07b6701a540ae73898461359b23a7831bf8567cc
[linux-2.6-microblaze.git] / arch / x86 / mm / tlb.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
2 #include <linux/init.h>
3
4 #include <linux/mm.h>
5 #include <linux/spinlock.h>
6 #include <linux/smp.h>
7 #include <linux/interrupt.h>
8 #include <linux/export.h>
9 #include <linux/cpu.h>
10 #include <linux/debugfs.h>
11
12 #include <asm/tlbflush.h>
13 #include <asm/mmu_context.h>
14 #include <asm/nospec-branch.h>
15 #include <asm/cache.h>
16 #include <asm/apic.h>
17
18 #include "mm_internal.h"
19
20 #ifdef CONFIG_PARAVIRT
21 # define STATIC_NOPV
22 #else
23 # define STATIC_NOPV                    static
24 # define __flush_tlb_local              native_flush_tlb_local
25 # define __flush_tlb_global             native_flush_tlb_global
26 # define __flush_tlb_one_user(addr)     native_flush_tlb_one_user(addr)
27 # define __flush_tlb_others(msk, info)  native_flush_tlb_others(msk, info)
28 #endif
29
30 /*
31  *      TLB flushing, formerly SMP-only
32  *              c/o Linus Torvalds.
33  *
34  *      These mean you can really definitely utterly forget about
35  *      writing to user space from interrupts. (Its not allowed anyway).
36  *
37  *      Optimizations Manfred Spraul <manfred@colorfullife.com>
38  *
39  *      More scalable flush, from Andi Kleen
40  *
41  *      Implement flush IPI by CALL_FUNCTION_VECTOR, Alex Shi
42  */
43
44 /*
45  * Use bit 0 to mangle the TIF_SPEC_IB state into the mm pointer which is
46  * stored in cpu_tlb_state.last_user_mm_ibpb.
47  */
48 #define LAST_USER_MM_IBPB       0x1UL
49
50 /*
51  * The x86 feature is called PCID (Process Context IDentifier). It is similar
52  * to what is traditionally called ASID on the RISC processors.
53  *
54  * We don't use the traditional ASID implementation, where each process/mm gets
55  * its own ASID and flush/restart when we run out of ASID space.
56  *
57  * Instead we have a small per-cpu array of ASIDs and cache the last few mm's
58  * that came by on this CPU, allowing cheaper switch_mm between processes on
59  * this CPU.
60  *
61  * We end up with different spaces for different things. To avoid confusion we
62  * use different names for each of them:
63  *
64  * ASID  - [0, TLB_NR_DYN_ASIDS-1]
65  *         the canonical identifier for an mm
66  *
67  * kPCID - [1, TLB_NR_DYN_ASIDS]
68  *         the value we write into the PCID part of CR3; corresponds to the
69  *         ASID+1, because PCID 0 is special.
70  *
71  * uPCID - [2048 + 1, 2048 + TLB_NR_DYN_ASIDS]
72  *         for KPTI each mm has two address spaces and thus needs two
73  *         PCID values, but we can still do with a single ASID denomination
74  *         for each mm. Corresponds to kPCID + 2048.
75  *
76  */
77
78 /* There are 12 bits of space for ASIDS in CR3 */
79 #define CR3_HW_ASID_BITS                12
80
81 /*
82  * When enabled, PAGE_TABLE_ISOLATION consumes a single bit for
83  * user/kernel switches
84  */
85 #ifdef CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION
86 # define PTI_CONSUMED_PCID_BITS 1
87 #else
88 # define PTI_CONSUMED_PCID_BITS 0
89 #endif
90
91 #define CR3_AVAIL_PCID_BITS (X86_CR3_PCID_BITS - PTI_CONSUMED_PCID_BITS)
92
93 /*
94  * ASIDs are zero-based: 0->MAX_AVAIL_ASID are valid.  -1 below to account
95  * for them being zero-based.  Another -1 is because PCID 0 is reserved for
96  * use by non-PCID-aware users.
97  */
98 #define MAX_ASID_AVAILABLE ((1 << CR3_AVAIL_PCID_BITS) - 2)
99
100 /*
101  * Given @asid, compute kPCID
102  */
103 static inline u16 kern_pcid(u16 asid)
104 {
105         VM_WARN_ON_ONCE(asid > MAX_ASID_AVAILABLE);
106
107 #ifdef CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION
108         /*
109          * Make sure that the dynamic ASID space does not confict with the
110          * bit we are using to switch between user and kernel ASIDs.
111          */
112         BUILD_BUG_ON(TLB_NR_DYN_ASIDS >= (1 << X86_CR3_PTI_PCID_USER_BIT));
113
114         /*
115          * The ASID being passed in here should have respected the
116          * MAX_ASID_AVAILABLE and thus never have the switch bit set.
117          */
118         VM_WARN_ON_ONCE(asid & (1 << X86_CR3_PTI_PCID_USER_BIT));
119 #endif
120         /*
121          * The dynamically-assigned ASIDs that get passed in are small
122          * (<TLB_NR_DYN_ASIDS).  They never have the high switch bit set,
123          * so do not bother to clear it.
124          *
125          * If PCID is on, ASID-aware code paths put the ASID+1 into the
126          * PCID bits.  This serves two purposes.  It prevents a nasty
127          * situation in which PCID-unaware code saves CR3, loads some other
128          * value (with PCID == 0), and then restores CR3, thus corrupting
129          * the TLB for ASID 0 if the saved ASID was nonzero.  It also means
130          * that any bugs involving loading a PCID-enabled CR3 with
131          * CR4.PCIDE off will trigger deterministically.
