setting appropriate
371 bits in ``uffdio_api.features`` passed to ``UFFDIO_API`` ioctl:
372
373 ``UFFD_FEATURE_EVENT_FORK``
374         enable ``userfaultfd`` hooks for fork(). When this feature is
375         enabled, the ``userfaultfd`` context of the parent process is
376         duplicated into the newly created process. The manager
377         receives ``UFFD_EVENT_FORK`` with file descriptor of the new
378         ``userfaultfd`` context in the ``uffd_msg.fork``.
379
380 ``UFFD_FEATURE_EVENT_REMAP``
381         enable notifications about mremap() calls. When the
382         non-cooperative process moves a virtual memory area to a
383         different location, the manager will receive
384         ``UFFD_EVENT_REMAP``. The ``uffd_msg.remap`` will contain the old and
385         new addresses of the area and its original length.
386
387 ``UFFD_FEATURE_EVENT_REMOVE``
388         enable notifications about madvise(MADV_REMOVE) and
389         madvise(MADV_DONTNEED) calls. The event ``UFFD_EVENT_REMOVE`` will
390         be generated upon these calls to madvise(). The ``uffd_msg.remove``
391         will contain start and end addresses of the removed area.
392
393 ``UFFD_FEATURE_EVENT_UNMAP``
394         enable notifications about memory unmapping. The manager will
395         get ``UFFD_EVENT_UNMAP`` with ``uffd_msg.remove`` containing start and
396         end addresses of the unmapped area.
397
398 Although the ``UFFD_FEATURE_EVENT_REMOVE`` and ``UFFD_FEATURE_EVENT_UNMAP``
399 are pretty similar, they quite differ in the action expected from the
400 ``userfaultfd`` manager. In the former case, the virtual memory is
401 removed, but the area is not, the area remains monitored by the
402 ``userfaultfd``, and if a page fault occurs in that area it will be
403 delivered to the manager. The proper resolution for such page fault is
404 to zeromap the faulting address. However, in the latter case, when an
405 area is unmapped, either explicitly (with munmap() system call), or
406 implicitly (e.g. during mremap()), the area is removed and in turn the
407 ``userfaultfd`` context for such area disappears too and the manager will
408 not get further userland page faults from the removed area. Still, the
409 notification is required in order to prevent manager from using
410 ``UFFDIO_COPY`` on the unmapped area.
411
412 Unlike userland page faults which have to be synchronous and require
413 explicit or implicit wakeup, all the events are delivered
414 asynchronously and the non-cooperative process resumes execution as
415 soon as manager executes read(). The ``userfaultfd`` manager should
416 carefully synchronize calls to ``UFFDIO_COPY`` with the events
417 processing. To aid the synchronization, the ``UFFDIO_COPY`` ioctl will
418 return ``-ENOSPC`` when the monitored process exits at the time of
419 ``UFFDIO_COPY``, and ``-ENOENT``, when the non-cooperative process has changed
420 its virtual memory layout simultaneously with outstanding ``UFFDIO_COPY``
421 operation.
422
423 The current asynchronous model of the event delivery is optimal for
424 single threaded non-cooperative ``userfaultfd`` manager implementations. A
425 synchronous event delivery model can be added later as a new
426 ``userfaultfd`` feature to facilitate multithreading enhancements of the
427 non cooperative manager, for example to allow ``UFFDIO_COPY`` ioctls to
428 run in parallel to the event reception. Single threaded
429 implementations should continue to use the current async event
430 delivery model instead.