Documentation/virt/kvm/locking.rst

   1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2
   3 =================
   4 KVM Lock Overview
   5 =================
   6
   7 1. Acquisition Orders
   8 ---------------------
   9
  10 The acquisition orders for mutexes are as follows:
  11
  12 - kvm->lock is taken outside vcpu->mutex
  13
  14 - kvm->lock is taken outside kvm->slots_lock and kvm->irq_lock
  15
  16 - kvm->slots_lock is taken outside kvm->irq_lock, though acquiring
  17   them together is quite rare.
  18
  19 - Unlike kvm->slots_lock, kvm->slots_arch_lock is released before
  20   synchronize_srcu(&kvm->srcu).  Therefore kvm->slots_arch_lock
  21   can be taken inside a kvm->srcu read-side critical section,
  22   while kvm->slots_lock cannot.
  23
  24 - kvm->mn_active_invalidate_count ensures that pairs of
  25   invalidate_range_start() and invalidate_range_end() callbacks
  26   use the same memslots array.  kvm->slots_lock and kvm->slots_arch_lock
  27   are taken on the waiting side in install_new_memslots, so MMU notifiers
  28   must not take either kvm->slots_lock or kvm->slots_arch_lock.
  29
  30 On x86:
  31
  32 - vcpu->mutex is taken outside kvm->arch.hyperv.hv_lock
  33
  34 - kvm->arch.mmu_lock is an rwlock.  kvm->arch.tdp_mmu_pages_lock and
  35   kvm->arch.mmu_unsync_pages_lock are taken inside kvm->arch.mmu_lock, and
  36   cannot be taken without already holding kvm->arch.mmu_lock (typically with
  37   ``read_lock`` for the TDP MMU, thus the need for additional spinlocks).
  38
  39 Everything else is a leaf: no other lock is taken inside the critical
  40 sections.
  41
  42 2. Exception
  43 ------------
  44
  45 Fast page fault:
  46
  47 Fast page fault is the fast path which fixes the guest page fault out of
  48 the mmu-lock on x86. Currently, the page fault can be fast in one of the
  49 following two cases:
  50
  51 1. Access Tracking: The SPTE is not present, but it is marked for access
  52    tracking. That means we need to restore the saved R/X bits. This is
  53    described in more detail later below.
  54
  55 2. Write-Protection: The SPTE is present and the fault is caused by
  56    write-protect. That means we just need to change the W bit of the spte.
  57
  58 What we use to avoid all the race is the Host-writable bit and MMU-writable bit
  59 on the spte:
  60
  61 - Host-writable means the gfn is writable in the host kernel page tables and in
  62   its KVM memslot.
  63 - MMU-writable means the gfn is writable in the guest's mmu and it is not
  64   write-protected by shadow page write-protection.
  65
  66 On fast page fault path, we will use cmpxchg to atomically set the spte W
  67 bit if spte.HOST_WRITEABLE = 1 and spte.WRITE_PROTECT = 1, to restore the saved
  68 R/X bits if for an access-traced spte, or both. This is safe because whenever
  69 changing these bits can be detected by cmpxchg.
