lguest: fix comment style
[linux-2.6-block.git] / Documentation / lguest / lguest.c
1 /*P:100
2  * This is the Launcher code, a simple program which lays out the "physical"
3  * memory for the new Guest by mapping the kernel image and the virtual
4  * devices, then opens /dev/lguest to tell the kernel about the Guest and
5  * control it.
6 :*/
7 #define _LARGEFILE64_SOURCE
8 #define _GNU_SOURCE
9 #include <stdio.h>
10 #include <string.h>
11 #include <unistd.h>
12 #include <err.h>
13 #include <stdint.h>
14 #include <stdlib.h>
15 #include <elf.h>
16 #include <sys/mman.h>
17 #include <sys/param.h>
18 #include <sys/types.h>
19 #include <sys/stat.h>
20 #include <sys/wait.h>
21 #include <sys/eventfd.h>
22 #include <fcntl.h>
23 #include <stdbool.h>
24 #include <errno.h>
25 #include <ctype.h>
26 #include <sys/socket.h>
27 #include <sys/ioctl.h>
28 #include <sys/time.h>
29 #include <time.h>
30 #include <netinet/in.h>
31 #include <net/if.h>
32 #include <linux/sockios.h>
33 #include <linux/if_tun.h>
34 #include <sys/uio.h>
35 #include <termios.h>
36 #include <getopt.h>
37 #include <zlib.h>
38 #include <assert.h>
39 #include <sched.h>
40 #include <limits.h>
41 #include <stddef.h>
42 #include <signal.h>
43 #include "linux/lguest_launcher.h"
44 #include "linux/virtio_config.h"
45 #include "linux/virtio_net.h"
46 #include "linux/virtio_blk.h"
47 #include "linux/virtio_console.h"
48 #include "linux/virtio_rng.h"
49 #include "linux/virtio_ring.h"
50 #include "asm/bootparam.h"
51 /*L:110
52  * We can ignore the 39 include files we need for this program, but I do want
53  * to draw attention to the use of kernel-style types.
54  *
55  * As Linus said, "C is a Spartan language, and so should your naming be."  I
56  * like these abbreviations, so we define them here.  Note that u64 is always
57  * unsigned long long, which works on all Linux systems: this means that we can
58  * use %llu in printf for any u64.
59  */
60 typedef unsigned long long u64;
61 typedef uint32_t u32;
62 typedef uint16_t u16;
63 typedef uint8_t u8;
64 /*:*/
65
66 #define PAGE_PRESENT 0x7        /* Present, RW, Execute */
67 #define BRIDGE_PFX "bridge:"
68 #ifndef SIOCBRADDIF
69 #define SIOCBRADDIF     0x89a2          /* add interface to bridge      */
70 #endif
71 /* We can have up to 256 pages for devices. */
72 #define DEVICE_PAGES 256
73 /* This will occupy 3 pages: it must be a power of 2. */
74 #define VIRTQUEUE_NUM 256
75
76 /*L:120
77  * verbose is both a global flag and a macro.  The C preprocessor allows
78  * this, and although I wouldn't recommend it, it works quite nicely here.
79  */
80 static bool verbose;
81 #define verbose(args...) \
82         do { if (verbose) printf(args); } while(0)
83 /*:*/
84
85 /* The pointer to the start of guest memory. */
86 static void *guest_base;
87 /* The maximum guest physical address allowed, and maximum possible. */
88 static unsigned long guest_limit, guest_max;
89 /* The /dev/lguest file descriptor. */
90 static int lguest_fd;
91
92 /* a per-cpu variable indicating whose vcpu is currently running */
93 static unsigned int __thread cpu_id;
94
95 /* This is our list of devices. */
96 struct device_list
97 {
98         /* Counter to assign interrupt numbers. */
99         unsigned int next_irq;
100
101         /* Counter to print out convenient device numbers. */
102         unsigned int device_num;
103
104         /* The descriptor page for the devices. */
105         u8 *descpage;
106
107         /* A single linked list of devices. */
108         struct device *dev;
109         /* And a pointer to the last device for easy append. */
110         struct device *lastdev;
111 };
112
113 /* The list of Guest devices, based on command line arguments. */
114 static struct device_list devices;
115
116 /* The device structure describes a single device. */
117 struct device
118 {
119         /* The linked-list pointer. */
120         struct device *next;
121
122         /* The device's descriptor, as mapped into the Guest. */
123         struct lguest_device_desc *desc;
124
125         /* We can't trust desc values once Guest has booted: we use these. */
126         unsigned int feature_len;
127         unsigned int num_vq;
128
129         /* The name of this device, for --verbose. */
130         const char *name;
131
132         /* Any queues attached to this device */
133         struct virtqueue *vq;
134
135         /* Is it operational */
136         bool running;
137
138         /* Device-specific data. */
139         void *priv;
140 };
141
142 /* The virtqueue structure describes a queue attached to a device. */
143 struct virtqueue
144 {
145         struct virtqueue *next;
146
147         /* Which device owns me. */
148         struct device *dev;
149
150         /* The configuration for this queue. */
151         struct lguest_vqconfig config;
152
153         /* The actual ring of buffers. */
154         struct vring vring;
155
156         /* Last available index we saw. */
157         u16 last_avail_idx;
158
159         /* How many are used since we sent last irq? */
160         unsigned int pending_used;
161
162         /* Eventfd where Guest notifications arrive. */
163         int eventfd;
164
165         /* Function for the thread which is servicing this virtqueue. */
166         void (*service)(struct virtqueue *vq);
167         pid_t thread;
168 };
169
170 /* Remember the arguments to the program so we can "reboot" */
171 static char **main_args;
172
173 /* The original tty settings to restore on exit. */
174 static struct termios orig_term;
175
176 /*
177  * We have to be careful with barriers: our devices are all run in separate
178  * threads and so we need to make sure that changes visible to the Guest happen
179  * in precise order.
180  */
181 #define wmb() __asm__ __volatile__("" : : : "memory")
182 #define mb() __asm__ __volatile__("" : : : "memory")
183
184 /*
185  * Convert an iovec element to the given type.
186  *
187  * This is a fairly ugly trick: we need to know the size of the type and
188  * alignment requirement to check the pointer is kosher.  It's also nice to
189  * have the name of the type in case we report failure.
190  *
191  * Typing those three things all the time is cumbersome and error prone, so we
192  * have a macro which sets them all up and passes to the real function.
193  */
194 #define convert(iov, type) \
195         ((type *)_convert((iov), sizeof(type), __alignof__(type), #type))
196
197 static void *_convert(struct iovec *iov, size_t size, size_t align,
198                       const char *name)
199 {
200         if (iov->iov_len != size)
201                 errx(1, "Bad iovec size %zu for %s", iov->iov_len, name);
202         if ((unsigned long)iov->iov_base % align != 0)
203                 errx(1, "Bad alignment %p for %s", iov->iov_base, name);
204         return iov->iov_base;
205 }
206
207 /* Wrapper for the last available index.  Makes it easier to change. */
208 #define lg_last_avail(vq)       ((vq)->last_avail_idx)
209
210 /*
211  * The virtio configuration space is defined to be little-endian.  x86 is
212  * little-endian too, but it's nice to be explicit so we have these helpers.
213  */
214 #define cpu_to_le16(v16) (v16)
215 #define cpu_to_le32(v32) (v32)
216 #define cpu_to_le64(v64) (v64)
217 #define le16_to_cpu(v16) (v16)
218 #define le32_to_cpu(v32) (v32)
219 #define le64_to_cpu(v64) (v64)
220
221 /* Is this iovec empty? */
222 static bool iov_empty(const struct iovec iov[], unsigned int num_iov)
223 {
224         unsigned int i;
225
226         for (i = 0; i < num_iov; i++)
227                 if (iov[i].iov_len)
228                         return false;
229         return true;
230 }
231
232 /* Take len bytes from the front of this iovec. */
233 static void iov_consume(struct iovec iov[], unsigned num_iov, unsigned len)
234 {
235         unsigned int i;
236
237         for (i = 0; i < num_iov; i++) {
238                 unsigned int used;
239
240                 used = iov[i].iov_len < len ? iov[i].iov_len : len;
241                 iov[i].iov_base += used;
242                 iov[i].iov_len -= used;
243                 len -= used;
244         }
245         assert(len == 0);
246 }
247
248 /* The device virtqueue descriptors are followed by feature bitmasks. */
249 static u8 *get_feature_bits(struct device *dev)
250 {
251         return (u8 *)(dev->desc + 1)
252                 + dev->num_vq * sizeof(struct lguest_vqconfig);
253 }
254
255 /*L:100
256  * The Launcher code itself takes us out into userspace, that scary place where
257  * pointers run wild and free!  Unfortunately, like most userspace programs,
258  * it's quite boring (which is why everyone likes to hack on the kernel!).
