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(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                 }
 202 }
 203
 204 static int preallocate_pmds(pmd_t *pmds[])
 205 {
 206         int i;
 207         bool failed = false;
 208
 209         for(i = 0; i < PREALLOCATED_PMDS; i++) {
 210                 pmd_t *pmd = (pmd_t *)__get_free_page(PGALLOC_GFP);
 211                 if (!pmd)
 212                         failed = true;
 213                 if (pmd && !pgtable_pmd_page_ctor(virt_to_page(pmd))) {
 214                         free_page((unsigned long)pmd);
 215                         pmd = NULL;
 216                         failed = true;
 217                 }
 218                 pmds[i] = pmd;
 219         }
 220
 221         if (failed) {
 222                 free_pmds(pmds);
 223                 return -ENOMEM;
 224         }
 225
 226         return 0;
 227 }
 228
 229 /*
 230  * Mop up any pmd pages which may still be attached to the pgd.
 231  * Normally they will be freed by munmap/exit_mmap, but any pmd we
 232  * preallocate which never got a corresponding vma will need to be
 233  * freed manually.
 234  */
 235 static void pgd_mop_up_pmds(struct mm_struct *mm, pgd_t *pgdp)
 236 {
 237         int i;
 238
 239         for(i = 0; i < PREALLOCATED_PMDS; i++) {
 240                 pgd_t pgd = pgdp[i];
 241
 242                 if (pgd_val(pgd) != 0) {
 243                         pmd_t *pmd = (pmd_t *)pgd_page_vaddr(pgd);
 244
 245                         pgdp[i] = native_make_pgd(0);
 246
 247                         paravirt_release_pmd(pgd_val(pgd) >> PAGE_SHIFT);
 248                         pmd_free(mm, pmd);
 249                 }
 250         }
 251 }
 252
 253 static void pgd_prepopulate_pmd(struct mm_struct *mm, pgd_t *pgd, pmd_t *pmds[])
 254 {
 255         pud_t *pud;
 256         int i;
 257
 258         if (PREALLOCATED_PMDS == 0) /* Work around gcc-3.4.x bug */
 259                 return;
 260
 261         pud = pud_offset(pgd, 0);
 262
 263         for (i = 0; i < PREALLOCATED_PMDS; i++, pud++) {
 264                 pmd_t *pmd = pmds[i];
 265
 266                 if (i >= KERNEL_PGD_BOUNDARY)
 267                         memcpy(pmd, (pmd_t *)pgd_page_vaddr(swapper_pg_dir[i]),
 268                                sizeof(pmd_t) * PTRS_PER_PMD);
 269
 270                 pud_populate(mm, pud, pmd);
 271         }
 272 }
 273
 274 /*
 275  * Xen paravirt assumes pgd table should be in one page. 64 bit kernel also
 276  * assumes that pgd should be in one page.
 277  *
 278  * But kernel with PAE paging that is not running as a Xen domain
 279  * only needs to allocate 32 bytes for pgd instead of one page.
 280  */
 281 #ifdef CONFIG_X86_PAE
 282
 283 #include <linux/slab.h>
 284
 285 #define PGD_SIZE        (PTRS_PER_PGD * sizeof(pgd_t))
 286 #define PGD_ALIGN       32
 287
 288 static struct kmem_cache *pgd_cache;
 289
 290 static int __init pgd_cache_init(void)
 291 {
 292         /*
 293          * When PAE kernel is running as a Xen domain, it does not use
 294          * shared kernel pmd. And this requires a whole page for pgd.
 295          */
 296         if (!SHARED_KERNEL_PMD)
 297                 return 0;
 298
 299         /*
 300          * when PAE kernel is not running as a Xen domain, it uses
 301          * shared kernel pmd. Shared kernel pmd does not require a whole
 302          * page for pgd. We are able to just allocate a 32-byte for pgd.
 303          * During boot time, we create a 32-byte slab for pgd table allocation.
 304          */
 305         pgd_cache = kmem_cache_create("pgd_cache", PGD_SIZE, PGD_ALIGN,
 306                                       SLAB_PANIC, NULL);
 307         if (!pgd_cache)
 308                 return -ENOMEM;
 309
 310         return 0;
 311 }
 312 core_initcall(pgd_cache_init);
 313
 314 static inline pgd_t *_pgd_alloc(void)
 315 {
 316         /*
 317          * If no SHARED_KERNEL_PMD, PAE kernel is running as a Xen domain.
