Documentation/virt/kvm/vcpu-requests.rst

   1 =================
   2 KVM VCPU Requests
   3 =================
   4
   5 Overview
   6 ========
   7
   8 KVM supports an internal API enabling threads to request a VCPU thread to
   9 perform some activity.  For example, a thread may request a VCPU to flush
  10 its TLB with a VCPU request.  The API consists of the following functions::
  11
  12   /* Check if any requests are pending for VCPU @vcpu. */
  13   bool kvm_request_pending(struct kvm_vcpu *vcpu);
  14
  15   /* Check if VCPU @vcpu has request @req pending. */
  16   bool kvm_test_request(int req, struct kvm_vcpu *vcpu);
  17
  18   /* Clear request @req for VCPU @vcpu. */
  19   void kvm_clear_request(int req, struct kvm_vcpu *vcpu);
  20
  21   /*
  22    * Check if VCPU @vcpu has request @req pending. When the request is
  23    * pending it will be cleared and a memory barrier, which pairs with
  24    * another in kvm_make_request(), will be issued.
  25    */
  26   bool kvm_check_request(int req, struct kvm_vcpu *vcpu);
  27
  28   /*
  29    * Make request @req of VCPU @vcpu. Issues a memory barrier, which pairs
  30    * with another in kvm_check_request(), prior to setting the request.
  31    */
  32   void kvm_make_request(int req, struct kvm_vcpu *vcpu);
  33
  34   /* Make request @req of all VCPUs of the VM with struct kvm @kvm. */
  35   bool kvm_make_all_cpus_request(struct kvm *kvm, unsigned int req);
  36
  37 Typically a requester wants the VCPU to perform the activity as soon
  38 as possible after making the request.  This means most requests
  39 (kvm_make_request() calls) are followed by a call to kvm_vcpu_kick(),
  40 and kvm_make_all_cpus_request() has the kicking of all VCPUs built
  41 into it.
  42
  43 VCPU Kicks
  44 ----------
  45
  46 The goal of a VCPU kick is to bring a VCPU thread out of guest mode in
  47 order to perform some KVM maintenance.  To do so, an IPI is sent, forcing
  48 a guest mode exit.  However, a VCPU thread may not be in guest mode at the
  49 time of the kick.  Therefore, depending on the mode and state of the VCPU
  50 thread, there are two other actions a kick may take.  All three actions
  51 are listed below:
  52
  53 1) Send an IPI.  This forces a guest mode exit.
  54 2) Waking a sleeping VCPU.  Sleeping VCPUs are VCPU threads outside guest
  55    mode that wait on waitqueues.  Waking them removes the threads from
  56    the waitqueues, allowing the threads to run again.  This behavior
  57    may be suppressed, see KVM_REQUEST_NO_WAKEUP below.
  58 3) Nothing.  When the VCPU is not in guest mode and the VCPU thread is not
  59    sleeping, then there is nothing to do.
  60
  61 VCPU Mode
  62 ---------
  63
  64 VCPUs have a mode state, ``vcpu->mode``, that is used to track whether the
  65 guest is running in guest mode or not, as well as some specific
  66 outside guest mode states.  The architecture may use ``vcpu->mode`` to
  67 ensure VCPU requests are seen by VCPUs (see "Ensuring Requests Are Seen"),
  68 as well as to avoid sending unnecessary IPIs (see "IPI Reduction"), and
  69 even to ensure IPI acknowledgements are waited upon (see "Waiting for
  70 Acknowledgements").  The following modes are defined:
  71
  72 OUTSIDE_GUEST_MODE
  73
  74   The VCPU thread is outside guest mode.
  75
  76 IN_GUEST_MODE
  77
  78   The VCPU thread is in guest mode.
  79
  80 EXITING_GUEST_MODE
  81
  82   The VCPU thread is transitioning from IN_GUEST_MODE to
  83   OUTSIDE_GUEST_MODE.
  84
  85 READING_SHADOW_PAGE_TABLES
  86
  87   The VCPU thread is outside guest mode, but it wants the sender of
  88   certain VCPU requests, namely KVM_REQ_TLB_FLUSH, to wait until the VCPU
  89   thread is done reading the page tables.
  90
  91 VCPU Request Internals
  92 ======================
  93
  94 VCPU requests are simply bit indices of the ``vcpu->requests`` bitmap.
  95 This means general bitops, like those documented in [atomic-ops]_ could
  96 also be used, e.g. ::
  97
  98   clear_bit(KVM_REQ_UNHALT & KVM_REQUEST_MASK, &vcpu->requests);
  99
 100 However, VCPU request users should refrain from doing so, as it would
 101 break the abstraction.  The first 8 bits are reserved for architecture
 102 independent requests, all additional bits are available for architecture
 103 dependent requests.
 104
 105 Architecture Independent Requests
 106 ---------------------------------
 107
 108 KVM_REQ_TLB_FLUSH
 109
 110   KVM's common MMU notifier may need to flush all of a guest's TLB
 111   entries, calling kvm_flush_remote_tlbs() to do so.  Architectures that
 112   choose to use the common kvm_flush_remote_tlbs() implementation will
 113   need to handle this VCPU request.
