arch/x86/mm/pgtable.c

   1 #include <linux/mm.h>
   2 #include <linux/gfp.h>
   3 #include <asm/pgalloc.h>
   4 #include <asm/pgtable.h>
   5 #include <asm/tlb.h>
   6 #include <asm/fixmap.h>
   7
   8 #define PGALLOC_GFP GFP_KERNEL | __GFP_NOTRACK | __GFP_REPEAT | __GFP_ZERO
   9
  10 #ifdef CONFIG_HIGHPTE
  11 #define PGALLOC_USER_GFP __GFP_HIGHMEM
  12 #else
  13 #define PGALLOC_USER_GFP 0
  14 #endif
  15
  16 gfp_t __userpte_alloc_gfp = PGALLOC_GFP | PGALLOC_USER_GFP;
  17
  18 pte_t *pte_alloc_one_kernel(struct mm_struct *mm, unsigned long address)
  19 {
  20         return (pte_t *)__get_free_page(PGALLOC_GFP);
  21 }
  22
  23 pgtable_t pte_alloc_one(struct mm_struct *mm, unsigned long address)
  24 {
  25         struct page *pte;
  26
  27         pte = alloc_pages(__userpte_alloc_gfp, 0);
  28         if (!pte)
  29                 return NULL;
  30         if (!pgtable_page_ctor(pte)) {
  31                 __free_page(pte);
  32                 return NULL;
  33         }
  34         return pte;
  35 }
  36
  37 static int __init setup_userpte(char *arg)
  38 {
  39         if (!arg)
  40                 return -EINVAL;
  41
  42         /*
  43          * "userpte=nohigh" disables allocation of user pagetables in
  44          * high memory.
  45          */
  46         if (strcmp(arg, "nohigh") == 0)
  47                 __userpte_alloc_gfp &= ~__GFP_HIGHMEM;
  48         else
  49                 return -EINVAL;
  50         return 0;
  51 }
  52 early_param("userpte", setup_userpte);
  53
  54 void ___pte_free_tlb(struct mmu_gather *tlb, struct page *pte)
  55 {
  56         pgtable_page_dtor(pte);
  57         paravirt_release_pte(page_to_pfn(pte));
  58         tlb_remove_page(tlb, pte);
  59 }
  60
  61 #if PAGETABLE_LEVELS > 2
  62 void ___pmd_free_tlb(struct mmu_gather *tlb, pmd_t *pmd)
  63 {
  64         struct page *page = virt_to_page(pmd);
  65         paravirt_release_pmd(__pa(pmd) >> PAGE_SHIFT);
  66         /*
  67          * NOTE! For PAE, any changes to the top page-directory-pointer-table
  68          * entries need a full cr3 reload to flush.
  69          */
  70 #ifdef CONFIG_X86_PAE
  71         tlb->need_flush_all = 1;
  72 #endif
  73         pgtable_pmd_page_dtor(page);
  74         tlb_remove_page(tlb, page);
  75 }
  76
  77 #if PAGETABLE_LEVELS > 3
  78 void ___pud_free_tlb(struct mmu_gather *tlb, pud_t *pud)
  79 {
  80         paravirt_release_pud(__pa(pud) >> PAGE_SHIFT);
  81         tlb_remove_page(tlb, virt_to_page(pud));
  82 }
  83 #endif  /* PAGETABLE_LEVELS > 3 */
  84 #endif  /* PAGETABLE_LEVELS > 2 */
  85
  86 static inline void pgd_list_add(pgd_t *pgd)
  87 {
  88         struct page *page = virt_to_page(pgd);
  89
  90         list_add(&page->lru, &pgd_list);
  91 }
  92
  93 static inline void pgd_list_del(pgd_t *pgd)
  94 {
  95         struct page *page = virt_to_page(pgd);
  96
  97         list_del(&page->lru);
  98 }
  99
 100 #define UNSHARED_PTRS_PER_PGD                           \
 101         (SHARED_KERNEL_PMD ? KERNEL_PGD_BOUNDARY : PTRS_PER_PGD)
 102
 103
 104 static void pgd_set_mm(pgd_t *pgd, struct mm_struct *mm)
 105 {
 106         BUILD_BUG_ON(sizeof(virt_to_page(pgd)->index) < sizeof(mm));
 107         virt_to_page(pgd)->index = (pgoff_t)mm;
 108 }
 109
 110 struct mm_struct *pgd_page_get_mm(struct page *page)
 111 {
 112         return (struct mm_struct *)page->index;
 113 }
 114
 115 static void pgd_ctor(struct mm_struct *mm, pgd_t *pgd)
 116 {
 117         /* If the pgd points to a shared pagetable level (either the
 118            ptes in non-PAE, or shared PMD in PAE), then just copy the
 119            references from swapper_pg_dir. */
 120         if (PAGETABLE_LEVELS == 2 ||
 121             (PAGETABLE_LEVELS == 3 && SHARED_KERNEL_PMD) ||
 122             PAGETABLE_LEVELS == 4) {
 123                 clone_pgd_range(pgd + KERNEL_PGD_BOUNDARY,
 124                                 swapper_pg_dir + KERNEL_PGD_BOUNDARY,