132          */
133         return asid + 1;
134 }
135
136 /*
137  * Given @asid, compute uPCID
138  */
139 static inline u16 user_pcid(u16 asid)
140 {
141         u16 ret = kern_pcid(asid);
142 #ifdef CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION
143         ret |= 1 << X86_CR3_PTI_PCID_USER_BIT;
144 #endif
145         return ret;
146 }
147
148 static inline unsigned long build_cr3(pgd_t *pgd, u16 asid)
149 {
150         if (static_cpu_has(X86_FEATURE_PCID)) {
151                 return __sme_pa(pgd) | kern_pcid(asid);
152         } else {
153                 VM_WARN_ON_ONCE(asid != 0);
154                 return __sme_pa(pgd);
155         }
156 }
157
158 static inline unsigned long build_cr3_noflush(pgd_t *pgd, u16 asid)
159 {
160         VM_WARN_ON_ONCE(asid > MAX_ASID_AVAILABLE);
161         /*
162          * Use boot_cpu_has() instead of this_cpu_has() as this function
163          * might be called during early boot. This should work even after
164          * boot because all CPU's the have same capabilities:
165          */
166         VM_WARN_ON_ONCE(!boot_cpu_has(X86_FEATURE_PCID));
167         return __sme_pa(pgd) | kern_pcid(asid) | CR3_NOFLUSH;
168 }
169
170 /*
171  * We get here when we do something requiring a TLB invalidation
172  * but could not go invalidate all of the contexts.  We do the
173  * necessary invalidation by clearing out the 'ctx_id' which
174  * forces a TLB flush when the context is loaded.
175  */
176 static void clear_asid_other(void)
177 {
178         u16 asid;
179
180         /*
181          * This is only expected to be set if we have disabled
182          * kernel _PAGE_GLOBAL pages.
183          */
184         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI)) {
185                 WARN_ON_ONCE(1);
186                 return;
187         }
188
189         for (asid = 0; asid < TLB_NR_DYN_ASIDS; asid++) {
190                 /* Do not need to flush the current asid */
191                 if (asid == this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm_asid))
192                         continue;
193                 /*
194                  * Make sure the next time we go to switch to
195                  * this asid, we do a flush:
196                  */
197                 this_cpu_write(cpu_tlbstate.ctxs[asid].ctx_id, 0);
198         }
199         this_cpu_write(cpu_tlbstate.invalidate_other, false);
200 }
201
202 atomic64_t last_mm_ctx_id = ATOMIC64_INIT(1);
203
204
205 static void choose_new_asid(struct mm_struct *next, u64 next_tlb_gen,
206                             u16 *new_asid, bool *need_flush)
207 {
208         u16 asid;
209
210         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PCID)) {
211                 *new_asid = 0;
212                 *need_flush = true;
213                 return;
214         }
215
216         if (this_cpu_read(cpu_tlbstate.invalidate_other))
217                 clear_asid_other();
218
219         for (asid = 0; asid < TLB_NR_DYN_ASIDS; asid++) {
220                 if (this_cpu_read(cpu_tlbstate.ctxs[asid].ctx_id) !=
221                     next->context.ctx_id)
222                         continue;
223
224                 *new_asid = asid;
225                 *need_flush = (this_cpu_read(cpu_tlbstate.ctxs[asid].tlb_gen) <
226                                next_tlb_gen);
227                 return;
228         }
229
230         /*
231          * We don't currently own an ASID slot on this CPU.
232          * Allocate a slot.
233          */
234         *new_asid = this_cpu_add_return(cpu_tlbstate.next_asid, 1) - 1;
235         if (*new_asid >= TLB_NR_DYN_ASIDS) {
236                 *new_asid = 0;
237                 this_cpu_write(cpu_tlbstate.next_asid, 1);
238         }
239         *need_flush = true;
240 }
241
242 /*
243  * Given an ASID, flush the corresponding user ASID.  We can delay this
244  * until the next time we switch to it.
245  *
246  * See SWITCH_TO_USER_CR3.
247  */
248 static inline void invalidate_user_asid(u16 asid)
249 {
250         /* There is no user ASID if address space separation is off */
251         if (!IS_ENABLED(CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION))
252                 return;
253
254         /*
255          * We only have a single ASID if PCID is off and the CR3
256          * write will have flushed it.
257          */
258         if (!cpu_feature_enabled(X86_FEATURE_PCID))
259                 return;
260
261         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
262                 return;
263
264         __set_bit(kern_pcid(asid),
265                   (unsigned long *)this_cpu_ptr(&cpu_tlbstate.user_pcid_flush_mask));
266 }
267
268 static void load_new_mm_cr3(pgd_t *pgdir, u16 new_asid, bool need_flush)
269 {
270         unsigned long new_mm_cr3;
271
272         if (need_flush) {
273                 invalidate_user_asid(new_asid);
274                 new_mm_cr3 = build_cr3(pgdir, new_asid);
275         } else {
276                 new_mm_cr3 = build_cr3_noflush(pgdir, new_asid);
277         }
278
279         /*
280          * Caution: many callers of this function expect
281          * that load_cr3() is serializing and orders TLB
282          * fills with respect to the mm_cpumask writes.
283          */
284         write_cr3(new_mm_cr3);
285 }
286
287 void leave_mm(int cpu)
288 {
289         struct mm_struct *loaded_mm = this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm);
290
291         /*
292          * It's plausible that we're in lazy TLB mode while our mm is init_mm.
293          * If so, our callers still expect us to flush the TLB, but there
294          * aren't any user TLB entries in init_mm to worry about.
295          *
296          * This needs to happen before any other sanity checks due to
297          * intel_idle's shenanigans.
298          */
299         if (loaded_mm == &init_mm)
300                 return;
301
302         /* Warn if we're not lazy. */
303         WARN_ON(!this_cpu_read(cpu_tlbstate.is_lazy));
304
305         switch_mm(NULL, &init_mm, NULL);
306 }
307 EXPORT_SYMBOL_GPL(leave_mm);
308
309 void switch_mm(struct mm_struct *prev, struct mm_struct *next,
310                struct task_struct *tsk)
311 {
312         unsigned long flags;
313
314         local_irq_save(flags);
315         switch_mm_irqs_off(prev, next, tsk);
316         local_irq_restore(flags);
317 }
318
319 static inline unsigned long mm_mangle_tif_spec_ib(struct task_struct *next)
320 {
321         unsigned long next_tif = task_thread_info(next)->flags;
322         unsigned long ibpb = (next_tif >> TIF_SPEC_IB) & LAST_USER_MM_IBPB;
323
324         return (unsigned long)next->mm | ibpb;
325 }
326
327 static void cond_ibpb(struct task_struct *next)
328 {
329         if (!next || !next->mm)
330                 return;
331
332         /*
333          * Both, the conditional and the always IBPB mode use the mm
334          * pointer to avoid the IBPB when switching between tasks of the
335          * same process. Using the mm pointer instead of mm->context.ctx_id
336          * opens a hypothetical hole vs. mm_struct reuse, which is more or
337          * less impossible to control by an attacker. Aside of that it
338          * would only affect the first schedule so the theoretically
339          * exposed data is not really interesting.
