Linux 6.9-rc1
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / livepatch / livepatch.rst
1 =========
2 Livepatch
3 =========
4
5 This document outlines basic information about kernel livepatching.
6
7 .. Table of Contents:
8
9 .. contents:: :local:
10
11
12 1. Motivation
13 =============
14
15 There are many situations where users are reluctant to reboot a system. It may
16 be because their system is performing complex scientific computations or under
17 heavy load during peak usage. In addition to keeping systems up and running,
18 users want to also have a stable and secure system. Livepatching gives users
19 both by allowing for function calls to be redirected; thus, fixing critical
20 functions without a system reboot.
21
22
23 2. Kprobes, Ftrace, Livepatching
24 ================================
25
26 There are multiple mechanisms in the Linux kernel that are directly related
27 to redirection of code execution; namely: kernel probes, function tracing,
28 and livepatching:
29
30   - The kernel probes are the most generic. The code can be redirected by
31     putting a breakpoint instruction instead of any instruction.
32
33   - The function tracer calls the code from a predefined location that is
34     close to the function entry point. This location is generated by the
35     compiler using the '-pg' gcc option.
36
37   - Livepatching typically needs to redirect the code at the very beginning
38     of the function entry before the function parameters or the stack
39     are in any way modified.
40
41 All three approaches need to modify the existing code at runtime. Therefore
42 they need to be aware of each other and not step over each other's toes.
43 Most of these problems are solved by using the dynamic ftrace framework as
44 a base. A Kprobe is registered as a ftrace handler when the function entry
45 is probed, see CONFIG_KPROBES_ON_FTRACE. Also an alternative function from
46 a live patch is called with the help of a custom ftrace handler. But there are
47 some limitations, see below.
48
49
50 3. Consistency model
51 ====================
52
53 Functions are there for a reason. They take some input parameters, get or
54 release locks, read, process, and even write some data in a defined way,
55 have return values. In other words, each function has a defined semantic.
56
57 Many fixes do not change the semantic of the modified functions. For
58 example, they add a NULL pointer or a boundary check, fix a race by adding
59 a missing memory barrier, or add some locking around a critical section.
60 Most of these changes are self contained and the function presents itself
61 the same way to the rest of the system. In this case, the functions might
62 be updated independently one by one.
63
64 But there are more complex fixes. For example, a patch might change
65 ordering of locking in multiple functions at the same time. Or a patch
66 might exchange meaning of some temporary structures and update
67 all the relevant functions. In this case, the affected unit
68 (thread, whole kernel) need to start using all new versions of
69 the functions at the same time. Also the switch must happen only
70 when it is safe to do so, e.g. when the affected locks are released
71 or no data are stored in the modified structures at the moment.
72
73 The theory about how to apply functions a safe way is rather complex.
74 The aim is to define a so-called consistency model. It attempts to define
75 conditions when the new implementation could be used so that the system
76 stays consistent.
77
78 Livepatch has a consistency model which is a hybrid of kGraft and
79 kpatch:  it uses kGraft's per-task consistency and syscall barrier
80 switching combined with kpatch's stack trace switching.  There are also
81 a number of fallback options which make it quite flexible.
82
83 Patches are applied on a per-task basis, when the task is deemed safe to
84 switch over.  When a patch is enabled, livepatch enters into a
85 transition state where tasks are converging to the patched state.
86 Usually this transition state can complete in a few seconds.  The same
87 sequence occurs when a patch is disabled, except the tasks converge from
88 the patched state to the unpatched state.
89
90 An interrupt handler inherits the patched state of the task it
91 interrupts.  The same is true for forked tasks: the child inherits the
92 patched state of the parent.
93
94 Livepatch uses several complementary approaches to determine when it's
95 safe to patch tasks:
96
97 1. The first and most effective approach is stack checking of sleeping
98    tasks.  If no affected functions are on the stack of a given task,
99    the task is patched.  In most cases this will patch most or all of
100    the tasks on the first try.  Otherwise it'll keep trying
101    periodically.  This option is only available if the architecture has
102    reliable stacks (HAVE_RELIABLE_STACKTRACE).
103
104 2. The second approach, if needed, is kernel exit switching.  A
105    task is switched when it returns to user space from a system call, a
106    user space IRQ, or a signal.  It's useful in the following cases:
107
108    a) Patching I/O-bound user tasks which are sleeping on an affected
109       function.  In this case you have to send SIGSTOP and SIGCONT to
110       force it to exit the kernel and be patched.