259  * Perhaps if you make up an Lguest Drinking Game at this point, it will get
260  * you through this section.  Or, maybe not.
261  *
262  * The Launcher sets up a big chunk of memory to be the Guest's "physical"
263  * memory and stores it in "guest_base".  In other words, Guest physical ==
264  * Launcher virtual with an offset.
265  *
266  * This can be tough to get your head around, but usually it just means that we
267  * use these trivial conversion functions when the Guest gives us it's
268  * "physical" addresses:
269  */
270 static void *from_guest_phys(unsigned long addr)
271 {
272         return guest_base + addr;
273 }
274
275 static unsigned long to_guest_phys(const void *addr)
276 {
277         return (addr - guest_base);
278 }
279
280 /*L:130
281  * Loading the Kernel.
282  *
283  * We start with couple of simple helper routines.  open_or_die() avoids
284  * error-checking code cluttering the callers:
285  */
286 static int open_or_die(const char *name, int flags)
287 {
288         int fd = open(name, flags);
289         if (fd < 0)
290                 err(1, "Failed to open %s", name);
291         return fd;
292 }
293
294 /* map_zeroed_pages() takes a number of pages. */
295 static void *map_zeroed_pages(unsigned int num)
296 {
297         int fd = open_or_die("/dev/zero", O_RDONLY);
298         void *addr;
299
300         /*
301          * We use a private mapping (ie. if we write to the page, it will be
302          * copied).
303          */
304         addr = mmap(NULL, getpagesize() * num,
305                     PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE, fd, 0);
306         if (addr == MAP_FAILED)
307                 err(1, "Mmaping %u pages of /dev/zero", num);
308         close(fd);
309
310         return addr;
311 }
312
313 /* Get some more pages for a device. */
314 static void *get_pages(unsigned int num)
315 {
316         void *addr = from_guest_phys(guest_limit);
317
318         guest_limit += num * getpagesize();
319         if (guest_limit > guest_max)
320                 errx(1, "Not enough memory for devices");
321         return addr;
322 }
323
324 /*
325  * This routine is used to load the kernel or initrd.  It tries mmap, but if
326  * that fails (Plan 9's kernel file isn't nicely aligned on page boundaries),
327  * it falls back to reading the memory in.
328  */
329 static void map_at(int fd, void *addr, unsigned long offset, unsigned long len)
330 {
331         ssize_t r;
332
333         /*
334          * We map writable even though for some segments are marked read-only.
335          * The kernel really wants to be writable: it patches its own
336          * instructions.
337          *
338          * MAP_PRIVATE means that the page won't be copied until a write is
339          * done to it.  This allows us to share untouched memory between
340          * Guests.
341          */
342         if (mmap(addr, len, PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC,
343                  MAP_FIXED|MAP_PRIVATE, fd, offset) != MAP_FAILED)
344                 return;
345
346         /* pread does a seek and a read in one shot: saves a few lines. */
347         r = pread(fd, addr, len, offset);
348         if (r != len)
349                 err(1, "Reading offset %lu len %lu gave %zi", offset, len, r);
350 }
351
352 /*
353  * This routine takes an open vmlinux image, which is in ELF, and maps it into
354  * the Guest memory.  ELF = Embedded Linking Format, which is the format used
355  * by all modern binaries on Linux including the kernel.
356  *
357  * The ELF headers give *two* addresses: a physical address, and a virtual
358  * address.  We use the physical address; the Guest will map itself to the
359  * virtual address.
360  *
361  * We return the starting address.
362  */
363 static unsigned long map_elf(int elf_fd, const Elf32_Ehdr *ehdr)
364 {
365         Elf32_Phdr phdr[ehdr->e_phnum];
366         unsigned int i;
367
368         /*
369          * Sanity checks on the main ELF header: an x86 executable with a
370          * reasonable number of correctly-sized program headers.
371          */
372         if (ehdr->e_type != ET_EXEC
373             || ehdr->e_machine != EM_386
374             || ehdr->e_phentsize != sizeof(Elf32_Phdr)
375             || ehdr->e_phnum < 1 || ehdr->e_phnum > 65536U/sizeof(Elf32_Phdr))
376                 errx(1, "Malformed elf header");
377
378         /*
379          * An ELF executable contains an ELF header and a number of "program"
380          * headers which indicate which parts ("segments") of the program to
381          * load where.
382          */
383
384         /* We read in all the program headers at once: */
385         if (lseek(elf_fd, ehdr->e_phoff, SEEK_SET) < 0)
386                 err(1, "Seeking to program headers");
387         if (read(elf_fd, phdr, sizeof(phdr)) != sizeof(phdr))
388                 err(1, "Reading program headers");
389
390         /*
391          * Try all the headers: there are usually only three.  A read-only one,
392          * a read-write one, and a "note" section which we don't load.
393          */
394         for (i = 0; i < ehdr->e_phnum; i++) {
395                 /* If this isn't a loadable segment, we ignore it */
396                 if (phdr[i].p_type != PT_LOAD)
397                         continue;
398
399                 verbose("Section %i: size %i addr %p\n",
400                         i, phdr[i].p_memsz, (void *)phdr[i].p_paddr);
401
402                 /* We map this section of the file at its physical address. */
403                 map_at(elf_fd, from_guest_phys(phdr[i].p_paddr),
404                        phdr[i].p_offset, phdr[i].p_filesz);
405         }
406
407         /* The entry point is given in the ELF header. */
408         return ehdr->e_entry;
409 }
410
411 /*L:150
412  * A bzImage, unlike an ELF file, is not meant to be loaded.  You're supposed
413  * to jump into it and it will unpack itself.  We used to have to perform some
414  * hairy magic because the unpacking code scared me.
415  *
416  * Fortunately, Jeremy Fitzhardinge convinced me it wasn't that hard and wrote
417  * a small patch to jump over the tricky bits in the Guest, so now we just read
418  * the funky header so we know where in the file to load, and away we go!
419  */
420 static unsigned long load_bzimage(int fd)
421 {
422         struct boot_params boot;
423         int r;
424         /* Modern bzImages get loaded at 1M. */
425         void *p = from_guest_phys(0x100000);
426
427         /*
428          * Go back to the start of the file and read the header.  It should be
429          * a Linux boot header (see Documentation/x86/i386/boot.txt)
430          */
431         lseek(fd, 0, SEEK_SET);
432         read(fd, &boot, sizeof(boot));
433
434         /* Inside the setup_hdr, we expect the magic "HdrS" */
435         if (memcmp(&boot.hdr.header, "HdrS", 4) != 0)
436                 errx(1, "This doesn't look like a bzImage to me");
437
438         /* Skip over the extra sectors of the header. */
439         lseek(fd, (boot.hdr.setup_sects+1) * 512, SEEK_SET);
440
441         /* Now read everything into memory. in nice big chunks. */
442         while ((r = read(fd, p, 65536)) > 0)
443                 p += r;
444
445         /* Finally, code32_start tells us where to enter the kernel. */
446         return boot.hdr.code32_start;
447 }
448
449 /*L:140
450  * Loading the kernel is easy when it's a "vmlinux", but most kernels
451  * come wrapped up in the self-decompressing "bzImage" format.  With a little
452  * work, we can load those, too.
453  */
454 static unsigned long load_kernel(int fd)
455 {
456         Elf32_Ehdr hdr;
457
458         /* Read in the first few bytes. */
459         if (read(fd, &hdr, sizeof(hdr)) != sizeof(hdr))
460                 err(1, "Reading kernel");
461
462         /* If it's an ELF file, it starts with "\177ELF" */
463         if (memcmp(hdr.e_ident, ELFMAG, SELFMAG) == 0)
464                 return map_elf(fd, &hdr);
465
466         /* Otherwise we assume it's a bzImage, and try to load it. */
467         return load_bzimage(fd);
468 }
469
470 /*
471  * This is a trivial little helper to align pages.  Andi Kleen hated it because
472  * it calls getpagesize() twice: "it's dumb code."
473  *
474  * Kernel guys get really het up about optimization, even when it's not
475  * necessary.  I leave this code as a reaction against that.
476  */
477 static inline unsigned long page_align(unsigned long addr)
478 {
479         /* Add upwards and truncate downwards. */
480         return ((addr + getpagesize()-1) & ~(getpagesize()-1));
481 }
482
483 /*L:180
484  * An "initial ram disk" is a disk image loaded into memory along with the
485  * kernel which the kernel can use to boot from without needing any drivers.
486  * Most distributions now use this as standard: the initrd contains the code to
487  * load the appropriate driver modules for the current machine.
488  *
489  * Importantly, James Morris works for RedHat, and Fedora uses initrds for its
490  * kernels.  He sent me this (and tells me when I break it).