340          */
341         if (static_branch_likely(&switch_mm_cond_ibpb)) {
342                 unsigned long prev_mm, next_mm;
343
344                 /*
345                  * This is a bit more complex than the always mode because
346                  * it has to handle two cases:
347                  *
348                  * 1) Switch from a user space task (potential attacker)
349                  *    which has TIF_SPEC_IB set to a user space task
350                  *    (potential victim) which has TIF_SPEC_IB not set.
351                  *
352                  * 2) Switch from a user space task (potential attacker)
353                  *    which has TIF_SPEC_IB not set to a user space task
354                  *    (potential victim) which has TIF_SPEC_IB set.
355                  *
356                  * This could be done by unconditionally issuing IBPB when
357                  * a task which has TIF_SPEC_IB set is either scheduled in
358                  * or out. Though that results in two flushes when:
359                  *
360                  * - the same user space task is scheduled out and later
361                  *   scheduled in again and only a kernel thread ran in
362                  *   between.
363                  *
364                  * - a user space task belonging to the same process is
365                  *   scheduled in after a kernel thread ran in between
366                  *
367                  * - a user space task belonging to the same process is
368                  *   scheduled in immediately.
369                  *
370                  * Optimize this with reasonably small overhead for the
371                  * above cases. Mangle the TIF_SPEC_IB bit into the mm
372                  * pointer of the incoming task which is stored in
373                  * cpu_tlbstate.last_user_mm_ibpb for comparison.
374                  */
375                 next_mm = mm_mangle_tif_spec_ib(next);
376                 prev_mm = this_cpu_read(cpu_tlbstate.last_user_mm_ibpb);
377
378                 /*
379                  * Issue IBPB only if the mm's are different and one or
380                  * both have the IBPB bit set.
381                  */
382                 if (next_mm != prev_mm &&
383                     (next_mm | prev_mm) & LAST_USER_MM_IBPB)
384                         indirect_branch_prediction_barrier();
385
386                 this_cpu_write(cpu_tlbstate.last_user_mm_ibpb, next_mm);
387         }
388
389         if (static_branch_unlikely(&switch_mm_always_ibpb)) {
390                 /*
391                  * Only flush when switching to a user space task with a
392                  * different context than the user space task which ran
393                  * last on this CPU.
394                  */
395                 if (this_cpu_read(cpu_tlbstate.last_user_mm) != next->mm) {
396                         indirect_branch_prediction_barrier();
397                         this_cpu_write(cpu_tlbstate.last_user_mm, next->mm);
398                 }
399         }
400 }
401
402 #ifdef CONFIG_PERF_EVENTS
403 static inline void cr4_update_pce_mm(struct mm_struct *mm)
404 {
405         if (static_branch_unlikely(&rdpmc_always_available_key) ||
406             (!static_branch_unlikely(&rdpmc_never_available_key) &&
407              atomic_read(&mm->context.perf_rdpmc_allowed)))
408                 cr4_set_bits_irqsoff(X86_CR4_PCE);
409         else
410                 cr4_clear_bits_irqsoff(X86_CR4_PCE);
411 }
412
413 void cr4_update_pce(void *ignored)
414 {
415         cr4_update_pce_mm(this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm));
416 }
417
418 #else
419 static inline void cr4_update_pce_mm(struct mm_struct *mm) { }
420 #endif
421
422 void switch_mm_irqs_off(struct mm_struct *prev, struct mm_struct *next,
423                         struct task_struct *tsk)
424 {
425         struct mm_struct *real_prev = this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm);
426         u16 prev_asid = this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm_asid);
427         bool was_lazy = this_cpu_read(cpu_tlbstate.is_lazy);
428         unsigned cpu = smp_processor_id();
429         u64 next_tlb_gen;
430         bool need_flush;
431         u16 new_asid;
432
433         /*
434          * NB: The scheduler will call us with prev == next when switching
435          * from lazy TLB mode to normal mode if active_mm isn't changing.
436          * When this happens, we don't assume that CR3 (and hence
437          * cpu_tlbstate.loaded_mm) matches next.
438          *
439          * NB: leave_mm() calls us with prev == NULL and tsk == NULL.
440          */
441
442         /* We don't want flush_tlb_func() to run concurrently with us. */
443         if (IS_ENABLED(CONFIG_PROVE_LOCKING))
444                 WARN_ON_ONCE(!irqs_disabled());
445
446         /*
447          * Verify that CR3 is what we think it is.  This will catch
448          * hypothetical buggy code that directly switches to swapper_pg_dir
449          * without going through leave_mm() / switch_mm_irqs_off() or that
450          * does something like write_cr3(read_cr3_pa()).
451          *
452          * Only do this check if CONFIG_DEBUG_VM=y because __read_cr3()
453          * isn't free.
454          */
455 #ifdef CONFIG_DEBUG_VM
456         if (WARN_ON_ONCE(__read_cr3() != build_cr3(real_prev->pgd, prev_asid))) {
457                 /*
458                  * If we were to BUG here, we'd be very likely to kill
459                  * the system so hard that we don't see the call trace.
460                  * Try to recover instead by ignoring the error and doing
461                  * a global flush to minimize the chance of corruption.
462                  *
463                  * (This is far from being a fully correct recovery.
464                  *  Architecturally, the CPU could prefetch something
465                  *  back into an incorrect ASID slot and leave it there
466                  *  to cause trouble down the road.  It's better than
467                  *  nothing, though.)