 125                                 KERNEL_PGD_PTRS);
 126         }
 127
 128         /* list required to sync kernel mapping updates */
 129         if (!SHARED_KERNEL_PMD) {
 130                 pgd_set_mm(pgd, mm);
 131                 pgd_list_add(pgd);
 132         }
 133 }
 134
 135 static void pgd_dtor(pgd_t *pgd)
 136 {
 137         if (SHARED_KERNEL_PMD)
 138                 return;
 139
 140         spin_lock(&pgd_lock);
 141         pgd_list_del(pgd);
 142         spin_unlock(&pgd_lock);
 143 }
 144
 145 /*
 146  * List of all pgd's needed for non-PAE so it can invalidate entries
 147  * in both cached and uncached pgd's; not needed for PAE since the
 148  * kernel pmd is shared. If PAE were not to share the pmd a similar
 149  * tactic would be needed. This is essentially codepath-based locking
 150  * against pageattr.c; it is the unique case in which a valid change
 151  * of kernel pagetables can't be lazily synchronized by vmalloc faults.
 152  * vmalloc faults work because attached pagetables are never freed.
 153  * -- nyc
 154  */
 155
 156 #ifdef CONFIG_X86_PAE
 157 /*
 158  * In PAE mode, we need to do a cr3 reload (=tlb flush) when
 159  * updating the top-level pagetable entries to guarantee the
 160  * processor notices the update.  Since this is expensive, and
 161  * all 4 top-level entries are used almost immediately in a
 162  * new process's life, we just pre-populate them here.
 163  *
 164  * Also, if we're in a paravirt environment where the kernel pmd is
 165  * not shared between pagetables (!SHARED_KERNEL_PMDS), we allocate
 166  * and initialize the kernel pmds here.
 167  */
 168 #define PREALLOCATED_PMDS       UNSHARED_PTRS_PER_PGD
 169
 170 void pud_populate(struct mm_struct *mm, pud_t *pudp, pmd_t *pmd)
 171 {
 172         paravirt_alloc_pmd(mm, __pa(pmd) >> PAGE_SHIFT);
 173
 174         /* Note: almost everything apart from _PAGE_PRESENT is
 175            reserved at the pmd (PDPT) level. */
 176         set_pud(pudp, __pud(__pa(pmd) | _PAGE_PRESENT));
 177
 178         /*
 179          * According to Intel App note "TLBs, Paging-Structure Caches,
 180          * and Their Invalidation", April 2007, document 317080-001,
 181          * section 8.1: in PAE mode we explicitly have to flush the
 182          * TLB via cr3 if the top-level pgd is changed...
 183          */
 184         flush_tlb_mm(mm);
 185 }
 186 #else  /* !CONFIG_X86_PAE */
 187
 188 /* No need to prepopulate any pagetable entries in non-PAE modes. */
 189 #define PREALLOCATED_PMDS       0
 190
 191 #endif  /* CONFIG_X86_PAE */
 192
 193 static void free_pmds(struct mm_struct *mm, pmd_t *pmds[])
 194 {
 195         int i;
 196
 197         for(i = 0; i < PREALLOCATED_PMDS; i++)
 198                 if (pmds[i]) {
 199                         pgtable_pmd_page_dtor(virt_to_page(pmds[i]));
 200                         free_page((unsigned long)pmds[i]);
 201                         mm_dec_nr_pmds(mm);
 202                 }
 203 }
 204
 205 static int preallocate_pmds(struct mm_struct *mm, pmd_t *pmds[])
 206 {
 207         int i;
 208         bool failed = false;
 209
 210         for(i = 0; i < PREALLOCATED_PMDS; i++) {
 211                 pmd_t *pmd = (pmd_t *)__get_free_page(PGALLOC_GFP);
 212                 if (!pmd)
 213                         failed = true;
 214                 if (pmd && !pgtable_pmd_page_ctor(virt_to_page(pmd))) {
 215                         free_page((unsigned long)pmd);
 216                         pmd = NULL;
 217                         failed = true;
 218                 }
 219                 if (pmd)
 220                         mm_inc_nr_pmds(mm);
 221                 pmds[i] = pmd;
 222         }
 223
 224         if (failed) {
 225                 free_pmds(mm, pmds);
 226                 return -ENOMEM;
 227         }
 228
 229         return 0;
 230 }
 231
 232 /*
 233  * Mop up any pmd pages which may still be attached to the pgd.