111    b) Patching CPU-bound user tasks.  If the task is highly CPU-bound
112       then it will get patched the next time it gets interrupted by an
113       IRQ.
114
115 3. For idle "swapper" tasks, since they don't ever exit the kernel, they
116    instead have a klp_update_patch_state() call in the idle loop which
117    allows them to be patched before the CPU enters the idle state.
118
119    (Note there's not yet such an approach for kthreads.)
120
121 Architectures which don't have HAVE_RELIABLE_STACKTRACE solely rely on
122 the second approach. It's highly likely that some tasks may still be
123 running with an old version of the function, until that function
124 returns. In this case you would have to signal the tasks. This
125 especially applies to kthreads. They may not be woken up and would need
126 to be forced. See below for more information.
127
128 Unless we can come up with another way to patch kthreads, architectures
129 without HAVE_RELIABLE_STACKTRACE are not considered fully supported by
130 the kernel livepatching.
131
132 The /sys/kernel/livepatch/<patch>/transition file shows whether a patch
133 is in transition.  Only a single patch can be in transition at a given
134 time.  A patch can remain in transition indefinitely, if any of the tasks
135 are stuck in the initial patch state.
136
137 A transition can be reversed and effectively canceled by writing the
138 opposite value to the /sys/kernel/livepatch/<patch>/enabled file while
139 the transition is in progress.  Then all the tasks will attempt to
140 converge back to the original patch state.
141
142 There's also a /proc/<pid>/patch_state file which can be used to
143 determine which tasks are blocking completion of a patching operation.
144 If a patch is in transition, this file shows 0 to indicate the task is
145 unpatched and 1 to indicate it's patched.  Otherwise, if no patch is in
146 transition, it shows -1.  Any tasks which are blocking the transition
147 can be signaled with SIGSTOP and SIGCONT to force them to change their
148 patched state. This may be harmful to the system though. Sending a fake signal
149 to all remaining blocking tasks is a better alternative. No proper signal is
150 actually delivered (there is no data in signal pending structures). Tasks are
151 interrupted or woken up, and forced to change their patched state. The fake
152 signal is automatically sent every 15 seconds.
153
154 Administrator can also affect a transition through
155 /sys/kernel/livepatch/<patch>/force attribute. Writing 1 there clears
156 TIF_PATCH_PENDING flag of all tasks and thus forces the tasks to the patched
157 state. Important note! The force attribute is intended for cases when the
158 transition gets stuck for a long time because of a blocking task. Administrator
159 is expected to collect all necessary data (namely stack traces of such blocking
160 tasks) and request a clearance from a patch distributor to force the transition.
161 Unauthorized usage may cause harm to the system. It depends on the nature of the
162 patch, which functions are (un)patched, and which functions the blocking tasks
163 are sleeping in (/proc/<pid>/stack may help here). Removal (rmmod) of patch
164 modules is permanently disabled when the force feature is used. It cannot be
165 guaranteed there is no task sleeping in such module. It implies unbounded
166 reference count if a patch module is disabled and enabled in a loop.
167
168 Moreover, the usage of force may also affect future applications of live
169 patches and cause even more harm to the system. Administrator should first
170 consider to simply cancel a transition (see above). If force is used, reboot
171 should be planned and no more live patches applied.
172
173 3.1 Adding consistency model support to new architectures
174 ---------------------------------------------------------
175
176 For adding consistency model support to new architectures, there are a
177 few options:
178
179 1) Add CONFIG_HAVE_RELIABLE_STACKTRACE.  This means porting objtool, and
180    for non-DWARF unwinders, also making sure there's a way for the stack
181    tracing code to detect interrupts on the stack.
182
183 2) Alternatively, ensure that every kthread has a call to
184    klp_update_patch_state() in a safe location.  Kthreads are typically
185    in an infinite loop which does some action repeatedly.  The safe
186    location to switch the kthread's patch state would be at a designated
187    point in the loop where there are no locks taken and all data
188    structures are in a well-defined state.
189
190    The location is clear when using workqueues or the kthread worker
191    API.  These kthreads process independent actions in a generic loop.
192
193    It's much more complicated with kthreads which have a custom loop.
194    There the safe location must be carefully selected on a case-by-case
195    basis.