468                  */
469                 __flush_tlb_all();
470         }
471 #endif
472         this_cpu_write(cpu_tlbstate.is_lazy, false);
473
474         /*
475          * The membarrier system call requires a full memory barrier and
476          * core serialization before returning to user-space, after
477          * storing to rq->curr, when changing mm.  This is because
478          * membarrier() sends IPIs to all CPUs that are in the target mm
479          * to make them issue memory barriers.  However, if another CPU
480          * switches to/from the target mm concurrently with
481          * membarrier(), it can cause that CPU not to receive an IPI
482          * when it really should issue a memory barrier.  Writing to CR3
483          * provides that full memory barrier and core serializing
484          * instruction.
485          */
486         if (real_prev == next) {
487                 VM_WARN_ON(this_cpu_read(cpu_tlbstate.ctxs[prev_asid].ctx_id) !=
488                            next->context.ctx_id);
489
490                 /*
491                  * Even in lazy TLB mode, the CPU should stay set in the
492                  * mm_cpumask. The TLB shootdown code can figure out from
493                  * from cpu_tlbstate.is_lazy whether or not to send an IPI.
494                  */
495                 if (WARN_ON_ONCE(real_prev != &init_mm &&
496                                  !cpumask_test_cpu(cpu, mm_cpumask(next))))
497                         cpumask_set_cpu(cpu, mm_cpumask(next));
498
499                 /*
500                  * If the CPU is not in lazy TLB mode, we are just switching
501                  * from one thread in a process to another thread in the same
502                  * process. No TLB flush required.
503                  */
504                 if (!was_lazy)
505                         return;
506
507                 /*
508                  * Read the tlb_gen to check whether a flush is needed.
509                  * If the TLB is up to date, just use it.
510                  * The barrier synchronizes with the tlb_gen increment in
511                  * the TLB shootdown code.
512                  */
513                 smp_mb();
514                 next_tlb_gen = atomic64_read(&next->context.tlb_gen);
515                 if (this_cpu_read(cpu_tlbstate.ctxs[prev_asid].tlb_gen) ==
516                                 next_tlb_gen)
517                         return;
518
519                 /*
520                  * TLB contents went out of date while we were in lazy
521                  * mode. Fall through to the TLB switching code below.
522                  */
523                 new_asid = prev_asid;
524                 need_flush = true;
525         } else {
526                 /*
527                  * Avoid user/user BTB poisoning by flushing the branch
528                  * predictor when switching between processes. This stops
529                  * one process from doing Spectre-v2 attacks on another.
530                  */
531                 cond_ibpb(tsk);
532
533                 /*
534                  * Stop remote flushes for the previous mm.
535                  * Skip kernel threads; we never send init_mm TLB flushing IPIs,
536                  * but the bitmap manipulation can cause cache line contention.
537                  */
538                 if (real_prev != &init_mm) {
539                         VM_WARN_ON_ONCE(!cpumask_test_cpu(cpu,
540                                                 mm_cpumask(real_prev)));
541                         cpumask_clear_cpu(cpu, mm_cpumask(real_prev));
542                 }
543
544                 /*
545                  * Start remote flushes and then read tlb_gen.
546                  */
547                 if (next != &init_mm)
548                         cpumask_set_cpu(cpu, mm_cpumask(next));
549                 next_tlb_gen = atomic64_read(&next->context.tlb_gen);
550
551                 choose_new_asid(next, next_tlb_gen, &new_asid, &need_flush);
552
553                 /* Let nmi_uaccess_okay() know that we're changing CR3. */
554                 this_cpu_write(cpu_tlbstate.loaded_mm, LOADED_MM_SWITCHING);
555                 barrier();
556         }
557
558         if (need_flush) {
559                 this_cpu_write(cpu_tlbstate.ctxs[new_asid].ctx_id, next->context.ctx_id);
560                 this_cpu_write(cpu_tlbstate.ctxs[new_asid].tlb_gen, next_tlb_gen);
561                 load_new_mm_cr3(next->pgd, new_asid, true);
562
563                 trace_tlb_flush(TLB_FLUSH_ON_TASK_SWITCH, TLB_FLUSH_ALL);
564         } else {
565                 /* The new ASID is already up to date. */
566                 load_new_mm_cr3(next->pgd, new_asid, false);
567
568                 trace_tlb_flush(TLB_FLUSH_ON_TASK_SWITCH, 0);
569         }
570
571         /* Make sure we write CR3 before loaded_mm. */
572         barrier();
573
574         this_cpu_write(cpu_tlbstate.loaded_mm, next);
575         this_cpu_write(cpu_tlbstate.loaded_mm_asid, new_asid);
576
577         if (next != real_prev) {
578                 cr4_update_pce_mm(next);
579                 switch_ldt(real_prev, next);
580         }
581 }
582
583 /*
584  * Please ignore the name of this function.  It should be called
585  * switch_to_kernel_thread().
586  *
587  * enter_lazy_tlb() is a hint from the scheduler that we are entering a
588  * kernel thread or other context without an mm.  Acceptable implementations
589  * include doing nothing whatsoever, switching to init_mm, or various clever
590  * lazy tricks to try to minimize TLB flushes.
591  *
592  * The scheduler reserves the right to call enter_lazy_tlb() several times
593  * in a row.  It will notify us that we're going back to a real mm by
594  * calling switch_mm_irqs_off().
595  */
596 void enter_lazy_tlb(struct mm_struct *mm, struct task_struct *tsk)
597 {
598         if (this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm) == &init_mm)
599                 return;
600
601         this_cpu_write(cpu_tlbstate.is_lazy, true);
602 }
603
604 /*
605  * Call this when reinitializing a CPU.  It fixes the following potential
606  * problems:
607  *
608  * - The ASID changed from what cpu_tlbstate thinks it is (most likely
609  *   because the CPU was taken down and came back up with CR3's PCID
610  *   bits clear.  CPU hotplug can do this.
611  *
612  * - The TLB contains junk in slots corresponding to inactive ASIDs.
613  *
614  * - The CPU went so far out to lunch that it may have missed a TLB
615  *   flush.
616  */
617 void initialize_tlbstate_and_flush(void)
618 {
619         int i;
620         struct mm_struct *mm = this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm);
621         u64 tlb_gen = atomic64_read(&init_mm.context.tlb_gen);
622         unsigned long cr3 = __read_cr3();
623
624         /* Assert that CR3 already references the right mm. */
625         WARN_ON((cr3 & CR3_ADDR_MASK) != __pa(mm->pgd));
626
627         /*
628          * Assert that CR4.PCIDE is set if needed.  (CR4.PCIDE initialization
629          * doesn't work like other CR4 bits because it can only be set from
630          * long mode.)
