Documentation/x86/protection-keys.txt

   1 Memory Protection Keys for Userspace (PKU aka PKEYs) is a feature
   2 which is found on Intel's Skylake "Scalable Processor" Server CPUs.
   3 It will be avalable in future non-server parts.
   4
   5 For anyone wishing to test or use this feature, it is available in
   6 Amazon's EC2 C5 instances and is known to work there using an Ubuntu
   7 17.04 image.
   8
   9 Memory Protection Keys provides a mechanism for enforcing page-based
  10 protections, but without requiring modification of the page tables
  11 when an application changes protection domains.  It works by
  12 dedicating 4 previously ignored bits in each page table entry to a
  13 "protection key", giving 16 possible keys.
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  15 There is also a new user-accessible register (PKRU) with two separate
  16 bits (Access Disable and Write Disable) for each key.  Being a CPU
  17 register, PKRU is inherently thread-local, potentially giving each
  18 thread a different set of protections from every other thread.
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  20 There are two new instructions (RDPKRU/WRPKRU) for reading and writing
  21 to the new register.  The feature is only available in 64-bit mode,
  22 even though there is theoretically space in the PAE PTEs.  These
  23 permissions are enforced on data access only and have no effect on
  24 instruction fetches.
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  26 =========================== Syscalls ===========================
  27
  28 There are 3 system calls which directly interact with pkeys:
  29
  30         int pkey_alloc(unsigned long flags, unsigned long init_access_rights)
  31         int pkey_free(int pkey);
  32         int pkey_mprotect(unsigned long start, size_t len,
  33                           unsigned long prot, int pkey);
  34
  35 Before a pkey can be used, it must first be allocated with
  36 pkey_alloc().  An application calls the WRPKRU instruction
  37 directly in order to change access permissions to memory covered
  38 with a key.  In this example WRPKRU is wrapped by a C function
  39 called pkey_set().
  40
  41         int real_prot = PROT_READ|PROT_WRITE;
  42         pkey = pkey_alloc(0, PKEY_DISABLE_WRITE);
  43         ptr = mmap(NULL, PAGE_SIZE, PROT_NONE, MAP_ANONYMOUS|MAP_PRIVATE, -1, 0);
  44         ret = pkey_mprotect(ptr, PAGE_SIZE, real_prot, pkey);
  45         ... application runs here
  46
  47 Now, if the application needs to update the data at 'ptr', it can
  48 gain access, do the update, then remove its write access:
  49
  50         pkey_set(pkey, 0); // clear PKEY_DISABLE_WRITE
  51         *ptr = foo; // assign something
  52         pkey_set(pkey, PKEY_DISABLE_WRITE); // set PKEY_DISABLE_WRITE again
  53
  54 Now when it frees the memory, it will also free the pkey since it
  55 is no longer in use:
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  57         munmap(ptr, PAGE_SIZE);
  58         pkey_free(pkey);
  59
  60 (Note: pkey_set() is a wrapper for the RDPKRU and WRPKRU instructions.
  61  An example implementation can be found in
  62  tools/testing/selftests/x86/protection_keys.c)
  63
  64 =========================== Behavior ===========================
  65
  66 The kernel attempts to make protection keys consistent with the
  67 behavior of a plain mprotect().  For instance if you do this:
  68
  69         mprotect(ptr, size, PROT_NONE);
  70         something(ptr);
  71
  72 you can expect the same effects with protection keys when doing this:
  73
  74         pkey = pkey_alloc(0, PKEY_DISABLE_WRITE | PKEY_DISABLE_READ);
  75         pkey_mprotect(ptr, size, PROT_READ|PROT_WRITE, pkey);
  76         something(ptr);
  77
  78 That should be true whether something() is a direct access to 'ptr'
  79 like:
  80
  81         *ptr = foo;
  82
  83 or when the kernel does the access on the application's behalf like
  84 with a read():
  85
  86         read(fd, ptr, 1);
  87
  88 The kernel will send a SIGSEGV in both cases, but si_code will be set
  89 to SEGV_PKERR when violating protection keys versus SEGV_ACCERR when
  90 the plain mprotect() permissions are violated.