 318          * We allocate one page for pgd.
 319          */
 320         if (!SHARED_KERNEL_PMD)
 321                 return (pgd_t *)__get_free_page(PGALLOC_GFP);
 322
 323         /*
 324          * Now PAE kernel is not running as a Xen domain. We can allocate
 325          * a 32-byte slab for pgd to save memory space.
 326          */
 327         return kmem_cache_alloc(pgd_cache, PGALLOC_GFP);
 328 }
 329
 330 static inline void _pgd_free(pgd_t *pgd)
 331 {
 332         if (!SHARED_KERNEL_PMD)
 333                 free_page((unsigned long)pgd);
 334         else
 335                 kmem_cache_free(pgd_cache, pgd);
 336 }
 337 #else
 338 static inline pgd_t *_pgd_alloc(void)
 339 {
 340         return (pgd_t *)__get_free_page(PGALLOC_GFP);
 341 }
 342
 343 static inline void _pgd_free(pgd_t *pgd)
 344 {
 345         free_page((unsigned long)pgd);
 346 }
 347 #endif /* CONFIG_X86_PAE */
 348
 349 pgd_t *pgd_alloc(struct mm_struct *mm)
 350 {
 351         pgd_t *pgd;
 352         pmd_t *pmds[PREALLOCATED_PMDS];
 353
 354         pgd = _pgd_alloc();
 355
 356         if (pgd == NULL)
 357                 goto out;
 358
 359         mm->pgd = pgd;
 360
 361         if (preallocate_pmds(pmds) != 0)
 362                 goto out_free_pgd;
 363
 364         if (paravirt_pgd_alloc(mm) != 0)
 365                 goto out_free_pmds;
 366
 367         /*
 368          * Make sure that pre-populating the pmds is atomic with
 369          * respect to anything walking the pgd_list, so that they
 370          * never see a partially populated pgd.
 371          */
 372         spin_lock(&pgd_lock);
 373
 374         pgd_ctor(mm, pgd);
 375         pgd_prepopulate_pmd(mm, pgd, pmds);
 376
 377         spin_unlock(&pgd_lock);
 378
 379         return pgd;
 380
 381 out_free_pmds:
 382         free_pmds(pmds);
 383 out_free_pgd:
 384         _pgd_free(pgd);
 385 out:
 386         return NULL;
 387 }
 388
 389 void pgd_free(struct mm_struct *mm, pgd_t *pgd)
 390 {
 391         pgd_mop_up_pmds(mm, pgd);
 392         pgd_dtor(pgd);
 393         paravirt_pgd_free(mm, pgd);
 394         _pgd_free(pgd);
 395 }
 396
 397 /*
 398  * Used to set accessed or dirty bits in the page table entries
 399  * on other architectures. On x86, the accessed and dirty bits
 400  * are tracked by hardware. However, do_wp_page calls this function
 401  * to also make the pte writeable at the same time the dirty bit is
 402  * set. In that case we do actually need to write the PTE.
 403  */
 404 int ptep_set_access_flags(struct vm_area_struct *vma,
 405                           unsigned long address, pte_t *ptep,
 406                           pte_t entry, int dirty)
 407 {
 408         int changed = !pte_same(*ptep, entry);
 409
 410         if (changed && dirty) {
 411                 *ptep = entry;
 412                 pte_update_defer(vma->vm_mm, address, ptep);
 413         }
 414
 415         return changed;
 416 }
 417
 418 #ifdef CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE
 419 int pmdp_set_access_flags(struct vm_area_struct *vma,
 420                           unsigned long address, pmd_t *pmdp,
 421                           pmd_t entry, int dirty)
 422 {
 423         int changed = !pmd_same(*pmdp, entry);
 424
 425         VM_BUG_ON(address & ~HPAGE_PMD_MASK);
 426
 427         if (changed && dirty) {
 428                 *pmdp = entry;
 429                 pmd_update_defer(vma->vm_mm, address, pmdp);
 430                 /*
 431                  * We had a write-protection fault here and changed the pmd
 432                  * to to more permissive. No need to flush the TLB for that,
 433                  * #PF is architecturally guaranteed to do that and in the
 434                  * worst-case we'll generate a spurious fault.