631          */
632         WARN_ON(boot_cpu_has(X86_FEATURE_PCID) &&
633                 !(cr4_read_shadow() & X86_CR4_PCIDE));
634
635         /* Force ASID 0 and force a TLB flush. */
636         write_cr3(build_cr3(mm->pgd, 0));
637
638         /* Reinitialize tlbstate. */
639         this_cpu_write(cpu_tlbstate.last_user_mm_ibpb, LAST_USER_MM_IBPB);
640         this_cpu_write(cpu_tlbstate.loaded_mm_asid, 0);
641         this_cpu_write(cpu_tlbstate.next_asid, 1);
642         this_cpu_write(cpu_tlbstate.ctxs[0].ctx_id, mm->context.ctx_id);
643         this_cpu_write(cpu_tlbstate.ctxs[0].tlb_gen, tlb_gen);
644
645         for (i = 1; i < TLB_NR_DYN_ASIDS; i++)
646                 this_cpu_write(cpu_tlbstate.ctxs[i].ctx_id, 0);
647 }
648
649 /*
650  * flush_tlb_func()'s memory ordering requirement is that any
651  * TLB fills that happen after we flush the TLB are ordered after we
652  * read active_mm's tlb_gen.  We don't need any explicit barriers
653  * because all x86 flush operations are serializing and the
654  * atomic64_read operation won't be reordered by the compiler.
655  */
656 static void flush_tlb_func(void *info)
657 {
658         /*
659          * We have three different tlb_gen values in here.  They are:
660          *
661          * - mm_tlb_gen:     the latest generation.
662          * - local_tlb_gen:  the generation that this CPU has already caught
663          *                   up to.
664          * - f->new_tlb_gen: the generation that the requester of the flush
665          *                   wants us to catch up to.
666          */
667         const struct flush_tlb_info *f = info;
668         struct mm_struct *loaded_mm = this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm);
669         u32 loaded_mm_asid = this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm_asid);
670         u64 mm_tlb_gen = atomic64_read(&loaded_mm->context.tlb_gen);
671         u64 local_tlb_gen = this_cpu_read(cpu_tlbstate.ctxs[loaded_mm_asid].tlb_gen);
672         bool local = smp_processor_id() == f->initiating_cpu;
673         unsigned long nr_invalidate = 0;
674
675         /* This code cannot presently handle being reentered. */
676         VM_WARN_ON(!irqs_disabled());
677
678         if (!local) {
679                 inc_irq_stat(irq_tlb_count);
680                 count_vm_tlb_event(NR_TLB_REMOTE_FLUSH_RECEIVED);
681
682                 /* Can only happen on remote CPUs */
683                 if (f->mm && f->mm != loaded_mm)
684                         return;
685         }
686
687         if (unlikely(loaded_mm == &init_mm))
688                 return;
689
690         VM_WARN_ON(this_cpu_read(cpu_tlbstate.ctxs[loaded_mm_asid].ctx_id) !=
691                    loaded_mm->context.ctx_id);
692
693         if (this_cpu_read(cpu_tlbstate.is_lazy)) {
694                 /*
695                  * We're in lazy mode.  We need to at least flush our
696                  * paging-structure cache to avoid speculatively reading
697                  * garbage into our TLB.  Since switching to init_mm is barely
698                  * slower than a minimal flush, just switch to init_mm.
699                  *
700                  * This should be rare, with native_flush_tlb_others skipping
701                  * IPIs to lazy TLB mode CPUs.
702                  */
703                 switch_mm_irqs_off(NULL, &init_mm, NULL);
704                 return;
705         }
706
707         if (unlikely(local_tlb_gen == mm_tlb_gen)) {
708                 /*
709                  * There's nothing to do: we're already up to date.  This can
710                  * happen if two concurrent flushes happen -- the first flush to
711                  * be handled can catch us all the way up, leaving no work for
712                  * the second flush.
713                  */
714                 goto done;
715         }
716
717         WARN_ON_ONCE(local_tlb_gen > mm_tlb_gen);
718         WARN_ON_ONCE(f->new_tlb_gen > mm_tlb_gen);
719
720         /*
721          * If we get to this point, we know that our TLB is out of date.
722          * This does not strictly imply that we need to flush (it's
723          * possible that f->new_tlb_gen <= local_tlb_gen), but we're
724          * going to need to flush in the very near future, so we might
725          * as well get it over with.
726          *
727          * The only question is whether to do a full or partial flush.
728          *
729          * We do a partial flush if requested and two extra conditions
730          * are met:
731          *
732          * 1. f->new_tlb_gen == local_tlb_gen + 1.  We have an invariant that
733          *    we've always done all needed flushes to catch up to
734          *    local_tlb_gen.  If, for example, local_tlb_gen == 2 and
735          *    f->new_tlb_gen == 3, then we know that the flush needed to bring
736          *    us up to date for tlb_gen 3 is the partial flush we're
737          *    processing.
738          *
739          *    As an example of why this check is needed, suppose that there
740          *    are two concurrent flushes.  The first is a full flush that
741          *    changes context.tlb_gen from 1 to 2.  The second is a partial
742          *    flush that changes context.tlb_gen from 2 to 3.  If they get
743          *    processed on this CPU in reverse order, we'll see
744          *     local_tlb_gen == 1, mm_tlb_gen == 3, and end != TLB_FLUSH_ALL.
745          *    If we were to use __flush_tlb_one_user() and set local_tlb_gen to
746          *    3, we'd be break the invariant: we'd update local_tlb_gen above
747          *    1 without the full flush that's needed for tlb_gen 2.
748          *
749          * 2. f->new_tlb_gen == mm_tlb_gen.  This is purely an optimiation.
750          *    Partial TLB flushes are not all that much cheaper than full TLB
751          *    flushes, so it seems unlikely that it would be a performance win
752          *    to do a partial flush if that won't bring our TLB fully up to
753          *    date.  By doing a full flush instead, we can increase
754          *    local_tlb_gen all the way to mm_tlb_gen and we can probably
755          *    avoid another flush in the very near future.