491  */
492 static unsigned long load_initrd(const char *name, unsigned long mem)
493 {
494         int ifd;
495         struct stat st;
496         unsigned long len;
497
498         ifd = open_or_die(name, O_RDONLY);
499         /* fstat() is needed to get the file size. */
500         if (fstat(ifd, &st) < 0)
501                 err(1, "fstat() on initrd '%s'", name);
502
503         /*
504          * We map the initrd at the top of memory, but mmap wants it to be
505          * page-aligned, so we round the size up for that.
506          */
507         len = page_align(st.st_size);
508         map_at(ifd, from_guest_phys(mem - len), 0, st.st_size);
509         /*
510          * Once a file is mapped, you can close the file descriptor.  It's a
511          * little odd, but quite useful.
512          */
513         close(ifd);
514         verbose("mapped initrd %s size=%lu @ %p\n", name, len, (void*)mem-len);
515
516         /* We return the initrd size. */
517         return len;
518 }
519 /*:*/
520
521 /*
522  * Simple routine to roll all the commandline arguments together with spaces
523  * between them.
524  */
525 static void concat(char *dst, char *args[])
526 {
527         unsigned int i, len = 0;
528
529         for (i = 0; args[i]; i++) {
530                 if (i) {
531                         strcat(dst+len, " ");
532                         len++;
533                 }
534                 strcpy(dst+len, args[i]);
535                 len += strlen(args[i]);
536         }
537         /* In case it's empty. */
538         dst[len] = '\0';
539 }
540
541 /*L:185
542  * This is where we actually tell the kernel to initialize the Guest.  We
543  * saw the arguments it expects when we looked at initialize() in lguest_user.c:
544  * the base of Guest "physical" memory, the top physical page to allow and the
545  * entry point for the Guest.
546  */
547 static void tell_kernel(unsigned long start)
548 {
549         unsigned long args[] = { LHREQ_INITIALIZE,
550                                  (unsigned long)guest_base,
551                                  guest_limit / getpagesize(), start };
552         verbose("Guest: %p - %p (%#lx)\n",
553                 guest_base, guest_base + guest_limit, guest_limit);
554         lguest_fd = open_or_die("/dev/lguest", O_RDWR);
555         if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
556                 err(1, "Writing to /dev/lguest");
557 }
558 /*:*/
559
560 /*
561  * Device Handling.
562  *
563  * When the Guest gives us a buffer, it sends an array of addresses and sizes.
564  * We need to make sure it's not trying to reach into the Launcher itself, so
565  * we have a convenient routine which checks it and exits with an error message
566  * if something funny is going on:
567  */
568 static void *_check_pointer(unsigned long addr, unsigned int size,
569                             unsigned int line)
570 {
571         /*
572          * We have to separately check addr and addr+size, because size could
573          * be huge and addr + size might wrap around.
574          */
575         if (addr >= guest_limit || addr + size >= guest_limit)
576                 errx(1, "%s:%i: Invalid address %#lx", __FILE__, line, addr);
577         /*
578          * We return a pointer for the caller's convenience, now we know it's
579          * safe to use.
580          */
581         return from_guest_phys(addr);
582 }
583 /* A macro which transparently hands the line number to the real function. */
584 #define check_pointer(addr,size) _check_pointer(addr, size, __LINE__)
585
586 /*
587  * Each buffer in the virtqueues is actually a chain of descriptors.  This
588  * function returns the next descriptor in the chain, or vq->vring.num if we're
589  * at the end.
590  */
591 static unsigned next_desc(struct vring_desc *desc,
592                           unsigned int i, unsigned int max)
593 {
594         unsigned int next;
595
596         /* If this descriptor says it doesn't chain, we're done. */
597         if (!(desc[i].flags & VRING_DESC_F_NEXT))
598                 return max;
599
600         /* Check they're not leading us off end of descriptors. */
601         next = desc[i].next;
602         /* Make sure compiler knows to grab that: we don't want it changing! */
603         wmb();
604
605         if (next >= max)
606                 errx(1, "Desc next is %u", next);
607
608         return next;
609 }
610
611 /* This actually sends the interrupt for this virtqueue */
612 static void trigger_irq(struct virtqueue *vq)
613 {
614         unsigned long buf[] = { LHREQ_IRQ, vq->config.irq };
615
616         /* Don't inform them if nothing used. */
617         if (!vq->pending_used)
618                 return;
619         vq->pending_used = 0;
620
621         /* If they don't want an interrupt, don't send one, unless empty. */
622         if ((vq->vring.avail->flags & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT)
623             && lg_last_avail(vq) != vq->vring.avail->idx)
624                 return;
625
626         /* Send the Guest an interrupt tell them we used something up. */
627         if (write(lguest_fd, buf, sizeof(buf)) != 0)
628                 err(1, "Triggering irq %i", vq->config.irq);
629 }
630
631 /*
632  * This looks in the virtqueue and for the first available buffer, and converts
633  * it to an iovec for convenient access.  Since descriptors consist of some
634  * number of output then some number of input descriptors, it's actually two
635  * iovecs, but we pack them into one and note how many of each there were.
636  *
637  * This function returns the descriptor number found.
638  */
639 static unsigned wait_for_vq_desc(struct virtqueue *vq,
640                                  struct iovec iov[],
641                                  unsigned int *out_num, unsigned int *in_num)
642 {
643         unsigned int i, head, max;
644         struct vring_desc *desc;
645         u16 last_avail = lg_last_avail(vq);
646
647         while (last_avail == vq->vring.avail->idx) {
648                 u64 event;
649
650                 /* OK, tell Guest about progress up to now. */
651                 trigger_irq(vq);
652
653                 /* OK, now we need to know about added descriptors. */
654                 vq->vring.used->flags &= ~VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
655
656                 /*
657                  * They could have slipped one in as we were doing that: make
658                  * sure it's written, then check again.
659                  */
660                 mb();
661                 if (last_avail != vq->vring.avail->idx) {
662                         vq->vring.used->flags |= VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
663                         break;
664                 }
665
666                 /* Nothing new?  Wait for eventfd to tell us they refilled. */
667                 if (read(vq->eventfd, &event, sizeof(event)) != sizeof(event))
668                         errx(1, "Event read failed?");
669
670                 /* We don't need to be notified again. */
671                 vq->vring.used->flags |= VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
672         }
673
674         /* Check it isn't doing very strange things with descriptor numbers. */
675         if ((u16)(vq->vring.avail->idx - last_avail) > vq->vring.num)
676                 errx(1, "Guest moved used index from %u to %u",
677                      last_avail, vq->vring.avail->idx);
678
679         /*
680          * Grab the next descriptor number they're advertising, and increment
681          * the index we've seen.
682          */
683         head = vq->vring.avail->ring[last_avail % vq->vring.num];
684         lg_last_avail(vq)++;
685
686         /* If their number is silly, that's a fatal mistake. */
687         if (head >= vq->vring.num)
688                 errx(1, "Guest says index %u is available", head);
689
690         /* When we start there are none of either input nor output. */
691         *out_num = *in_num = 0;
692
693         max = vq->vring.num;
694         desc = vq->vring.desc;
695         i = head;
696
697         /*
698          * If this is an indirect entry, then this buffer contains a descriptor
699          * table which we handle as if it's any normal descriptor chain.
700          */
701         if (desc[i].flags & VRING_DESC_F_INDIRECT) {
702                 if (desc[i].len % sizeof(struct vring_desc))
703                         errx(1, "Invalid size for indirect buffer table");
704
705                 max = desc[i].len / sizeof(struct vring_desc);
706                 desc = check_pointer(desc[i].addr, desc[i].len);
707                 i = 0;
708         }
709
710         do {
711                 /* Grab the first descriptor, and check it's OK. */
712                 iov[*out_num + *in_num].iov_len = desc[i].len;
713                 iov[*out_num + *in_num].iov_base
714                         = check_pointer(desc[i].addr, desc[i].len);
715                 /* If this is an input descriptor, increment that count. */
716                 if (desc[i].flags & VRING_DESC_F_WRITE)
717                         (*in_num)++;
718                 else {
719                         /*
720                          * If it's an output descriptor, they're all supposed
721                          * to come before any input descriptors.
722                          */
723                         if (*in_num)
724                                 errx(1, "Descriptor has out after in");
725                         (*out_num)++;
726                 }
727
728                 /* If we've got too many, that implies a descriptor loop. */
729                 if (*out_num + *in_num > max)
730                         errx(1, "Looped descriptor");
731         } while ((i = next_desc(desc, i, max)) != max);
732
733         return head;
734 }
735
736 /*
737  * After we've used one of their buffers, we tell them about it.  We'll then
738  * want to send them an interrupt, using trigger_irq().
739  */
740 static void add_used(struct virtqueue *vq, unsigned int head, int len)
741 {
742         struct vring_used_elem *used;
743
744         /*
745          * The virtqueue contains a ring of used buffers.  Get a pointer to the
746          * next entry in that used ring.