196
197    In that case, arches without HAVE_RELIABLE_STACKTRACE would still be
198    able to use the non-stack-checking parts of the consistency model:
199
200    a) patching user tasks when they cross the kernel/user space
201       boundary; and
202
203    b) patching kthreads and idle tasks at their designated patch points.
204
205    This option isn't as good as option 1 because it requires signaling
206    user tasks and waking kthreads to patch them.  But it could still be
207    a good backup option for those architectures which don't have
208    reliable stack traces yet.
209
210
211 4. Livepatch module
212 ===================
213
214 Livepatches are distributed using kernel modules, see
215 samples/livepatch/livepatch-sample.c.
216
217 The module includes a new implementation of functions that we want
218 to replace. In addition, it defines some structures describing the
219 relation between the original and the new implementation. Then there
220 is code that makes the kernel start using the new code when the livepatch
221 module is loaded. Also there is code that cleans up before the
222 livepatch module is removed. All this is explained in more details in
223 the next sections.
224
225
226 4.1. New functions
227 ------------------
228
229 New versions of functions are typically just copied from the original
230 sources. A good practice is to add a prefix to the names so that they
231 can be distinguished from the original ones, e.g. in a backtrace. Also
232 they can be declared as static because they are not called directly
233 and do not need the global visibility.
234
235 The patch contains only functions that are really modified. But they
236 might want to access functions or data from the original source file
237 that may only be locally accessible. This can be solved by a special
238 relocation section in the generated livepatch module, see
239 Documentation/livepatch/module-elf-format.rst for more details.
240
241
242 4.2. Metadata
243 -------------
244
245 The patch is described by several structures that split the information
246 into three levels:
247
248   - struct klp_func is defined for each patched function. It describes
249     the relation between the original and the new implementation of a
250     particular function.
251
252     The structure includes the name, as a string, of the original function.
253     The function address is found via kallsyms at runtime.
254
255     Then it includes the address of the new function. It is defined
256     directly by assigning the function pointer. Note that the new
257     function is typically defined in the same source file.
258
259     As an optional parameter, the symbol position in the kallsyms database can
260     be used to disambiguate functions of the same name. This is not the
261     absolute position in the database, but rather the order it has been found
262     only for a particular object ( vmlinux or a kernel module ). Note that
263     kallsyms allows for searching symbols according to the object name.
264
265   - struct klp_object defines an array of patched functions (struct
266     klp_func) in the same object. Where the object is either vmlinux
267     (NULL) or a module name.
268
269     The structure helps to group and handle functions for each object
270     together. Note that patched modules might be loaded later than
271     the patch itself and the relevant functions might be patched
272     only when they are available.
273
274
275   - struct klp_patch defines an array of patched objects (struct
276     klp_object).
277
278     This structure handles all patched functions consistently and eventually,
279     synchronously. The whole patch is applied only when all patched
280     symbols are found. The only exception are symbols from objects
281     (kernel modules) that have not been loaded yet.
282
283     For more details on how the patch is applied on a per-task basis,
284     see the "Consistency model" section.
285
286
287 5. Livepatch life-cycle
288 =======================
289
290 Livepatching can be described by five basic operations:
291 loading, enabling, replacing, disabling, removing.
292
293 Where the replacing and the disabling operations are mutually
294 exclusive. They have the same result for the given patch but
295 not for the system.
296
297
298 5.1. Loading
299 ------------
300
301 The only reasonable way is to enable the patch when the livepatch kernel
302 module is being loaded. For this, klp_enable_patch() has to be called
303 in the module_init() callback. There are two main reasons:
304
305 First, only the module has an easy access to the related struct klp_patch.
306
307 Second, the error code might be used to refuse loading the module when
308 the patch cannot get enabled.
309
310
311 5.2. Enabling
312 -------------
313
314 The livepatch gets enabled by calling klp_enable_patch() from
315 the module_init() callback. The system will start using the new
316 implementation of the patched functions at this stage.
317
318 First, the addresses of the patched functions are found according to their
319 names. The special relocations, mentioned in the section "New functions",
320 are applied. The relevant entries are created under
321 /sys/kernel/livepatch/<name>. The patch is rejected when any above
322 operation fails.