  70
  71 But we need carefully check these cases:
  72
  73 1) The mapping from gfn to pfn
  74
  75 The mapping from gfn to pfn may be changed since we can only ensure the pfn
  76 is not changed during cmpxchg. This is a ABA problem, for example, below case
  77 will happen:
  78
  79 +------------------------------------------------------------------------+
  80 | At the beginning::                                                     |
  81 |                                                                        |
  82 |       gpte = gfn1                                                      |
  83 |       gfn1 is mapped to pfn1 on host                                   |
  84 |       spte is the shadow page table entry corresponding with gpte and  |
  85 |       spte = pfn1                                                      |
  86 +------------------------------------------------------------------------+
  87 | On fast page fault path:                                               |
  88 +------------------------------------+-----------------------------------+
  89 | CPU 0:                             | CPU 1:                            |
  90 +------------------------------------+-----------------------------------+
  91 | ::                                 |                                   |
  92 |                                    |                                   |
  93 |   old_spte = *spte;                |                                   |
  94 +------------------------------------+-----------------------------------+
  95 |                                    | pfn1 is swapped out::             |
  96 |                                    |                                   |
  97 |                                    |    spte = 0;                      |
  98 |                                    |                                   |
  99 |                                    | pfn1 is re-alloced for gfn2.      |
 100 |                                    |                                   |
 101 |                                    | gpte is changed to point to       |
 102 |                                    | gfn2 by the guest::               |
 103 |                                    |                                   |
 104 |                                    |    spte = pfn1;                   |
 105 +------------------------------------+-----------------------------------+
 106 | ::                                                                     |
 107 |                                                                        |
 108 |   if (cmpxchg(spte, old_spte, old_spte+W)                              |
 109 |       mark_page_dirty(vcpu->kvm, gfn1)                                 |
 110 |            OOPS!!!                                                     |
 111 +------------------------------------------------------------------------+
 112
 113 We dirty-log for gfn1, that means gfn2 is lost in dirty-bitmap.
 114
 115 For direct sp, we can easily avoid it since the spte of direct sp is fixed
 116 to gfn.  For indirect sp, we disabled fast page fault for simplicity.
 117
 118 A solution for indirect sp could be to pin the gfn, for example via
 119 kvm_vcpu_gfn_to_pfn_atomic, before the cmpxchg.  After the pinning:
 120
 121 - We have held the refcount of pfn that means the pfn can not be freed and
 122   be reused for another gfn.
 123 - The pfn is writable and therefore it cannot be shared between different gfns
 124   by KSM.
 125
 126 Then, we can ensure the dirty bitmaps is correctly set for a gfn.
 127
 128 2) Dirty bit tracking
 129
 130 In the origin code, the spte can be fast updated (non-atomically) if the
 131 spte is read-only and the Accessed bit has already been set since the
 132 Accessed bit and Dirty bit can not be lost.
 133
 134 But it is not true after fast page fault since the spte can be marked
 135 writable between reading spte and updating spte. Like below case:
 136
 137 +------------------------------------------------------------------------+
 138 | At the beginning::                                                     |
 139 |                                                                        |
 140 |       spte.W = 0                                                       |
 141 |       spte.Accessed = 1                                                |
 142 +------------------------------------+-----------------------------------+
 143 | CPU 0:                             | CPU 1:                            |
 144 +------------------------------------+-----------------------------------+
 145 | In mmu_spte_clear_track_bits()::   |                                   |
 146 |                                    |                                   |
 147 |  old_spte = *spte;                 |                                   |
 148 |                                    |                                   |
 149 |                                    |                                   |
 150 |  /* 'if' condition is satisfied. */|                                   |
 151 |  if (old_spte.Accessed == 1 &&     |                                   |
 152 |       old_spte.W == 0)             |                                   |
 153 |     spte = 0ull;                   |                                   |
 154 +------------------------------------+-----------------------------------+
 155 |                                    | on fast page fault path::         |
 156 |                                    |                                   |
 157 |                                    |    spte.W = 1                     |
 158 |                                    |                                   |
 159 |                                    | memory write on the spte::        |
 160 |                                    |                                   |
 161 |                                    |    spte.Dirty = 1                 |
 162 +------------------------------------+-----------------------------------+
 163 |  ::                                |                                   |
 164 |                                    |                                   |
 165 |   else                             |                                   |
 166 |     old_spte = xchg(spte, 0ull)    |                                   |
 167 |   if (old_spte.Accessed == 1)      |                                   |
 168 |     kvm_set_pfn_accessed(spte.pfn);|                                   |
 169 |   if (old_spte.Dirty == 1)         |                                   |
 170 |     kvm_set_pfn_dirty(spte.pfn);   |                                   |
 171 |     OOPS!!!                        |                                   |
 172 +------------------------------------+-----------------------------------+
 173
 174 The Dirty bit is lost in this case.
 175
 176 In order to avoid this kind of issue, we always treat the spte as "volatile"
 177 if it can be updated out of mmu-lock, see spte_has_volatile_bits(), it means,
 178 the spte is always atomically updated in this case.