756          */
757         if (f->end != TLB_FLUSH_ALL &&
758             f->new_tlb_gen == local_tlb_gen + 1 &&
759             f->new_tlb_gen == mm_tlb_gen) {
760                 /* Partial flush */
761                 unsigned long addr = f->start;
762
763                 nr_invalidate = (f->end - f->start) >> f->stride_shift;
764
765                 while (addr < f->end) {
766                         flush_tlb_one_user(addr);
767                         addr += 1UL << f->stride_shift;
768                 }
769                 if (local)
770                         count_vm_tlb_events(NR_TLB_LOCAL_FLUSH_ONE, nr_invalidate);
771         } else {
772                 /* Full flush. */
773                 nr_invalidate = TLB_FLUSH_ALL;
774
775                 flush_tlb_local();
776                 if (local)
777                         count_vm_tlb_event(NR_TLB_LOCAL_FLUSH_ALL);
778         }
779
780         /* Both paths above update our state to mm_tlb_gen. */
781         this_cpu_write(cpu_tlbstate.ctxs[loaded_mm_asid].tlb_gen, mm_tlb_gen);
782
783         /* Tracing is done in a unified manner to reduce the code size */
784 done:
785         trace_tlb_flush(!local ? TLB_REMOTE_SHOOTDOWN :
786                                 (f->mm == NULL) ? TLB_LOCAL_SHOOTDOWN :
787                                                   TLB_LOCAL_MM_SHOOTDOWN,
788                         nr_invalidate);
789 }
790
791 static bool tlb_is_not_lazy(int cpu)
792 {
793         return !per_cpu(cpu_tlbstate.is_lazy, cpu);
794 }
795
796 static DEFINE_PER_CPU(cpumask_t, flush_tlb_mask);
797
798 STATIC_NOPV void native_flush_tlb_others(const struct cpumask *cpumask,
799                                          const struct flush_tlb_info *info)
800 {
801         count_vm_tlb_event(NR_TLB_REMOTE_FLUSH);
802         if (info->end == TLB_FLUSH_ALL)
803                 trace_tlb_flush(TLB_REMOTE_SEND_IPI, TLB_FLUSH_ALL);
804         else
805                 trace_tlb_flush(TLB_REMOTE_SEND_IPI,
806                                 (info->end - info->start) >> PAGE_SHIFT);
807
808         /*
809          * If no page tables were freed, we can skip sending IPIs to
810          * CPUs in lazy TLB mode. They will flush the CPU themselves
811          * at the next context switch.
812          *
813          * However, if page tables are getting freed, we need to send the
814          * IPI everywhere, to prevent CPUs in lazy TLB mode from tripping
815          * up on the new contents of what used to be page tables, while
816          * doing a speculative memory access.
817          */
818         if (info->freed_tables) {
819                 smp_call_function_many(cpumask, flush_tlb_func,
820                                (void *)info, 1);
821         } else {
822                 /*
823                  * Although we could have used on_each_cpu_cond_mask(),
824                  * open-coding it has performance advantages, as it eliminates
825                  * the need for indirect calls or retpolines. In addition, it
826                  * allows to use a designated cpumask for evaluating the
827                  * condition, instead of allocating one.
828                  *
829                  * This code works under the assumption that there are no nested
830                  * TLB flushes, an assumption that is already made in
831                  * flush_tlb_mm_range().
832                  *
833                  * cond_cpumask is logically a stack-local variable, but it is
834                  * more efficient to have it off the stack and not to allocate
835                  * it on demand. Preemption is disabled and this code is
836                  * non-reentrant.
837                  */
838                 struct cpumask *cond_cpumask = this_cpu_ptr(&flush_tlb_mask);
839                 int cpu;
840
841                 cpumask_clear(cond_cpumask);
842
843                 for_each_cpu(cpu, cpumask) {
844                         if (tlb_is_not_lazy(cpu))
845                                 __cpumask_set_cpu(cpu, cond_cpumask);
846                 }
847                 smp_call_function_many(cond_cpumask, flush_tlb_func, (void *)info, 1);
848         }
849 }
850
851 void flush_tlb_others(const struct cpumask *cpumask,
852                       const struct flush_tlb_info *info)
853 {
854         __flush_tlb_others(cpumask, info);
855 }
856
857 /*
858  * See Documentation/x86/tlb.rst for details.  We choose 33
859  * because it is large enough to cover the vast majority (at
860  * least 95%) of allocations, and is small enough that we are
861  * confident it will not cause too much overhead.  Each single
862  * flush is about 100 ns, so this caps the maximum overhead at
863  * _about_ 3,000 ns.
864  *
865  * This is in units of pages.
866  */
867 unsigned long tlb_single_page_flush_ceiling __read_mostly = 33;
868
869 static DEFINE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(struct flush_tlb_info, flush_tlb_info);
870
871 #ifdef CONFIG_DEBUG_VM
872 static DEFINE_PER_CPU(unsigned int, flush_tlb_info_idx);
873 #endif
874
875 static inline struct flush_tlb_info *get_flush_tlb_info(struct mm_struct *mm,
876                         unsigned long start, unsigned long end,
877                         unsigned int stride_shift, bool freed_tables,
878                         u64 new_tlb_gen)
879 {
880         struct flush_tlb_info *info = this_cpu_ptr(&flush_tlb_info);
881
882 #ifdef CONFIG_DEBUG_VM
883         /*
884          * Ensure that the following code is non-reentrant and flush_tlb_info
885          * is not overwritten. This means no TLB flushing is initiated by
886          * interrupt handlers and machine-check exception handlers.