747          */
748         used = &vq->vring.used->ring[vq->vring.used->idx % vq->vring.num];
749         used->id = head;
750         used->len = len;
751         /* Make sure buffer is written before we update index. */
752         wmb();
753         vq->vring.used->idx++;
754         vq->pending_used++;
755 }
756
757 /* And here's the combo meal deal.  Supersize me! */
758 static void add_used_and_trigger(struct virtqueue *vq, unsigned head, int len)
759 {
760         add_used(vq, head, len);
761         trigger_irq(vq);
762 }
763
764 /*
765  * The Console
766  *
767  * We associate some data with the console for our exit hack.
768  */
769 struct console_abort
770 {
771         /* How many times have they hit ^C? */
772         int count;
773         /* When did they start? */
774         struct timeval start;
775 };
776
777 /* This is the routine which handles console input (ie. stdin). */
778 static void console_input(struct virtqueue *vq)
779 {
780         int len;
781         unsigned int head, in_num, out_num;
782         struct console_abort *abort = vq->dev->priv;
783         struct iovec iov[vq->vring.num];
784
785         /* Make sure there's a descriptor waiting. */
786         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
787         if (out_num)
788                 errx(1, "Output buffers in console in queue?");
789
790         /* Read it in. */
791         len = readv(STDIN_FILENO, iov, in_num);
792         if (len <= 0) {
793                 /* Ran out of input? */
794                 warnx("Failed to get console input, ignoring console.");
795                 /*
796                  * For simplicity, dying threads kill the whole Launcher.  So
797                  * just nap here.
798                  */
799                 for (;;)
800                         pause();
801         }
802
803         add_used_and_trigger(vq, head, len);
804
805         /*
806          * Three ^C within one second?  Exit.
807          *
808          * This is such a hack, but works surprisingly well.  Each ^C has to
809          * be in a buffer by itself, so they can't be too fast.  But we check
810          * that we get three within about a second, so they can't be too
811          * slow.
812          */
813         if (len != 1 || ((char *)iov[0].iov_base)[0] != 3) {
814                 abort->count = 0;
815                 return;
816         }
817
818         abort->count++;
819         if (abort->count == 1)
820                 gettimeofday(&abort->start, NULL);
821         else if (abort->count == 3) {
822                 struct timeval now;
823                 gettimeofday(&now, NULL);
824                 /* Kill all Launcher processes with SIGINT, like normal ^C */
825                 if (now.tv_sec <= abort->start.tv_sec+1)
826                         kill(0, SIGINT);
827                 abort->count = 0;
828         }
829 }
830
831 /* This is the routine which handles console output (ie. stdout). */
832 static void console_output(struct virtqueue *vq)
833 {
834         unsigned int head, out, in;
835         struct iovec iov[vq->vring.num];
836
837         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
838         if (in)
839                 errx(1, "Input buffers in console output queue?");
840         while (!iov_empty(iov, out)) {
841                 int len = writev(STDOUT_FILENO, iov, out);
842                 if (len <= 0)
843                         err(1, "Write to stdout gave %i", len);
844                 iov_consume(iov, out, len);
845         }
846         add_used(vq, head, 0);
847 }
848
849 /*
850  * The Network
851  *
852  * Handling output for network is also simple: we get all the output buffers
853  * and write them to /dev/net/tun.
854  */
855 struct net_info {
856         int tunfd;
857 };
858
859 static void net_output(struct virtqueue *vq)
860 {
861         struct net_info *net_info = vq->dev->priv;
862         unsigned int head, out, in;
863         struct iovec iov[vq->vring.num];
864
865         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
866         if (in)
867                 errx(1, "Input buffers in net output queue?");
868         if (writev(net_info->tunfd, iov, out) < 0)
869                 errx(1, "Write to tun failed?");
870         add_used(vq, head, 0);
871 }
872
873 /* Will reading from this file descriptor block? */
874 static bool will_block(int fd)
875 {
876         fd_set fdset;
877         struct timeval zero = { 0, 0 };
878         FD_ZERO(&fdset);
879         FD_SET(fd, &fdset);
880         return select(fd+1, &fdset, NULL, NULL, &zero) != 1;
881 }
882
883 /* This handles packets coming in from the tun device to our Guest. */
884 static void net_input(struct virtqueue *vq)
885 {
886         int len;
887         unsigned int head, out, in;
888         struct iovec iov[vq->vring.num];
889         struct net_info *net_info = vq->dev->priv;
890
891         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
892         if (out)
893                 errx(1, "Output buffers in net input queue?");
894
895         /* Deliver interrupt now, since we're about to sleep. */
896         if (vq->pending_used && will_block(net_info->tunfd))
897                 trigger_irq(vq);
898
899         len = readv(net_info->tunfd, iov, in);
900         if (len <= 0)
901                 err(1, "Failed to read from tun.");
902         add_used(vq, head, len);
903 }
904
905 /* This is the helper to create threads. */
906 static int do_thread(void *_vq)
907 {
908         struct virtqueue *vq = _vq;
909
910         for (;;)
911                 vq->service(vq);
912         return 0;
913 }
914
915 /*
916  * When a child dies, we kill our entire process group with SIGTERM.  This
917  * also has the side effect that the shell restores the console for us!
918  */
919 static void kill_launcher(int signal)
920 {
921         kill(0, SIGTERM);
922 }
923
924 static void reset_device(struct device *dev)
925 {
926         struct virtqueue *vq;
927
928         verbose("Resetting device %s\n", dev->name);
929
930         /* Clear any features they've acked. */
931         memset(get_feature_bits(dev) + dev->feature_len, 0, dev->feature_len);
932
933         /* We're going to be explicitly killing threads, so ignore them. */
934         signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
935
936         /* Zero out the virtqueues, get rid of their threads */
937         for (vq = dev->vq; vq; vq = vq->next) {
938                 if (vq->thread != (pid_t)-1) {
939                         kill(vq->thread, SIGTERM);
940                         waitpid(vq->thread, NULL, 0);
941                         vq->thread = (pid_t)-1;
942                 }
943                 memset(vq->vring.desc, 0,
944                        vring_size(vq->config.num, LGUEST_VRING_ALIGN));
945                 lg_last_avail(vq) = 0;
946         }
947         dev->running = false;
948
949         /* Now we care if threads die. */
950         signal(SIGCHLD, (void *)kill_launcher);
951 }
952
953 static void create_thread(struct virtqueue *vq)
954 {
955         /*
956          * Create stack for thread and run it.  Since the stack grows upwards,
957          * we point the stack pointer to the end of this region.
958          */
959         char *stack = malloc(32768);
960         unsigned long args[] = { LHREQ_EVENTFD,
961                                  vq->config.pfn*getpagesize(), 0 };
962
963         /* Create a zero-initialized eventfd. */
964         vq->eventfd = eventfd(0, 0);
965         if (vq->eventfd < 0)
966                 err(1, "Creating eventfd");
967         args[2] = vq->eventfd;
968
969         /* Attach an eventfd to this virtqueue: it will go off
970          * when the Guest does an LHCALL_NOTIFY for this vq. */
971         if (write(lguest_fd, &args, sizeof(args)) != 0)
972                 err(1, "Attaching eventfd");
973
974         /* CLONE_VM: because it has to access the Guest memory, and
975          * SIGCHLD so we get a signal if it dies. */
976         vq->thread = clone(do_thread, stack + 32768, CLONE_VM | SIGCHLD, vq);
977         if (vq->thread == (pid_t)-1)
978                 err(1, "Creating clone");
979         /* We close our local copy, now the child has it. */
980         close(vq->eventfd);
981 }
982
983 static void start_device(struct device *dev)
984 {
985         unsigned int i;
986         struct virtqueue *vq;
987
988         verbose("Device %s OK: offered", dev->name);
989         for (i = 0; i < dev->feature_len; i++)
990                 verbose(" %02x", get_feature_bits(dev)[i]);
991         verbose(", accepted");
992         for (i = 0; i < dev->feature_len; i++)
993                 verbose(" %02x", get_feature_bits(dev)
994                         [dev->feature_len+i]);
995
996         for (vq = dev->vq; vq; vq = vq->next) {
997                 if (vq->service)
998                         create_thread(vq);
999         }
1000         dev->running = true;
1001 }
1002
1003 static void cleanup_devices(void)
1004 {
1005         struct device *dev;
1006
1007         for (dev = devices.dev; dev; dev = dev->next)
1008                 reset_device(dev);
1009
1010         /* If we saved off the original terminal settings, restore them now. */
1011         if (orig_term.c_lflag & (ISIG|ICANON|ECHO))
1012                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &orig_term);
1013 }
1014
1015 /* When the Guest tells us they updated the status field, we handle it. */
1016 static void update_device_status(struct device *dev)
1017 {
1018         /* A zero status is a reset, otherwise it's a set of flags. */
1019         if (dev->desc->status == 0)
1020                 reset_device(dev);
1021         else if (dev->desc->status & VIRTIO_CONFIG_S_FAILED) {
1022                 warnx("Device %s configuration FAILED", dev->name);
1023                 if (dev->running)
1024                         reset_device(dev);
1025         } else if (dev->desc->status & VIRTIO_CONFIG_S_DRIVER_OK) {
1026                 if (!dev->running)
1027                         start_device(dev);
1028         }
1029 }
1030
1031 /* This is the generic routine we call when the Guest uses LHCALL_NOTIFY. */
1032 static void handle_output(unsigned long addr)
1033 {
1034         struct device *i;
1035
1036         /* Check each device. */
1037         for (i = devices.dev; i; i = i->next) {
1038                 struct virtqueue *vq;
1039
1040                 /* Notifications to device descriptors update device status. */
1041                 if (from_guest_phys(addr) == i->desc) {
1042                         update_device_status(i);
1043                         return;
1044                 }
1045
1046                 /* Devices *can* be used before status is set to DRIVER_OK. */
1047                 for (vq = i->vq; vq; vq = vq->next) {
1048                         if (addr != vq->config.pfn*getpagesize())
1049                                 continue;
1050                         if (i->running)
1051                                 errx(1, "Notification on running %s", i->name);
1052                         start_device(i);
1053                         return;
1054                 }
1055         }
1056
1057         /*
1058          * Early console write is done using notify on a nul-terminated string
1059          * in Guest memory.  It's also great for hacking debugging messages
1060          * into a Guest.