323
324 Second, livepatch enters into a transition state where tasks are converging
325 to the patched state. If an original function is patched for the first
326 time, a function specific struct klp_ops is created and an universal
327 ftrace handler is registered\ [#]_. This stage is indicated by a value of '1'
328 in /sys/kernel/livepatch/<name>/transition. For more information about
329 this process, see the "Consistency model" section.
330
331 Finally, once all tasks have been patched, the 'transition' value changes
332 to '0'.
333
334 .. [#]
335
336     Note that functions might be patched multiple times. The ftrace handler
337     is registered only once for a given function. Further patches just add
338     an entry to the list (see field `func_stack`) of the struct klp_ops.
339     The right implementation is selected by the ftrace handler, see
340     the "Consistency model" section.
341
342     That said, it is highly recommended to use cumulative livepatches
343     because they help keeping the consistency of all changes. In this case,
344     functions might be patched two times only during the transition period.
345
346
347 5.3. Replacing
348 --------------
349
350 All enabled patches might get replaced by a cumulative patch that
351 has the .replace flag set.
352
353 Once the new patch is enabled and the 'transition' finishes then
354 all the functions (struct klp_func) associated with the replaced
355 patches are removed from the corresponding struct klp_ops. Also
356 the ftrace handler is unregistered and the struct klp_ops is
357 freed when the related function is not modified by the new patch
358 and func_stack list becomes empty.
359
360 See Documentation/livepatch/cumulative-patches.rst for more details.
361
362
363 5.4. Disabling
364 --------------
365
366 Enabled patches might get disabled by writing '0' to
367 /sys/kernel/livepatch/<name>/enabled.
368
369 First, livepatch enters into a transition state where tasks are converging
370 to the unpatched state. The system starts using either the code from
371 the previously enabled patch or even the original one. This stage is
372 indicated by a value of '1' in /sys/kernel/livepatch/<name>/transition.
373 For more information about this process, see the "Consistency model"
374 section.
375
376 Second, once all tasks have been unpatched, the 'transition' value changes
377 to '0'. All the functions (struct klp_func) associated with the to-be-disabled
378 patch are removed from the corresponding struct klp_ops. The ftrace handler
379 is unregistered and the struct klp_ops is freed when the func_stack list
380 becomes empty.
381
382 Third, the sysfs interface is destroyed.
383
384
385 5.5. Removing
386 -------------
387
388 Module removal is only safe when there are no users of functions provided
389 by the module. This is the reason why the force feature permanently
390 disables the removal. Only when the system is successfully transitioned
391 to a new patch state (patched/unpatched) without being forced it is
392 guaranteed that no task sleeps or runs in the old code.
393
394
395 6. Sysfs
396 ========
397
398 Information about the registered patches can be found under
399 /sys/kernel/livepatch. The patches could be enabled and disabled
400 by writing there.
401
402 /sys/kernel/livepatch/<patch>/force attributes allow administrator to affect a
403 patching operation.
404
405 See Documentation/ABI/testing/sysfs-kernel-livepatch for more details.
406
407
408 7. Limitations
409 ==============
410
411 The current Livepatch implementation has several limitations:
412
413   - Only functions that can be traced could be patched.
414
415     Livepatch is based on the dynamic ftrace. In particular, functions
416     implementing ftrace or the livepatch ftrace handler could not be
417     patched. Otherwise, the code would end up in an infinite loop. A
418     potential mistake is prevented by marking the problematic functions
419     by "notrace".
420
421
422
423   - Livepatch works reliably only when the dynamic ftrace is located at
424     the very beginning of the function.
425
426     The function need to be redirected before the stack or the function
427     parameters are modified in any way. For example, livepatch requires
428     using -fentry gcc compiler option on x86_64.
429
430     One exception is the PPC port. It uses relative addressing and TOC.
431     Each function has to handle TOC and save LR before it could call
432     the ftrace handler. This operation has to be reverted on return.
433     Fortunately, the generic ftrace code has the same problem and all
434     this is handled on the ftrace level.
435
436
437   - Kretprobes using the ftrace framework conflict with the patched
438     functions.
439
440     Both kretprobes and livepatches use a ftrace handler that modifies
441     the return address. The first user wins. Either the probe or the patch
442     is rejected when the handler is already in use by the other.
443
444
445   - Kprobes in the original function are ignored when the code is
446     redirected to the new implementation.
447
448     There is a work in progress to add warnings about this situation.