 234  * Normally they will be freed by munmap/exit_mmap, but any pmd we
 235  * preallocate which never got a corresponding vma will need to be
 236  * freed manually.
 237  */
 238 static void pgd_mop_up_pmds(struct mm_struct *mm, pgd_t *pgdp)
 239 {
 240         int i;
 241
 242         for(i = 0; i < PREALLOCATED_PMDS; i++) {
 243                 pgd_t pgd = pgdp[i];
 244
 245                 if (pgd_val(pgd) != 0) {
 246                         pmd_t *pmd = (pmd_t *)pgd_page_vaddr(pgd);
 247
 248                         pgdp[i] = native_make_pgd(0);
 249
 250                         paravirt_release_pmd(pgd_val(pgd) >> PAGE_SHIFT);
 251                         pmd_free(mm, pmd);
 252                         mm_dec_nr_pmds(mm);
 253                 }
 254         }
 255 }
 256
 257 static void pgd_prepopulate_pmd(struct mm_struct *mm, pgd_t *pgd, pmd_t *pmds[])
 258 {
 259         pud_t *pud;
 260         int i;
 261
 262         if (PREALLOCATED_PMDS == 0) /* Work around gcc-3.4.x bug */
 263                 return;
 264
 265         pud = pud_offset(pgd, 0);
 266
 267         for (i = 0; i < PREALLOCATED_PMDS; i++, pud++) {
 268                 pmd_t *pmd = pmds[i];
 269
 270                 if (i >= KERNEL_PGD_BOUNDARY)
 271                         memcpy(pmd, (pmd_t *)pgd_page_vaddr(swapper_pg_dir[i]),
 272                                sizeof(pmd_t) * PTRS_PER_PMD);
 273
 274                 pud_populate(mm, pud, pmd);
 275         }
 276 }
 277
 278 /*
 279  * Xen paravirt assumes pgd table should be in one page. 64 bit kernel also
 280  * assumes that pgd should be in one page.
 281  *
 282  * But kernel with PAE paging that is not running as a Xen domain
 283  * only needs to allocate 32 bytes for pgd instead of one page.
 284  */
 285 #ifdef CONFIG_X86_PAE
 286
 287 #include <linux/slab.h>
 288
 289 #define PGD_SIZE        (PTRS_PER_PGD * sizeof(pgd_t))
 290 #define PGD_ALIGN       32
 291
 292 static struct kmem_cache *pgd_cache;
 293
 294 static int __init pgd_cache_init(void)
 295 {
 296         /*
 297          * When PAE kernel is running as a Xen domain, it does not use
 298          * shared kernel pmd. And this requires a whole page for pgd.
 299          */
 300         if (!SHARED_KERNEL_PMD)
 301                 return 0;
 302
 303         /*
 304          * when PAE kernel is not running as a Xen domain, it uses
 305          * shared kernel pmd. Shared kernel pmd does not require a whole
 306          * page for pgd. We are able to just allocate a 32-byte for pgd.
 307          * During boot time, we create a 32-byte slab for pgd table allocation.
 308          */
 309         pgd_cache = kmem_cache_create("pgd_cache", PGD_SIZE, PGD_ALIGN,
 310                                       SLAB_PANIC, NULL);
 311         if (!pgd_cache)
 312                 return -ENOMEM;
 313
 314         return 0;
 315 }
 316 core_initcall(pgd_cache_init);
 317
 318 static inline pgd_t *_pgd_alloc(void)
 319 {
 320         /*
 321          * If no SHARED_KERNEL_PMD, PAE kernel is running as a Xen domain.
 322          * We allocate one page for pgd.