1061          */
1062         if (addr >= guest_limit)
1063                 errx(1, "Bad NOTIFY %#lx", addr);
1064
1065         write(STDOUT_FILENO, from_guest_phys(addr),
1066               strnlen(from_guest_phys(addr), guest_limit - addr));
1067 }
1068
1069 /*L:190
1070  * Device Setup
1071  *
1072  * All devices need a descriptor so the Guest knows it exists, and a "struct
1073  * device" so the Launcher can keep track of it.  We have common helper
1074  * routines to allocate and manage them.
1075  */
1076
1077 /*
1078  * The layout of the device page is a "struct lguest_device_desc" followed by a
1079  * number of virtqueue descriptors, then two sets of feature bits, then an
1080  * array of configuration bytes.  This routine returns the configuration
1081  * pointer.
1082  */
1083 static u8 *device_config(const struct device *dev)
1084 {
1085         return (void *)(dev->desc + 1)
1086                 + dev->num_vq * sizeof(struct lguest_vqconfig)
1087                 + dev->feature_len * 2;
1088 }
1089
1090 /*
1091  * This routine allocates a new "struct lguest_device_desc" from descriptor
1092  * table page just above the Guest's normal memory.  It returns a pointer to
1093  * that descriptor.
1094  */
1095 static struct lguest_device_desc *new_dev_desc(u16 type)
1096 {
1097         struct lguest_device_desc d = { .type = type };
1098         void *p;
1099
1100         /* Figure out where the next device config is, based on the last one. */
1101         if (devices.lastdev)
1102                 p = device_config(devices.lastdev)
1103                         + devices.lastdev->desc->config_len;
1104         else
1105                 p = devices.descpage;
1106
1107         /* We only have one page for all the descriptors. */
1108         if (p + sizeof(d) > (void *)devices.descpage + getpagesize())
1109                 errx(1, "Too many devices");
1110
1111         /* p might not be aligned, so we memcpy in. */
1112         return memcpy(p, &d, sizeof(d));
1113 }
1114
1115 /*
1116  * Each device descriptor is followed by the description of its virtqueues.  We
1117  * specify how many descriptors the virtqueue is to have.
1118  */
1119 static void add_virtqueue(struct device *dev, unsigned int num_descs,
1120                           void (*service)(struct virtqueue *))
1121 {
1122         unsigned int pages;
1123         struct virtqueue **i, *vq = malloc(sizeof(*vq));
1124         void *p;
1125
1126         /* First we need some memory for this virtqueue. */
1127         pages = (vring_size(num_descs, LGUEST_VRING_ALIGN) + getpagesize() - 1)
1128                 / getpagesize();
1129         p = get_pages(pages);
1130
1131         /* Initialize the virtqueue */
1132         vq->next = NULL;
1133         vq->last_avail_idx = 0;
1134         vq->dev = dev;
1135         vq->service = service;
1136         vq->thread = (pid_t)-1;
1137
1138         /* Initialize the configuration. */
1139         vq->config.num = num_descs;
1140         vq->config.irq = devices.next_irq++;
1141         vq->config.pfn = to_guest_phys(p) / getpagesize();
1142
1143         /* Initialize the vring. */
1144         vring_init(&vq->vring, num_descs, p, LGUEST_VRING_ALIGN);
1145
1146         /*
1147          * Append virtqueue to this device's descriptor.  We use
1148          * device_config() to get the end of the device's current virtqueues;
1149          * we check that we haven't added any config or feature information
1150          * yet, otherwise we'd be overwriting them.
1151          */
1152         assert(dev->desc->config_len == 0 && dev->desc->feature_len == 0);
1153         memcpy(device_config(dev), &vq->config, sizeof(vq->config));
1154         dev->num_vq++;
1155         dev->desc->num_vq++;
1156
1157         verbose("Virtqueue page %#lx\n", to_guest_phys(p));
1158
1159         /*
1160          * Add to tail of list, so dev->vq is first vq, dev->vq->next is
1161          * second.
1162          */
1163         for (i = &dev->vq; *i; i = &(*i)->next);
1164         *i = vq;
1165 }
1166
1167 /*
1168  * The first half of the feature bitmask is for us to advertise features.  The
1169  * second half is for the Guest to accept features.
1170  */
1171 static void add_feature(struct device *dev, unsigned bit)
1172 {
1173         u8 *features = get_feature_bits(dev);
1174
1175         /* We can't extend the feature bits once we've added config bytes */
1176         if (dev->desc->feature_len <= bit / CHAR_BIT) {
1177                 assert(dev->desc->config_len == 0);
1178                 dev->feature_len = dev->desc->feature_len = (bit/CHAR_BIT) + 1;
1179         }
1180
1181         features[bit / CHAR_BIT] |= (1 << (bit % CHAR_BIT));
1182 }
1183
1184 /*
1185  * This routine sets the configuration fields for an existing device's
1186  * descriptor.  It only works for the last device, but that's OK because that's
1187  * how we use it.
1188  */
1189 static void set_config(struct device *dev, unsigned len, const void *conf)
1190 {
1191         /* Check we haven't overflowed our single page. */
1192         if (device_config(dev) + len > devices.descpage + getpagesize())
1193                 errx(1, "Too many devices");
1194
1195         /* Copy in the config information, and store the length. */
1196         memcpy(device_config(dev), conf, len);
1197         dev->desc->config_len = len;
1198
1199         /* Size must fit in config_len field (8 bits)! */
1200         assert(dev->desc->config_len == len);
1201 }
1202
1203 /*
1204  * This routine does all the creation and setup of a new device, including
1205  * calling new_dev_desc() to allocate the descriptor and device memory.
1206  *
1207  * See what I mean about userspace being boring?
1208  */
1209 static struct device *new_device(const char *name, u16 type)
1210 {
1211         struct device *dev = malloc(sizeof(*dev));
1212
1213         /* Now we populate the fields one at a time. */
1214         dev->desc = new_dev_desc(type);
1215         dev->name = name;
1216         dev->vq = NULL;
1217         dev->feature_len = 0;
1218         dev->num_vq = 0;
1219         dev->running = false;
1220
1221         /*
1222          * Append to device list.  Prepending to a single-linked list is
1223          * easier, but the user expects the devices to be arranged on the bus
1224          * in command-line order.  The first network device on the command line
1225          * is eth0, the first block device /dev/vda, etc.
1226          */
1227         if (devices.lastdev)
1228                 devices.lastdev->next = dev;
1229         else
1230                 devices.dev = dev;
1231         devices.lastdev = dev;
1232
1233         return dev;
1234 }
1235
1236 /*
1237  * Our first setup routine is the console.  It's a fairly simple device, but
1238  * UNIX tty handling makes it uglier than it could be.
1239  */
1240 static void setup_console(void)
1241 {
1242         struct device *dev;
1243
1244         /* If we can save the initial standard input settings... */
1245         if (tcgetattr(STDIN_FILENO, &orig_term) == 0) {
1246                 struct termios term = orig_term;
1247                 /*
1248                  * Then we turn off echo, line buffering and ^C etc: We want a
1249                  * raw input stream to the Guest.