887          */
888         BUG_ON(this_cpu_inc_return(flush_tlb_info_idx) != 1);
889 #endif
890
891         info->start             = start;
892         info->end               = end;
893         info->mm                = mm;
894         info->stride_shift      = stride_shift;
895         info->freed_tables      = freed_tables;
896         info->new_tlb_gen       = new_tlb_gen;
897         info->initiating_cpu    = smp_processor_id();
898
899         return info;
900 }
901
902 static inline void put_flush_tlb_info(void)
903 {
904 #ifdef CONFIG_DEBUG_VM
905         /* Complete reentrency prevention checks */
906         barrier();
907         this_cpu_dec(flush_tlb_info_idx);
908 #endif
909 }
910
911 void flush_tlb_mm_range(struct mm_struct *mm, unsigned long start,
912                                 unsigned long end, unsigned int stride_shift,
913                                 bool freed_tables)
914 {
915         struct flush_tlb_info *info;
916         u64 new_tlb_gen;
917         int cpu;
918
919         cpu = get_cpu();
920
921         /* Should we flush just the requested range? */
922         if ((end == TLB_FLUSH_ALL) ||
923             ((end - start) >> stride_shift) > tlb_single_page_flush_ceiling) {
924                 start = 0;
925                 end = TLB_FLUSH_ALL;
926         }
927
928         /* This is also a barrier that synchronizes with switch_mm(). */
929         new_tlb_gen = inc_mm_tlb_gen(mm);
930
931         info = get_flush_tlb_info(mm, start, end, stride_shift, freed_tables,
932                                   new_tlb_gen);
933
934         if (mm == this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm)) {
935                 lockdep_assert_irqs_enabled();
936                 local_irq_disable();
937                 flush_tlb_func(info);
938                 local_irq_enable();
939         }
940
941         if (cpumask_any_but(mm_cpumask(mm), cpu) < nr_cpu_ids)
942                 flush_tlb_others(mm_cpumask(mm), info);
943
944         put_flush_tlb_info();
945         put_cpu();
946 }
947
948
949 static void do_flush_tlb_all(void *info)
950 {
951         count_vm_tlb_event(NR_TLB_REMOTE_FLUSH_RECEIVED);
952         __flush_tlb_all();
953 }
954
955 void flush_tlb_all(void)
956 {
957         count_vm_tlb_event(NR_TLB_REMOTE_FLUSH);
958         on_each_cpu(do_flush_tlb_all, NULL, 1);
959 }
960
961 static void do_kernel_range_flush(void *info)
962 {
963         struct flush_tlb_info *f = info;
964         unsigned long addr;
965
966         /* flush range by one by one 'invlpg' */
967         for (addr = f->start; addr < f->end; addr += PAGE_SIZE)
968                 flush_tlb_one_kernel(addr);
969 }
970
971 void flush_tlb_kernel_range(unsigned long start, unsigned long end)
972 {
973         /* Balance as user space task's flush, a bit conservative */
974         if (end == TLB_FLUSH_ALL ||
975             (end - start) > tlb_single_page_flush_ceiling << PAGE_SHIFT) {
976                 on_each_cpu(do_flush_tlb_all, NULL, 1);
977         } else {
978                 struct flush_tlb_info *info;
979
980                 preempt_disable();
981                 info = get_flush_tlb_info(NULL, start, end, 0, false, 0);
982
983                 on_each_cpu(do_kernel_range_flush, info, 1);
984
985                 put_flush_tlb_info();
986                 preempt_enable();
987         }
988 }
989
990 /*
991  * This can be used from process context to figure out what the value of
992  * CR3 is without needing to do a (slow) __read_cr3().
993  *
994  * It's intended to be used for code like KVM that sneakily changes CR3
995  * and needs to restore it.  It needs to be used very carefully.
996  */
997 unsigned long __get_current_cr3_fast(void)
998 {
999         unsigned long cr3 = build_cr3(this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm)->pgd,
1000                 this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm_asid));
1001
1002         /* For now, be very restrictive about when this can be called. */
1003         VM_WARN_ON(in_nmi() || preemptible());
1004
1005         VM_BUG_ON(cr3 != __read_cr3());
1006         return cr3;
1007 }
1008 EXPORT_SYMBOL_GPL(__get_current_cr3_fast);
1009
1010 /*
1011  * Flush one page in the kernel mapping
1012  */
1013 void flush_tlb_one_kernel(unsigned long addr)
1014 {
1015         count_vm_tlb_event(NR_TLB_LOCAL_FLUSH_ONE);
1016
1017         /*
1018          * If PTI is off, then __flush_tlb_one_user() is just INVLPG or its
1019          * paravirt equivalent.  Even with PCID, this is sufficient: we only
1020          * use PCID if we also use global PTEs for the kernel mapping, and
1021          * INVLPG flushes global translations across all address spaces.
1022          *
1023          * If PTI is on, then the kernel is mapped with non-global PTEs, and
1024          * __flush_tlb_one_user() will flush the given address for the current
1025          * kernel address space and for its usermode counterpart, but it does
1026          * not flush it for other address spaces.
1027          */
1028         flush_tlb_one_user(addr);
1029
1030         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
1031                 return;
1032
1033         /*
1034          * See above.  We need to propagate the flush to all other address
1035          * spaces.  In principle, we only need to propagate it to kernelmode
1036          * address spaces, but the extra bookkeeping we would need is not
1037          * worth it.
1038          */
1039         this_cpu_write(cpu_tlbstate.invalidate_other, true);
1040 }
1041
1042 /*
1043  * Flush one page in the user mapping
1044  */
1045 STATIC_NOPV void native_flush_tlb_one_user(unsigned long addr)
1046 {
1047         u32 loaded_mm_asid = this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm_asid);
1048
1049         asm volatile("invlpg (%0)" ::"r" (addr) : "memory");
1050
1051         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
1052                 return;
1053
1054         /*
1055          * Some platforms #GP if we call invpcid(type=1/2) before CR4.PCIDE=1.
1056          * Just use invalidate_user_asid() in case we are called early.
1057          */
1058         if (!this_cpu_has(X86_FEATURE_INVPCID_SINGLE))
1059                 invalidate_user_asid(loaded_mm_asid);
1060         else
1061                 invpcid_flush_one(user_pcid(loaded_mm_asid), addr);
1062 }
1063
1064 void flush_tlb_one_user(unsigned long addr)
1065 {
1066         __flush_tlb_one_user(addr);
1067 }
1068
1069 /*
1070  * Flush everything
1071  */
1072 STATIC_NOPV void native_flush_tlb_global(void)
1073 {
1074         unsigned long cr4, flags;
1075
1076         if (static_cpu_has(X86_FEATURE_INVPCID)) {
1077                 /*
1078                  * Using INVPCID is considerably faster than a pair of writes
1079                  * to CR4 sandwiched inside an IRQ flag save/restore.