 323          */
 324         if (!SHARED_KERNEL_PMD)
 325                 return (pgd_t *)__get_free_page(PGALLOC_GFP);
 326
 327         /*
 328          * Now PAE kernel is not running as a Xen domain. We can allocate
 329          * a 32-byte slab for pgd to save memory space.
 330          */
 331         return kmem_cache_alloc(pgd_cache, PGALLOC_GFP);
 332 }
 333
 334 static inline void _pgd_free(pgd_t *pgd)
 335 {
 336         if (!SHARED_KERNEL_PMD)
 337                 free_page((unsigned long)pgd);
 338         else
 339                 kmem_cache_free(pgd_cache, pgd);
 340 }
 341 #else
 342 static inline pgd_t *_pgd_alloc(void)
 343 {
 344         return (pgd_t *)__get_free_page(PGALLOC_GFP);
 345 }
 346
 347 static inline void _pgd_free(pgd_t *pgd)
 348 {
 349         free_page((unsigned long)pgd);
 350 }
 351 #endif /* CONFIG_X86_PAE */
 352
 353 pgd_t *pgd_alloc(struct mm_struct *mm)
 354 {
 355         pgd_t *pgd;
 356         pmd_t *pmds[PREALLOCATED_PMDS];
 357
 358         pgd = _pgd_alloc();
 359
 360         if (pgd == NULL)
 361                 goto out;
 362
 363         mm->pgd = pgd;
 364
 365         if (preallocate_pmds(mm, pmds) != 0)
 366                 goto out_free_pgd;
 367
 368         if (paravirt_pgd_alloc(mm) != 0)
 369                 goto out_free_pmds;
 370
 371         /*
 372          * Make sure that pre-populating the pmds is atomic with
 373          * respect to anything walking the pgd_list, so that they
 374          * never see a partially populated pgd.
 375          */
 376         spin_lock(&pgd_lock);
 377
 378         pgd_ctor(mm, pgd);
 379         pgd_prepopulate_pmd(mm, pgd, pmds);
 380
 381         spin_unlock(&pgd_lock);
 382
 383         return pgd;
 384
 385 out_free_pmds:
 386         free_pmds(mm, pmds);
 387 out_free_pgd:
 388         _pgd_free(pgd);
 389 out:
 390         return NULL;
 391 }
 392
 393 void pgd_free(struct mm_struct *mm, pgd_t *pgd)
 394 {
 395         pgd_mop_up_pmds(mm, pgd);
 396         pgd_dtor(pgd);
 397         paravirt_pgd_free(mm, pgd);
 398         _pgd_free(pgd);
 399 }
 400
 401 /*
 402  * Used to set accessed or dirty bits in the page table entries
 403  * on other architectures. On x86, the accessed and dirty bits
 404  * are tracked by hardware. However, do_wp_page calls this function
 405  * to also make the pte writeable at the same time the dirty bit is
 406  * set. In that case we do actually need to write the PTE.
 407  */
 408 int ptep_set_access_flags(struct vm_area_struct *vma,
 409                           unsigned long address, pte_t *ptep,
 410                           pte_t entry, int dirty)
 411 {
 412         int changed = !pte_same(*ptep, entry);
 413
 414         if (changed && dirty) {
 415                 *ptep = entry;
 416                 pte_update_defer(vma->vm_mm, address, ptep);
 417         }
 418
 419         return changed;
 420 }
 421
 422 #ifdef CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE
 423 int pmdp_set_access_flags(struct vm_area_struct *vma,
 424                           unsigned long address, pmd_t *pmdp,
 425                           pmd_t entry, int dirty)
 426 {
 427         int changed = !pmd_same(*pmdp, entry);
 428
 429         VM_BUG_ON(address & ~HPAGE_PMD_MASK);
 430
 431         if (changed && dirty) {
 432                 *pmdp = entry;
 433                 pmd_update_defer(vma->vm_mm, address, pmdp);
 434                 /*
 435                  * We had a write-protection fault here and changed the pmd
 436                  * to to more permissive. No need to flush the TLB for that,
 437                  * #PF is architecturally guaranteed to do that and in the
 438                  * worst-case we'll generate a spurious fault.