 114
 115 KVM_REQ_MMU_RELOAD
 116
 117   When shadow page tables are used and memory slots are removed it's
 118   necessary to inform each VCPU to completely refresh the tables.  This
 119   request is used for that.
 120
 121 KVM_REQ_UNBLOCK
 122
 123   This request informs the vCPU to exit kvm_vcpu_block.  It is used for
 124   example from timer handlers that run on the host on behalf of a vCPU,
 125   or in order to update the interrupt routing and ensure that assigned
 126   devices will wake up the vCPU.
 127
 128 KVM_REQ_UNHALT
 129
 130   This request may be made from the KVM common function kvm_vcpu_block(),
 131   which is used to emulate an instruction that causes a CPU to halt until
 132   one of an architectural specific set of events and/or interrupts is
 133   received (determined by checking kvm_arch_vcpu_runnable()).  When that
 134   event or interrupt arrives kvm_vcpu_block() makes the request.  This is
 135   in contrast to when kvm_vcpu_block() returns due to any other reason,
 136   such as a pending signal, which does not indicate the VCPU's halt
 137   emulation should stop, and therefore does not make the request.
 138
 139 KVM_REQUEST_MASK
 140 ----------------
 141
 142 VCPU requests should be masked by KVM_REQUEST_MASK before using them with
 143 bitops.  This is because only the lower 8 bits are used to represent the
 144 request's number.  The upper bits are used as flags.  Currently only two
 145 flags are defined.
 146
 147 VCPU Request Flags
 148 ------------------
 149
 150 KVM_REQUEST_NO_WAKEUP
 151
 152   This flag is applied to requests that only need immediate attention
 153   from VCPUs running in guest mode.  That is, sleeping VCPUs do not need
 154   to be awaken for these requests.  Sleeping VCPUs will handle the
 155   requests when they are awaken later for some other reason.
 156
 157 KVM_REQUEST_WAIT
 158
 159   When requests with this flag are made with kvm_make_all_cpus_request(),
 160   then the caller will wait for each VCPU to acknowledge its IPI before
 161   proceeding.  This flag only applies to VCPUs that would receive IPIs.
 162   If, for example, the VCPU is sleeping, so no IPI is necessary, then
 163   the requesting thread does not wait.  This means that this flag may be
 164   safely combined with KVM_REQUEST_NO_WAKEUP.  See "Waiting for
 165   Acknowledgements" for more information about requests with
 166   KVM_REQUEST_WAIT.
 167
 168 VCPU Requests with Associated State
 169 ===================================
 170
 171 Requesters that want the receiving VCPU to handle new state need to ensure
 172 the newly written state is observable to the receiving VCPU thread's CPU
 173 by the time it observes the request.  This means a write memory barrier
 174 must be inserted after writing the new state and before setting the VCPU
 175 request bit.  Additionally, on the receiving VCPU thread's side, a
 176 corresponding read barrier must be inserted after reading the request bit
 177 and before proceeding to read the new state associated with it.  See
 178 scenario 3, Message and Flag, of [lwn-mb]_ and the kernel documentation
 179 [memory-barriers]_.
 180
 181 The pair of functions, kvm_check_request() and kvm_make_request(), provide
 182 the memory barriers, allowing this requirement to be handled internally by
 183 the API.
 184
 185 Ensuring Requests Are Seen
 186 ==========================
 187
 188 When making requests to VCPUs, we want to avoid the receiving VCPU
 189 executing in guest mode for an arbitrary long time without handling the
 190 request.  We can be sure this won't happen as long as we ensure the VCPU
 191 thread checks kvm_request_pending() before entering guest mode and that a
 192 kick will send an IPI to force an exit from guest mode when necessary.
 193 Extra care must be taken to cover the period after the VCPU thread's last
 194 kvm_request_pending() check and before it has entered guest mode, as kick
 195 IPIs will only trigger guest mode exits for VCPU threads that are in guest
 196 mode or at least have already disabled interrupts in order to prepare to
 197 enter guest mode.  This means that an optimized implementation (see "IPI
 198 Reduction") must be certain when it's safe to not send the IPI.  One
 199 solution, which all architectures except s390 apply, is to:
 200
 201 - set ``vcpu->mode`` to IN_GUEST_MODE between disabling the interrupts and
 202   the last kvm_request_pending() check;
 203 - enable interrupts atomically when entering the guest.
 204
 205 This solution also requires memory barriers to be placed carefully in both
 206 the requesting thread and the receiving VCPU.  With the memory barriers we
 207 can exclude the possibility of a VCPU thread observing
 208 !kvm_request_pending() on its last check and then not receiving an IPI for
 209 the next request made of it, even if the request is made immediately after
 210 the check.  This is done by way of the Dekker memory barrier pattern
 211 (scenario 10 of [lwn-mb]_).  As the Dekker pattern requires two variables,
 212 this solution pairs ``vcpu->mode`` with ``vcpu->requests``.  Substituting
 213 them into the pattern gives::
 214
 215   CPU1                                    CPU2
 216   =================                       =================
 217   local_irq_disable();
 218   WRITE_ONCE(vcpu->mode, IN_GUEST_MODE);  kvm_make_request(REQ, vcpu);
 219   smp_mb();                               smp_mb();
 220   if (kvm_request_pending(vcpu)) {        if (READ_ONCE(vcpu->mode) ==
 221                                               IN_GUEST_MODE) {
 222       ...abort guest entry...                 ...send IPI...