1080                  *
1081                  * Note, this works with CR4.PCIDE=0 or 1.
1082                  */
1083                 invpcid_flush_all();
1084                 return;
1085         }
1086
1087         /*
1088          * Read-modify-write to CR4 - protect it from preemption and
1089          * from interrupts. (Use the raw variant because this code can
1090          * be called from deep inside debugging code.)
1091          */
1092         raw_local_irq_save(flags);
1093
1094         cr4 = this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
1095         /* toggle PGE */
1096         native_write_cr4(cr4 ^ X86_CR4_PGE);
1097         /* write old PGE again and flush TLBs */
1098         native_write_cr4(cr4);
1099
1100         raw_local_irq_restore(flags);
1101 }
1102
1103 /*
1104  * Flush the entire current user mapping
1105  */
1106 STATIC_NOPV void native_flush_tlb_local(void)
1107 {
1108         /*
1109          * Preemption or interrupts must be disabled to protect the access
1110          * to the per CPU variable and to prevent being preempted between
1111          * read_cr3() and write_cr3().
1112          */
1113         WARN_ON_ONCE(preemptible());
1114
1115         invalidate_user_asid(this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm_asid));
1116
1117         /* If current->mm == NULL then the read_cr3() "borrows" an mm */
1118         native_write_cr3(__native_read_cr3());
1119 }
1120
1121 void flush_tlb_local(void)
1122 {
1123         __flush_tlb_local();
1124 }
1125
1126 /*
1127  * Flush everything
1128  */
1129 void __flush_tlb_all(void)
1130 {
1131         /*
1132          * This is to catch users with enabled preemption and the PGE feature
1133          * and don't trigger the warning in __native_flush_tlb().
1134          */
1135         VM_WARN_ON_ONCE(preemptible());
1136
1137         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE)) {
1138                 __flush_tlb_global();
1139         } else {
1140                 /*
1141                  * !PGE -> !PCID (setup_pcid()), thus every flush is total.
1142                  */
1143                 flush_tlb_local();
1144         }
1145 }
1146 EXPORT_SYMBOL_GPL(__flush_tlb_all);
1147
1148 void arch_tlbbatch_flush(struct arch_tlbflush_unmap_batch *batch)
1149 {
1150         struct flush_tlb_info *info;
1151
1152         int cpu = get_cpu();
1153
1154         info = get_flush_tlb_info(NULL, 0, TLB_FLUSH_ALL, 0, false, 0);
1155         if (cpumask_test_cpu(cpu, &batch->cpumask)) {
1156                 lockdep_assert_irqs_enabled();
1157                 local_irq_disable();
1158                 flush_tlb_func(info);
1159                 local_irq_enable();
1160         }
1161
1162         if (cpumask_any_but(&batch->cpumask, cpu) < nr_cpu_ids)
1163                 flush_tlb_others(&batch->cpumask, info);
1164
1165         cpumask_clear(&batch->cpumask);
1166
1167         put_flush_tlb_info();
1168         put_cpu();
1169 }
1170
1171 /*
1172  * Blindly accessing user memory from NMI context can be dangerous
1173  * if we're in the middle of switching the current user task or
1174  * switching the loaded mm.  It can also be dangerous if we
1175  * interrupted some kernel code that was temporarily using a
1176  * different mm.
1177  */
1178 bool nmi_uaccess_okay(void)
1179 {
1180         struct mm_struct *loaded_mm = this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm);
1181         struct mm_struct *current_mm = current->mm;
1182
1183         VM_WARN_ON_ONCE(!loaded_mm);
1184
1185         /*
1186          * The condition we want to check is
1187          * current_mm->pgd == __va(read_cr3_pa()).  This may be slow, though,
1188          * if we're running in a VM with shadow paging, and nmi_uaccess_okay()
1189          * is supposed to be reasonably fast.
1190          *
1191          * Instead, we check the almost equivalent but somewhat conservative
1192          * condition below, and we rely on the fact that switch_mm_irqs_off()
1193          * sets loaded_mm to LOADED_MM_SWITCHING before writing to CR3.
1194          */
1195         if (loaded_mm != current_mm)
1196                 return false;
1197
1198         VM_WARN_ON_ONCE(current_mm->pgd != __va(read_cr3_pa()));
1199
1200         return true;
1201 }
1202
1203 static ssize_t tlbflush_read_file(struct file *file, char __user *user_buf,
1204                              size_t count, loff_t *ppos)
1205 {
1206         char buf[32];
1207         unsigned int len;
1208
1209         len = sprintf(buf, "%ld\n", tlb_single_page_flush_ceiling);
1210         return simple_read_from_buffer(user_buf, count, ppos, buf, len);
1211 }
1212
1213 static ssize_t tlbflush_write_file(struct file *file,
1214                  const char __user *user_buf, size_t count, loff_t *ppos)
1215 {
1216         char buf[32];
1217         ssize_t len;
1218         int ceiling;
1219
1220         len = min(count, sizeof(buf) - 1);
1221         if (copy_from_user(buf, user_buf, len))
1222                 return -EFAULT;
1223
1224         buf[len] = '\0';
1225         if (kstrtoint(buf, 0, &ceiling))
1226                 return -EINVAL;
1227
1228         if (ceiling < 0)
1229                 return -EINVAL;
1230
1231         tlb_single_page_flush_ceiling = ceiling;
1232         return count;
1233 }
1234
1235 static const struct file_operations fops_tlbflush = {
1236         .read = tlbflush_read_file,
1237         .write = tlbflush_write_file,
1238         .llseek = default_llseek,
1239 };
1240
1241 static int __init create_tlb_single_page_flush_ceiling(void)
1242 {
1243         debugfs_create_file("tlb_single_page_flush_ceiling", S_IRUSR | S_IWUSR,
1244                             arch_debugfs_dir, NULL, &fops_tlbflush);
1245         return 0;
1246 }
1247 late_initcall(create_tlb_single_page_flush_ceiling);