 439                  */
 440         }
 441
 442         return changed;
 443 }
 444 #endif
 445
 446 int ptep_test_and_clear_young(struct vm_area_struct *vma,
 447                               unsigned long addr, pte_t *ptep)
 448 {
 449         int ret = 0;
 450
 451         if (pte_young(*ptep))
 452                 ret = test_and_clear_bit(_PAGE_BIT_ACCESSED,
 453                                          (unsigned long *) &ptep->pte);
 454
 455         if (ret)
 456                 pte_update(vma->vm_mm, addr, ptep);
 457
 458         return ret;
 459 }
 460
 461 #ifdef CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE
 462 int pmdp_test_and_clear_young(struct vm_area_struct *vma,
 463                               unsigned long addr, pmd_t *pmdp)
 464 {
 465         int ret = 0;
 466
 467         if (pmd_young(*pmdp))
 468                 ret = test_and_clear_bit(_PAGE_BIT_ACCESSED,
 469                                          (unsigned long *)pmdp);
 470
 471         if (ret)
 472                 pmd_update(vma->vm_mm, addr, pmdp);
 473
 474         return ret;
 475 }
 476 #endif
 477
 478 int ptep_clear_flush_young(struct vm_area_struct *vma,
 479                            unsigned long address, pte_t *ptep)
 480 {
 481         /*
 482          * On x86 CPUs, clearing the accessed bit without a TLB flush
 483          * doesn't cause data corruption. [ It could cause incorrect
 484          * page aging and the (mistaken) reclaim of hot pages, but the
 485          * chance of that should be relatively low. ]
 486          *
 487          * So as a performance optimization don't flush the TLB when
 488          * clearing the accessed bit, it will eventually be flushed by
 489          * a context switch or a VM operation anyway. [ In the rare
 490          * event of it not getting flushed for a long time the delay
 491          * shouldn't really matter because there's no real memory
 492          * pressure for swapout to react to. ]
 493          */
 494         return ptep_test_and_clear_young(vma, address, ptep);
 495 }
 496
 497 #ifdef CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE
 498 int pmdp_clear_flush_young(struct vm_area_struct *vma,
 499                            unsigned long address, pmd_t *pmdp)
 500 {
 501         int young;
 502
 503         VM_BUG_ON(address & ~HPAGE_PMD_MASK);
 504
 505         young = pmdp_test_and_clear_young(vma, address, pmdp);
 506         if (young)
 507                 flush_tlb_range(vma, address, address + HPAGE_PMD_SIZE);
 508
 509         return young;
 510 }
 511
 512 void pmdp_splitting_flush(struct vm_area_struct *vma,
 513                           unsigned long address, pmd_t *pmdp)
 514 {
 515         int set;
 516         VM_BUG_ON(address & ~HPAGE_PMD_MASK);
 517         set = !test_and_set_bit(_PAGE_BIT_SPLITTING,
 518                                 (unsigned long *)pmdp);
 519         if (set) {
 520                 pmd_update(vma->vm_mm, address, pmdp);
 521                 /* need tlb flush only to serialize against gup-fast */
 522                 flush_tlb_range(vma, address, address + HPAGE_PMD_SIZE);
 523         }
 524 }
 525 #endif
 526
 527 /**
 528  * reserve_top_address - reserves a hole in the top of kernel address space
 529  * @reserve - size of hole to reserve
 530  *
 531  * Can be used to relocate the fixmap area and poke a hole in the top
 532  * of kernel address space to make room for a hypervisor.
 533  */
 534 void __init reserve_top_address(unsigned long reserve)
 535 {
 536 #ifdef CONFIG_X86_32
 537         BUG_ON(fixmaps_set > 0);
 538         __FIXADDR_TOP = round_down(-reserve, 1 << PMD_SHIFT) - PAGE_SIZE;
 539         printk(KERN_INFO "Reserving virtual address space above 0x%08lx (rounded to 0x%08lx)\n",
 540                -reserve, __FIXADDR_TOP + PAGE_SIZE);
 541 #endif
 542 }
 543
 544 int fixmaps_set;
 545
 546 void __native_set_fixmap(enum fixed_addresses idx, pte_t pte)
 547 {
 548         unsigned long address = __fix_to_virt(idx);
 549
 550         if (idx >= __end_of_fixed_addresses) {
 551                 BUG();
 552                 return;
 553         }
 554         set_pte_vaddr(address, pte);
 555         fixmaps_set++;
 556 }
 557
 558 void native_set_fixmap(enum fixed_addresses idx, phys_addr_t phys,
 559                        pgprot_t flags)
 560 {
 561         __native_set_fixmap(idx, pfn_pte(phys >> PAGE_SHIFT, flags));
 562 }