1250                  */
1251                 term.c_lflag &= ~(ISIG|ICANON|ECHO);
1252                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &term);
1253         }
1254
1255         dev = new_device("console", VIRTIO_ID_CONSOLE);
1256
1257         /* We store the console state in dev->priv, and initialize it. */
1258         dev->priv = malloc(sizeof(struct console_abort));
1259         ((struct console_abort *)dev->priv)->count = 0;
1260
1261         /*
1262          * The console needs two virtqueues: the input then the output.  When
1263          * they put something the input queue, we make sure we're listening to
1264          * stdin.  When they put something in the output queue, we write it to
1265          * stdout.
1266          */
1267         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, console_input);
1268         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, console_output);
1269
1270         verbose("device %u: console\n", ++devices.device_num);
1271 }
1272 /*:*/
1273
1274 /*M:010
1275  * Inter-guest networking is an interesting area.  Simplest is to have a
1276  * --sharenet=<name> option which opens or creates a named pipe.  This can be
1277  * used to send packets to another guest in a 1:1 manner.
1278  *
1279  * More sopisticated is to use one of the tools developed for project like UML
1280  * to do networking.
1281  *
1282  * Faster is to do virtio bonding in kernel.  Doing this 1:1 would be
1283  * completely generic ("here's my vring, attach to your vring") and would work
1284  * for any traffic.  Of course, namespace and permissions issues need to be
1285  * dealt with.  A more sophisticated "multi-channel" virtio_net.c could hide
1286  * multiple inter-guest channels behind one interface, although it would
1287  * require some manner of hotplugging new virtio channels.
1288  *
1289  * Finally, we could implement a virtio network switch in the kernel.
1290 :*/
1291
1292 static u32 str2ip(const char *ipaddr)
1293 {
1294         unsigned int b[4];
1295
1296         if (sscanf(ipaddr, "%u.%u.%u.%u", &b[0], &b[1], &b[2], &b[3]) != 4)
1297                 errx(1, "Failed to parse IP address '%s'", ipaddr);
1298         return (b[0] << 24) | (b[1] << 16) | (b[2] << 8) | b[3];
1299 }
1300
1301 static void str2mac(const char *macaddr, unsigned char mac[6])
1302 {
1303         unsigned int m[6];
1304         if (sscanf(macaddr, "%02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x",
1305                    &m[0], &m[1], &m[2], &m[3], &m[4], &m[5]) != 6)
1306                 errx(1, "Failed to parse mac address '%s'", macaddr);
1307         mac[0] = m[0];
1308         mac[1] = m[1];
1309         mac[2] = m[2];
1310         mac[3] = m[3];
1311         mac[4] = m[4];
1312         mac[5] = m[5];
1313 }
1314
1315 /*
1316  * This code is "adapted" from libbridge: it attaches the Host end of the
1317  * network device to the bridge device specified by the command line.
1318  *
1319  * This is yet another James Morris contribution (I'm an IP-level guy, so I
1320  * dislike bridging), and I just try not to break it.
1321  */
1322 static void add_to_bridge(int fd, const char *if_name, const char *br_name)
1323 {
1324         int ifidx;
1325         struct ifreq ifr;
1326
1327         if (!*br_name)
1328                 errx(1, "must specify bridge name");
1329
1330         ifidx = if_nametoindex(if_name);
1331         if (!ifidx)
1332                 errx(1, "interface %s does not exist!", if_name);
1333
1334         strncpy(ifr.ifr_name, br_name, IFNAMSIZ);
1335         ifr.ifr_name[IFNAMSIZ-1] = '\0';
1336         ifr.ifr_ifindex = ifidx;
1337         if (ioctl(fd, SIOCBRADDIF, &ifr) < 0)
1338                 err(1, "can't add %s to bridge %s", if_name, br_name);
1339 }
1340
1341 /*
1342  * This sets up the Host end of the network device with an IP address, brings
1343  * it up so packets will flow, the copies the MAC address into the hwaddr
1344  * pointer.
1345  */
1346 static void configure_device(int fd, const char *tapif, u32 ipaddr)
1347 {
1348         struct ifreq ifr;
1349         struct sockaddr_in *sin = (struct sockaddr_in *)&ifr.ifr_addr;
1350
1351         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
1352         strcpy(ifr.ifr_name, tapif);
1353
1354         /* Don't read these incantations.  Just cut & paste them like I did! */
1355         sin->sin_family = AF_INET;
1356         sin->sin_addr.s_addr = htonl(ipaddr);
1357         if (ioctl(fd, SIOCSIFADDR, &ifr) != 0)
1358                 err(1, "Setting %s interface address", tapif);
1359         ifr.ifr_flags = IFF_UP;
1360         if (ioctl(fd, SIOCSIFFLAGS, &ifr) != 0)
1361                 err(1, "Bringing interface %s up", tapif);
1362 }
1363
1364 static int get_tun_device(char tapif[IFNAMSIZ])
1365 {
1366         struct ifreq ifr;
1367         int netfd;
1368
1369         /* Start with this zeroed.  Messy but sure. */
1370         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
1371
1372         /*
1373          * We open the /dev/net/tun device and tell it we want a tap device.  A
1374          * tap device is like a tun device, only somehow different.  To tell
1375          * the truth, I completely blundered my way through this code, but it
1376          * works now!
1377          */
1378         netfd = open_or_die("/dev/net/tun", O_RDWR);
1379         ifr.ifr_flags = IFF_TAP | IFF_NO_PI | IFF_VNET_HDR;
1380         strcpy(ifr.ifr_name, "tap%d");
1381         if (ioctl(netfd, TUNSETIFF, &ifr) != 0)
1382                 err(1, "configuring /dev/net/tun");
1383
1384         if (ioctl(netfd, TUNSETOFFLOAD,
1385                   TUN_F_CSUM|TUN_F_TSO4|TUN_F_TSO6|TUN_F_TSO_ECN) != 0)
1386                 err(1, "Could not set features for tun device");
1387
1388         /*
1389          * We don't need checksums calculated for packets coming in this
1390          * device: trust us!
1391          */
1392         ioctl(netfd, TUNSETNOCSUM, 1);
1393
1394         memcpy(tapif, ifr.ifr_name, IFNAMSIZ);
1395         return netfd;
1396 }
1397
1398 /*L:195
1399  * Our network is a Host<->Guest network.  This can either use bridging or
1400  * routing, but the principle is the same: it uses the "tun" device to inject
1401  * packets into the Host as if they came in from a normal network card.  We
1402  * just shunt packets between the Guest and the tun device.
1403  */
1404 static void setup_tun_net(char *arg)
1405 {
1406         struct device *dev;
1407         struct net_info *net_info = malloc(sizeof(*net_info));
1408         int ipfd;
1409         u32 ip = INADDR_ANY;
1410         bool bridging = false;
1411         char tapif[IFNAMSIZ], *p;
1412         struct virtio_net_config conf;
1413
1414         net_info->tunfd = get_tun_device(tapif);
1415
1416         /* First we create a new network device. */
1417         dev = new_device("net", VIRTIO_ID_NET);
1418         dev->priv = net_info;
1419
1420         /* Network devices need a recv and a send queue, just like console. */
1421         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, net_input);
1422         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, net_output);
1423
1424         /*
1425          * We need a socket to perform the magic network ioctls to bring up the
1426          * tap interface, connect to the bridge etc.  Any socket will do!
1427          */
1428         ipfd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_IP);
1429         if (ipfd < 0)
1430                 err(1, "opening IP socket");
1431
1432         /* If the command line was --tunnet=bridge:<name> do bridging. */
1433         if (!strncmp(BRIDGE_PFX, arg, strlen(BRIDGE_PFX))) {
1434                 arg += strlen(BRIDGE_PFX);
1435                 bridging = true;
1436         }
1437
1438         /* A mac address may follow the bridge name or IP address */
1439         p = strchr(arg, ':');
1440         if (p) {
1441                 str2mac(p+1, conf.mac);
1442                 add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_MAC);
1443                 *p = '\0';
1444         }
1445
1446         /* arg is now either an IP address or a bridge name */
1447         if (bridging)
1448                 add_to_bridge(ipfd, tapif, arg);
1449         else
1450                 ip = str2ip(arg);
1451
1452         /* Set up the tun device. */
1453         configure_device(ipfd, tapif, ip);
1454
1455         add_feature(dev, VIRTIO_F_NOTIFY_ON_EMPTY);
1456         /* Expect Guest to handle everything except UFO */
1457         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_CSUM);
1458         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_CSUM);
1459         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_TSO4);
1460         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_TSO6);
1461         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_ECN);
1462         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_TSO4);
1463         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_TSO6);
1464         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_ECN);
1465         /* We handle indirect ring entries */
1466         add_feature(dev, VIRTIO_RING_F_INDIRECT_DESC);
1467         set_config(dev, sizeof(conf), &conf);
1468
1469         /* We don't need the socket any more; setup is done. */
1470         close(ipfd);
1471
1472         devices.device_num++;
1473
1474         if (bridging)
1475                 verbose("device %u: tun %s attached to bridge: %s\n",
1476                         devices.device_num, tapif, arg);
1477         else
1478                 verbose("device %u: tun %s: %s\n",
1479                         devices.device_num, tapif, arg);
1480 }
1481
1482 /*
1483  * Our block (disk) device should be really simple: the Guest asks for a block
1484  * number and we read or write that position in the file.  Unfortunately, that
1485  * was amazingly slow: the Guest waits until the read is finished before
1486  * running anything else, even if it could have been doing useful work.