 435                  */
 436         }
 437
 438         return changed;
 439 }
 440 #endif
 441
 442 int ptep_test_and_clear_young(struct vm_area_struct *vma,
 443                               unsigned long addr, pte_t *ptep)
 444 {
 445         int ret = 0;
 446
 447         if (pte_young(*ptep))
 448                 ret = test_and_clear_bit(_PAGE_BIT_ACCESSED,
 449                                          (unsigned long *) &ptep->pte);
 450
 451         if (ret)
 452                 pte_update(vma->vm_mm, addr, ptep);
 453
 454         return ret;
 455 }
 456
 457 #ifdef CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE
 458 int pmdp_test_and_clear_young(struct vm_area_struct *vma,
 459                               unsigned long addr, pmd_t *pmdp)
 460 {
 461         int ret = 0;
 462
 463         if (pmd_young(*pmdp))
 464                 ret = test_and_clear_bit(_PAGE_BIT_ACCESSED,
 465                                          (unsigned long *)pmdp);
 466
 467         if (ret)
 468                 pmd_update(vma->vm_mm, addr, pmdp);
 469
 470         return ret;
 471 }
 472 #endif
 473
 474 int ptep_clear_flush_young(struct vm_area_struct *vma,
 475                            unsigned long address, pte_t *ptep)
 476 {
 477         /*
 478          * On x86 CPUs, clearing the accessed bit without a TLB flush
 479          * doesn't cause data corruption. [ It could cause incorrect
 480          * page aging and the (mistaken) reclaim of hot pages, but the
 481          * chance of that should be relatively low. ]
 482          *
 483          * So as a performance optimization don't flush the TLB when
 484          * clearing the accessed bit, it will eventually be flushed by
 485          * a context switch or a VM operation anyway. [ In the rare
 486          * event of it not getting flushed for a long time the delay
 487          * shouldn't really matter because there's no real memory
 488          * pressure for swapout to react to. ]
 489          */
 490         return ptep_test_and_clear_young(vma, address, ptep);
 491 }
 492
 493 #ifdef CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE
 494 int pmdp_clear_flush_young(struct vm_area_struct *vma,
 495                            unsigned long address, pmd_t *pmdp)
 496 {
 497         int young;
 498
 499         VM_BUG_ON(address & ~HPAGE_PMD_MASK);
 500
 501         young = pmdp_test_and_clear_young(vma, address, pmdp);
 502         if (young)
 503                 flush_tlb_range(vma, address, address + HPAGE_PMD_SIZE);
 504
 505         return young;
 506 }
 507
 508 void pmdp_splitting_flush(struct vm_area_struct *vma,
 509                           unsigned long address, pmd_t *pmdp)
 510 {
 511         int set;
 512         VM_BUG_ON(address & ~HPAGE_PMD_MASK);
 513         set = !test_and_set_bit(_PAGE_BIT_SPLITTING,
 514                                 (unsigned long *)pmdp);
 515         if (set) {
 516                 pmd_update(vma->vm_mm, address, pmdp);
 517                 /* need tlb flush only to serialize against gup-fast */
 518                 flush_tlb_range(vma, address, address + HPAGE_PMD_SIZE);
 519         }
 520 }
 521 #endif
 522
 523 /**
 524  * reserve_top_address - reserves a hole in the top of kernel address space
 525  * @reserve - size of hole to reserve
 526  *
 527  * Can be used to relocate the fixmap area and poke a hole in the top
 528  * of kernel address space to make room for a hypervisor.
 529  */
 530 void __init reserve_top_address(unsigned long reserve)
 531 {
 532 #ifdef CONFIG_X86_32
 533         BUG_ON(fixmaps_set > 0);
 534         __FIXADDR_TOP = round_down(-reserve, 1 << PMD_SHIFT) - PAGE_SIZE;
 535         printk(KERN_INFO "Reserving virtual address space above 0x%08lx (rounded to 0x%08lx)\n",
 536                -reserve, __FIXADDR_TOP + PAGE_SIZE);
 537 #endif
 538 }
 539
 540 int fixmaps_set;
 541
 542 void __native_set_fixmap(enum fixed_addresses idx, pte_t pte)
 543 {
 544         unsigned long address = __fix_to_virt(idx);
 545
 546         if (idx >= __end_of_fixed_addresses) {
 547                 BUG();
 548                 return;
 549         }
 550         set_pte_vaddr(address, pte);
 551         fixmaps_set++;
 552 }
 553
 554 void native_set_fixmap(enum fixed_addresses idx, phys_addr_t phys,
 555                        pgprot_t flags)
 556 {
 557         __native_set_fixmap(idx, pfn_pte(phys >> PAGE_SHIFT, flags));
 558 }