 223   }                                       }
 224
 225 As stated above, the IPI is only useful for VCPU threads in guest mode or
 226 that have already disabled interrupts.  This is why this specific case of
 227 the Dekker pattern has been extended to disable interrupts before setting
 228 ``vcpu->mode`` to IN_GUEST_MODE.  WRITE_ONCE() and READ_ONCE() are used to
 229 pedantically implement the memory barrier pattern, guaranteeing the
 230 compiler doesn't interfere with ``vcpu->mode``'s carefully planned
 231 accesses.
 232
 233 IPI Reduction
 234 -------------
 235
 236 As only one IPI is needed to get a VCPU to check for any/all requests,
 237 then they may be coalesced.  This is easily done by having the first IPI
 238 sending kick also change the VCPU mode to something !IN_GUEST_MODE.  The
 239 transitional state, EXITING_GUEST_MODE, is used for this purpose.
 240
 241 Waiting for Acknowledgements
 242 ----------------------------
 243
 244 Some requests, those with the KVM_REQUEST_WAIT flag set, require IPIs to
 245 be sent, and the acknowledgements to be waited upon, even when the target
 246 VCPU threads are in modes other than IN_GUEST_MODE.  For example, one case
 247 is when a target VCPU thread is in READING_SHADOW_PAGE_TABLES mode, which
 248 is set after disabling interrupts.  To support these cases, the
 249 KVM_REQUEST_WAIT flag changes the condition for sending an IPI from
 250 checking that the VCPU is IN_GUEST_MODE to checking that it is not
 251 OUTSIDE_GUEST_MODE.
 252
 253 Request-less VCPU Kicks
 254 -----------------------
 255
 256 As the determination of whether or not to send an IPI depends on the
 257 two-variable Dekker memory barrier pattern, then it's clear that
 258 request-less VCPU kicks are almost never correct.  Without the assurance
 259 that a non-IPI generating kick will still result in an action by the
 260 receiving VCPU, as the final kvm_request_pending() check does for
 261 request-accompanying kicks, then the kick may not do anything useful at
 262 all.  If, for instance, a request-less kick was made to a VCPU that was
 263 just about to set its mode to IN_GUEST_MODE, meaning no IPI is sent, then
 264 the VCPU thread may continue its entry without actually having done
 265 whatever it was the kick was meant to initiate.
 266
 267 One exception is x86's posted interrupt mechanism.  In this case, however,
 268 even the request-less VCPU kick is coupled with the same
 269 local_irq_disable() + smp_mb() pattern described above; the ON bit
 270 (Outstanding Notification) in the posted interrupt descriptor takes the
 271 role of ``vcpu->requests``.  When sending a posted interrupt, PIR.ON is
 272 set before reading ``vcpu->mode``; dually, in the VCPU thread,
 273 vmx_sync_pir_to_irr() reads PIR after setting ``vcpu->mode`` to
 274 IN_GUEST_MODE.
 275
 276 Additional Considerations
 277 =========================
 278
 279 Sleeping VCPUs
 280 --------------
 281
 282 VCPU threads may need to consider requests before and/or after calling
 283 functions that may put them to sleep, e.g. kvm_vcpu_block().  Whether they
 284 do or not, and, if they do, which requests need consideration, is
 285 architecture dependent.  kvm_vcpu_block() calls kvm_arch_vcpu_runnable()
 286 to check if it should awaken.  One reason to do so is to provide
 287 architectures a function where requests may be checked if necessary.
 288
 289 Clearing Requests
 290 -----------------
 291
 292 Generally it only makes sense for the receiving VCPU thread to clear a
 293 request.  However, in some circumstances, such as when the requesting
 294 thread and the receiving VCPU thread are executed serially, such as when
 295 they are the same thread, or when they are using some form of concurrency
 296 control to temporarily execute synchronously, then it's possible to know
 297 that the request may be cleared immediately, rather than waiting for the
 298 receiving VCPU thread to handle the request in VCPU RUN.  The only current
 299 examples of this are kvm_vcpu_block() calls made by VCPUs to block
 300 themselves.  A possible side-effect of that call is to make the
 301 KVM_REQ_UNHALT request, which may then be cleared immediately when the
 302 VCPU returns from the call.
 303
 304 References
 305 ==========
 306
 307 .. [atomic-ops] Documentation/atomic_bitops.txt and Documentation/atomic_t.txt
 308 .. [memory-barriers] Documentation/memory-barriers.txt
 309 .. [lwn-mb] https://lwn.net/Articles/573436/