1487  *
1488  * We could use async I/O, except it's reputed to suck so hard that characters
1489  * actually go missing from your code when you try to use it.
1490  *
1491  * So this was one reason why lguest now does all virtqueue servicing in
1492  * separate threads: it's more efficient and more like a real device.
1493  */
1494
1495 /* This hangs off device->priv. */
1496 struct vblk_info
1497 {
1498         /* The size of the file. */
1499         off64_t len;
1500
1501         /* The file descriptor for the file. */
1502         int fd;
1503
1504         /* IO thread listens on this file descriptor [0]. */
1505         int workpipe[2];
1506
1507         /* IO thread writes to this file descriptor to mark it done, then
1508          * Launcher triggers interrupt to Guest. */
1509         int done_fd;
1510 };
1511
1512 /*L:210
1513  * The Disk
1514  *
1515  * Remember that the block device is handled by a separate I/O thread.  We head
1516  * straight into the core of that thread here:
1517  */
1518 static void blk_request(struct virtqueue *vq)
1519 {
1520         struct vblk_info *vblk = vq->dev->priv;
1521         unsigned int head, out_num, in_num, wlen;
1522         int ret;
1523         u8 *in;
1524         struct virtio_blk_outhdr *out;
1525         struct iovec iov[vq->vring.num];
1526         off64_t off;
1527
1528         /* Get the next request. */
1529         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
1530
1531         /*
1532          * Every block request should contain at least one output buffer
1533          * (detailing the location on disk and the type of request) and one
1534          * input buffer (to hold the result).
1535          */
1536         if (out_num == 0 || in_num == 0)
1537                 errx(1, "Bad virtblk cmd %u out=%u in=%u",
1538                      head, out_num, in_num);
1539
1540         out = convert(&iov[0], struct virtio_blk_outhdr);
1541         in = convert(&iov[out_num+in_num-1], u8);
1542         off = out->sector * 512;
1543
1544         /*
1545          * The block device implements "barriers", where the Guest indicates
1546          * that it wants all previous writes to occur before this write.  We
1547          * don't have a way of asking our kernel to do a barrier, so we just
1548          * synchronize all the data in the file.  Pretty poor, no?
1549          */
1550         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_BARRIER)
1551                 fdatasync(vblk->fd);
1552
1553         /*
1554          * In general the virtio block driver is allowed to try SCSI commands.
1555          * It'd be nice if we supported eject, for example, but we don't.
1556          */
1557         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_SCSI_CMD) {
1558                 fprintf(stderr, "Scsi commands unsupported\n");
1559                 *in = VIRTIO_BLK_S_UNSUPP;
1560                 wlen = sizeof(*in);
1561         } else if (out->type & VIRTIO_BLK_T_OUT) {
1562                 /*
1563                  * Write
1564                  *
1565                  * Move to the right location in the block file.  This can fail
1566                  * if they try to write past end.
1567                  */
1568                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
1569                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out->sector);
1570
1571                 ret = writev(vblk->fd, iov+1, out_num-1);
1572                 verbose("WRITE to sector %llu: %i\n", out->sector, ret);
1573
1574                 /*
1575                  * Grr... Now we know how long the descriptor they sent was, we
1576                  * make sure they didn't try to write over the end of the block
1577                  * file (possibly extending it).
1578                  */
1579                 if (ret > 0 && off + ret > vblk->len) {
1580                         /* Trim it back to the correct length */
1581                         ftruncate64(vblk->fd, vblk->len);
1582                         /* Die, bad Guest, die. */
1583                         errx(1, "Write past end %llu+%u", off, ret);
1584                 }
1585                 wlen = sizeof(*in);
1586                 *in = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
1587         } else {
1588                 /*
1589                  * Read
1590                  *
1591                  * Move to the right location in the block file.  This can fail
1592                  * if they try to read past end.
1593                  */
1594                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
1595                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out->sector);
1596
1597                 ret = readv(vblk->fd, iov+1, in_num-1);
1598                 verbose("READ from sector %llu: %i\n", out->sector, ret);
1599                 if (ret >= 0) {
1600                         wlen = sizeof(*in) + ret;
1601                         *in = VIRTIO_BLK_S_OK;
1602                 } else {
1603                         wlen = sizeof(*in);
1604                         *in = VIRTIO_BLK_S_IOERR;
1605                 }
1606         }
1607
1608         /*
1609          * OK, so we noted that it was pretty poor to use an fdatasync as a
1610          * barrier.  But Christoph Hellwig points out that we need a sync
1611          * *afterwards* as well: "Barriers specify no reordering to the front
1612          * or the back."  And Jens Axboe confirmed it, so here we are:
1613          */
1614         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_BARRIER)
1615                 fdatasync(vblk->fd);
1616
1617         add_used(vq, head, wlen);
1618 }
1619
1620 /*L:198 This actually sets up a virtual block device. */
1621 static void setup_block_file(const char *filename)
1622 {
1623         struct device *dev;
1624         struct vblk_info *vblk;
1625         struct virtio_blk_config conf;
1626
1627         /* Creat the device. */
1628         dev = new_device("block", VIRTIO_ID_BLOCK);
1629
1630         /* The device has one virtqueue, where the Guest places requests. */
1631         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, blk_request);
1632
1633         /* Allocate the room for our own bookkeeping */
1634         vblk = dev->priv = malloc(sizeof(*vblk));
1635
1636         /* First we open the file and store the length. */
1637         vblk->fd = open_or_die(filename, O_RDWR|O_LARGEFILE);
1638         vblk->len = lseek64(vblk->fd, 0, SEEK_END);
1639
1640         /* We support barriers. */
1641         add_feature(dev, VIRTIO_BLK_F_BARRIER);
1642
1643         /* Tell Guest how many sectors this device has. */
1644         conf.capacity = cpu_to_le64(vblk->len / 512);
1645
1646         /*
1647          * Tell Guest not to put in too many descriptors at once: two are used
1648          * for the in and out elements.
1649          */
1650         add_feature(dev, VIRTIO_BLK_F_SEG_MAX);
1651         conf.seg_max = cpu_to_le32(VIRTQUEUE_NUM - 2);
1652
1653         /* Don't try to put whole struct: we have 8 bit limit. */
1654         set_config(dev, offsetof(struct virtio_blk_config, geometry), &conf);
1655
1656         verbose("device %u: virtblock %llu sectors\n",
1657                 ++devices.device_num, le64_to_cpu(conf.capacity));
1658 }
1659
1660 /*L:211
1661  * Our random number generator device reads from /dev/random into the Guest's
1662  * input buffers.  The usual case is that the Guest doesn't want random numbers
1663  * and so has no buffers although /dev/random is still readable, whereas
1664  * console is the reverse.
1665  *
1666  * The same logic applies, however.
1667  */
1668 struct rng_info {
1669         int rfd;
1670 };
1671
1672 static void rng_input(struct virtqueue *vq)
1673 {
1674         int len;
1675         unsigned int head, in_num, out_num, totlen = 0;
1676         struct rng_info *rng_info = vq->dev->priv;
1677         struct iovec iov[vq->vring.num];
1678
1679         /* First we need a buffer from the Guests's virtqueue. */
1680         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
1681         if (out_num)
1682                 errx(1, "Output buffers in rng?");
1683
1684         /*
1685          * This is why we convert to iovecs: the readv() call uses them, and so
1686          * it reads straight into the Guest's buffer.  We loop to make sure we
1687          * fill it.
1688          */
1689         while (!iov_empty(iov, in_num)) {
1690                 len = readv(rng_info->rfd, iov, in_num);
1691                 if (len <= 0)
1692                         err(1, "Read from /dev/random gave %i", len);
1693                 iov_consume(iov, in_num, len);
1694                 totlen += len;
1695         }
1696
1697         /* Tell the Guest about the new input. */
1698         add_used(vq, head, totlen);
1699 }
1700
1701 /*L:199
1702  * This creates a "hardware" random number device for the Guest.