 179
 180 3) flush tlbs due to spte updated
 181
 182 If the spte is updated from writable to readonly, we should flush all TLBs,
 183 otherwise rmap_write_protect will find a read-only spte, even though the
 184 writable spte might be cached on a CPU's TLB.
 185
 186 As mentioned before, the spte can be updated to writable out of mmu-lock on
 187 fast page fault path, in order to easily audit the path, we see if TLBs need
 188 be flushed caused by this reason in mmu_spte_update() since this is a common
 189 function to update spte (present -> present).
 190
 191 Since the spte is "volatile" if it can be updated out of mmu-lock, we always
 192 atomically update the spte, the race caused by fast page fault can be avoided,
 193 See the comments in spte_has_volatile_bits() and mmu_spte_update().
 194
 195 Lockless Access Tracking:
 196
 197 This is used for Intel CPUs that are using EPT but do not support the EPT A/D
 198 bits. In this case, PTEs are tagged as A/D disabled (using ignored bits), and
 199 when the KVM MMU notifier is called to track accesses to a page (via
 200 kvm_mmu_notifier_clear_flush_young), it marks the PTE not-present in hardware
 201 by clearing the RWX bits in the PTE and storing the original R & X bits in more
 202 unused/ignored bits. When the VM tries to access the page later on, a fault is
 203 generated and the fast page fault mechanism described above is used to
 204 atomically restore the PTE to a Present state. The W bit is not saved when the
 205 PTE is marked for access tracking and during restoration to the Present state,
 206 the W bit is set depending on whether or not it was a write access. If it
 207 wasn't, then the W bit will remain clear until a write access happens, at which
 208 time it will be set using the Dirty tracking mechanism described above.
 209
 210 3. Reference
 211 ------------
 212
 213 :Name:          kvm_lock
 214 :Type:          mutex
 215 :Arch:          any
 216 :Protects:      - vm_list
 217
 218 :Name:          kvm_count_lock
 219 :Type:          raw_spinlock_t
 220 :Arch:          any
 221 :Protects:      - hardware virtualization enable/disable
 222 :Comment:       'raw' because hardware enabling/disabling must be atomic /wrt
 223                 migration.
 224
 225 :Name:          kvm_arch::tsc_write_lock
 226 :Type:          raw_spinlock
 227 :Arch:          x86
 228 :Protects:      - kvm_arch::{last_tsc_write,last_tsc_nsec,last_tsc_offset}
 229                 - tsc offset in vmcb
 230 :Comment:       'raw' because updating the tsc offsets must not be preempted.
 231
 232 :Name:          kvm->mmu_lock
 233 :Type:          spinlock_t
 234 :Arch:          any
 235 :Protects:      -shadow page/shadow tlb entry
 236 :Comment:       it is a spinlock since it is used in mmu notifier.
 237
 238 :Name:          kvm->srcu
 239 :Type:          srcu lock
 240 :Arch:          any
 241 :Protects:      - kvm->memslots
 242                 - kvm->buses
 243 :Comment:       The srcu read lock must be held while accessing memslots (e.g.
 244                 when using gfn_to_* functions) and while accessing in-kernel
 245                 MMIO/PIO address->device structure mapping (kvm->buses).
 246                 The srcu index can be stored in kvm_vcpu->srcu_idx per vcpu
 247                 if it is needed by multiple functions.
 248
 249 :Name:          blocked_vcpu_on_cpu_lock
 250 :Type:          spinlock_t
 251 :Arch:          x86
 252 :Protects:      blocked_vcpu_on_cpu
 253 :Comment:       This is a per-CPU lock and it is used for VT-d posted-interrupts.
 254                 When VT-d posted-interrupts is supported and the VM has assigned
 255                 devices, we put the blocked vCPU on the list blocked_vcpu_on_cpu
 256                 protected by blocked_vcpu_on_cpu_lock, when VT-d hardware issues
 257                 wakeup notification event since external interrupts from the
 258                 assigned devices happens, we will find the vCPU on the list to
 259                 wakeup.