1703  */
1704 static void setup_rng(void)
1705 {
1706         struct device *dev;
1707         struct rng_info *rng_info = malloc(sizeof(*rng_info));
1708
1709         /* Our device's privat info simply contains the /dev/random fd. */
1710         rng_info->rfd = open_or_die("/dev/random", O_RDONLY);
1711
1712         /* Create the new device. */
1713         dev = new_device("rng", VIRTIO_ID_RNG);
1714         dev->priv = rng_info;
1715
1716         /* The device has one virtqueue, where the Guest places inbufs. */
1717         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, rng_input);
1718
1719         verbose("device %u: rng\n", devices.device_num++);
1720 }
1721 /* That's the end of device setup. */
1722
1723 /*L:230 Reboot is pretty easy: clean up and exec() the Launcher afresh. */
1724 static void __attribute__((noreturn)) restart_guest(void)
1725 {
1726         unsigned int i;
1727
1728         /*
1729          * Since we don't track all open fds, we simply close everything beyond
1730          * stderr.
1731          */
1732         for (i = 3; i < FD_SETSIZE; i++)
1733                 close(i);
1734
1735         /* Reset all the devices (kills all threads). */
1736         cleanup_devices();
1737
1738         execv(main_args[0], main_args);
1739         err(1, "Could not exec %s", main_args[0]);
1740 }
1741
1742 /*L:220
1743  * Finally we reach the core of the Launcher which runs the Guest, serves
1744  * its input and output, and finally, lays it to rest.
1745  */
1746 static void __attribute__((noreturn)) run_guest(void)
1747 {
1748         for (;;) {
1749                 unsigned long notify_addr;
1750                 int readval;
1751
1752                 /* We read from the /dev/lguest device to run the Guest. */
1753                 readval = pread(lguest_fd, &notify_addr,
1754                                 sizeof(notify_addr), cpu_id);
1755
1756                 /* One unsigned long means the Guest did HCALL_NOTIFY */
1757                 if (readval == sizeof(notify_addr)) {
1758                         verbose("Notify on address %#lx\n", notify_addr);
1759                         handle_output(notify_addr);
1760                 /* ENOENT means the Guest died.  Reading tells us why. */
1761                 } else if (errno == ENOENT) {
1762                         char reason[1024] = { 0 };
1763                         pread(lguest_fd, reason, sizeof(reason)-1, cpu_id);
1764                         errx(1, "%s", reason);
1765                 /* ERESTART means that we need to reboot the guest */
1766                 } else if (errno == ERESTART) {
1767                         restart_guest();
1768                 /* Anything else means a bug or incompatible change. */
1769                 } else
1770                         err(1, "Running guest failed");
1771         }
1772 }
1773 /*L:240
1774  * This is the end of the Launcher.  The good news: we are over halfway
1775  * through!  The bad news: the most fiendish part of the code still lies ahead
1776  * of us.
1777  *
1778  * Are you ready?  Take a deep breath and join me in the core of the Host, in
1779  * "make Host".
1780 :*/
1781
1782 static struct option opts[] = {
1783         { "verbose", 0, NULL, 'v' },
1784         { "tunnet", 1, NULL, 't' },
1785         { "block", 1, NULL, 'b' },
1786         { "rng", 0, NULL, 'r' },
1787         { "initrd", 1, NULL, 'i' },
1788         { NULL },
1789 };
1790 static void usage(void)
1791 {
1792         errx(1, "Usage: lguest [--verbose] "
1793              "[--tunnet=(<ipaddr>:<macaddr>|bridge:<bridgename>:<macaddr>)\n"
1794              "|--block=<filename>|--initrd=<filename>]...\n"
1795              "<mem-in-mb> vmlinux [args...]");
1796 }
1797
1798 /*L:105 The main routine is where the real work begins: */
1799 int main(int argc, char *argv[])
1800 {
1801         /* Memory, code startpoint and size of the (optional) initrd. */
1802         unsigned long mem = 0, start, initrd_size = 0;
1803         /* Two temporaries. */
1804         int i, c;
1805         /* The boot information for the Guest. */
1806         struct boot_params *boot;
1807         /* If they specify an initrd file to load. */
1808         const char *initrd_name = NULL;
1809
1810         /* Save the args: we "reboot" by execing ourselves again. */
1811         main_args = argv;
1812
1813         /*
1814          * First we initialize the device list.  We keep a pointer to the last
1815          * device, and the next interrupt number to use for devices (1:
1816          * remember that 0 is used by the timer).
1817          */
1818         devices.lastdev = NULL;
1819         devices.next_irq = 1;
1820
1821         cpu_id = 0;
1822         /*
1823          * We need to know how much memory so we can set up the device
1824          * descriptor and memory pages for the devices as we parse the command
1825          * line.  So we quickly look through the arguments to find the amount
1826          * of memory now.
1827          */
1828         for (i = 1; i < argc; i++) {
1829                 if (argv[i][0] != '-') {
1830                         mem = atoi(argv[i]) * 1024 * 1024;
1831                         /*
1832                          * We start by mapping anonymous pages over all of
1833                          * guest-physical memory range.  This fills it with 0,
1834                          * and ensures that the Guest won't be killed when it
1835                          * tries to access it.
1836                          */
1837                         guest_base = map_zeroed_pages(mem / getpagesize()
1838                                                       + DEVICE_PAGES);
1839                         guest_limit = mem;
1840                         guest_max = mem + DEVICE_PAGES*getpagesize();
1841                         devices.descpage = get_pages(1);
1842                         break;
1843                 }
1844         }
1845
1846         /* The options are fairly straight-forward */
1847         while ((c = getopt_long(argc, argv, "v", opts, NULL)) != EOF) {
1848                 switch (c) {
1849                 case 'v':
1850                         verbose = true;
1851                         break;
1852                 case 't':
1853                         setup_tun_net(optarg);
1854                         break;
1855                 case 'b':
1856                         setup_block_file(optarg);
1857                         break;
1858                 case 'r':
1859                         setup_rng();
1860                         break;
1861                 case 'i':
1862                         initrd_name = optarg;
1863                         break;
1864                 default:
1865                         warnx("Unknown argument %s", argv[optind]);
1866                         usage();
1867                 }
1868         }
1869         /*
1870          * After the other arguments we expect memory and kernel image name,
1871          * followed by command line arguments for the kernel.
1872          */
1873         if (optind + 2 > argc)
1874                 usage();
1875
1876         verbose("Guest base is at %p\n", guest_base);
1877
1878         /* We always have a console device */
1879         setup_console();
1880
1881         /* Now we load the kernel */
1882         start = load_kernel(open_or_die(argv[optind+1], O_RDONLY));
1883
1884         /* Boot information is stashed at physical address 0 */
1885         boot = from_guest_phys(0);
1886
1887         /* Map the initrd image if requested (at top of physical memory) */
1888         if (initrd_name) {
1889                 initrd_size = load_initrd(initrd_name, mem);
1890                 /*
1891                  * These are the location in the Linux boot header where the
1892                  * start and size of the initrd are expected to be found.
1893                  */
1894                 boot->hdr.ramdisk_image = mem - initrd_size;
1895                 boot->hdr.ramdisk_size = initrd_size;
1896                 /* The bootloader type 0xFF means "unknown"; that's OK. */
1897                 boot->hdr.type_of_loader = 0xFF;
1898         }
1899
1900         /*
1901          * The Linux boot header contains an "E820" memory map: ours is a
1902          * simple, single region.
1903          */
1904         boot->e820_entries = 1;
1905         boot->e820_map[0] = ((struct e820entry) { 0, mem, E820_RAM });
1906         /*
1907          * The boot header contains a command line pointer: we put the command
1908          * line after the boot header.
1909          */
1910         boot->hdr.cmd_line_ptr = to_guest_phys(boot + 1);
1911         /* We use a simple helper to copy the arguments separated by spaces. */
1912         concat((char *)(boot + 1), argv+optind+2);
1913
1914         /* Boot protocol version: 2.07 supports the fields for lguest. */
1915         boot->hdr.version = 0x207;
1916
1917         /* The hardware_subarch value of "1" tells the Guest it's an lguest. */
1918         boot->hdr.hardware_subarch = 1;
1919
1920         /* Tell the entry path not to try to reload segment registers. */
1921         boot->hdr.loadflags |= KEEP_SEGMENTS;
1922
1923         /*
1924          * We tell the kernel to initialize the Guest: this returns the open
1925          * /dev/lguest file descriptor.
1926          */
1927         tell_kernel(start);
1928
1929         /* Ensure that we terminate if a child dies. */
1930         signal(SIGCHLD, kill_launcher);
1931
1932         /* If we exit via err(), this kills all the threads, restores tty. */
1933         atexit(cleanup_devices);
1934
1935         /* Finally, run the Guest.  This doesn't return. */
1936         run_guest();
1937 }
1938 /*:*/
1939
1940 /*M:999
1941  * Mastery is done: you now know everything I do.
1942  *
1943  * But surely you have seen code, features and bugs in your wanderings which
1944  * you now yearn to attack?  That is the real game, and I look forward to you
1945  * patching and forking lguest into the Your-Name-Here-visor.
1946  *
1947  * Farewell, and good coding!
1948  * Rusty Russell.
1949  */