drm/panthor: Don't add write fences to the shared BOs
[drm/drm-misc.git] / rust / kernel / uaccess.rs
blobe9347cff99ab202e3d19a612ddeb2edd970022b7
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
3 //! Slices to user space memory regions.
4 //!
5 //! C header: [`include/linux/uaccess.h`](srctree/include/linux/uaccess.h)
7 use crate::{
8     alloc::Flags,
9     bindings,
10     error::Result,
11     prelude::*,
12     types::{AsBytes, FromBytes},
14 use alloc::vec::Vec;
15 use core::ffi::{c_ulong, c_void};
16 use core::mem::{size_of, MaybeUninit};
18 /// The type used for userspace addresses.
19 pub type UserPtr = usize;
21 /// A pointer to an area in userspace memory, which can be either read-only or read-write.
22 ///
23 /// All methods on this struct are safe: attempting to read or write on bad addresses (either out of
24 /// the bound of the slice or unmapped addresses) will return [`EFAULT`]. Concurrent access,
25 /// *including data races to/from userspace memory*, is permitted, because fundamentally another
26 /// userspace thread/process could always be modifying memory at the same time (in the same way that
27 /// userspace Rust's [`std::io`] permits data races with the contents of files on disk). In the
28 /// presence of a race, the exact byte values read/written are unspecified but the operation is
29 /// well-defined. Kernelspace code should validate its copy of data after completing a read, and not
30 /// expect that multiple reads of the same address will return the same value.
31 ///
32 /// These APIs are designed to make it difficult to accidentally write TOCTOU (time-of-check to
33 /// time-of-use) bugs. Every time a memory location is read, the reader's position is advanced by
34 /// the read length and the next read will start from there. This helps prevent accidentally reading
35 /// the same location twice and causing a TOCTOU bug.
36 ///
37 /// Creating a [`UserSliceReader`] and/or [`UserSliceWriter`] consumes the `UserSlice`, helping
38 /// ensure that there aren't multiple readers or writers to the same location.
39 ///
40 /// If double-fetching a memory location is necessary for some reason, then that is done by creating
41 /// multiple readers to the same memory location, e.g. using [`clone_reader`].
42 ///
43 /// # Examples
44 ///
45 /// Takes a region of userspace memory from the current process, and modify it by adding one to
46 /// every byte in the region.
47 ///
48 /// ```no_run
49 /// use alloc::vec::Vec;
50 /// use core::ffi::c_void;
51 /// use kernel::error::Result;
52 /// use kernel::uaccess::{UserPtr, UserSlice};
53 ///
54 /// fn bytes_add_one(uptr: UserPtr, len: usize) -> Result<()> {
55 ///     let (read, mut write) = UserSlice::new(uptr, len).reader_writer();
56 ///
57 ///     let mut buf = Vec::new();
58 ///     read.read_all(&mut buf, GFP_KERNEL)?;
59 ///
60 ///     for b in &mut buf {
61 ///         *b = b.wrapping_add(1);
62 ///     }
63 ///
64 ///     write.write_slice(&buf)?;
65 ///     Ok(())
66 /// }
67 /// ```
68 ///
69 /// Example illustrating a TOCTOU (time-of-check to time-of-use) bug.
70 ///
71 /// ```no_run
72 /// use alloc::vec::Vec;
73 /// use core::ffi::c_void;
74 /// use kernel::error::{code::EINVAL, Result};
75 /// use kernel::uaccess::{UserPtr, UserSlice};
76 ///
77 /// /// Returns whether the data in this region is valid.
78 /// fn is_valid(uptr: UserPtr, len: usize) -> Result<bool> {
79 ///     let read = UserSlice::new(uptr, len).reader();
80 ///
81 ///     let mut buf = Vec::new();
82 ///     read.read_all(&mut buf, GFP_KERNEL)?;
83 ///
84 ///     todo!()
85 /// }
86 ///
87 /// /// Returns the bytes behind this user pointer if they are valid.
88 /// fn get_bytes_if_valid(uptr: UserPtr, len: usize) -> Result<Vec<u8>> {
89 ///     if !is_valid(uptr, len)? {
90 ///         return Err(EINVAL);
91 ///     }
92 ///
93 ///     let read = UserSlice::new(uptr, len).reader();
94 ///
95 ///     let mut buf = Vec::new();
96 ///     read.read_all(&mut buf, GFP_KERNEL)?;
97 ///
98 ///     // THIS IS A BUG! The bytes could have changed since we checked them.
99 ///     //
100 ///     // To avoid this kind of bug, don't call `UserSlice::new` multiple
101 ///     // times with the same address.
102 ///     Ok(buf)
103 /// }
104 /// ```
106 /// [`std::io`]: https://doc.rust-lang.org/std/io/index.html
107 /// [`clone_reader`]: UserSliceReader::clone_reader
108 pub struct UserSlice {
109     ptr: UserPtr,
110     length: usize,
113 impl UserSlice {
114     /// Constructs a user slice from a raw pointer and a length in bytes.
115     ///
116     /// Constructing a [`UserSlice`] performs no checks on the provided address and length, it can
117     /// safely be constructed inside a kernel thread with no current userspace process. Reads and
118     /// writes wrap the kernel APIs `copy_from_user` and `copy_to_user`, which check the memory map
119     /// of the current process and enforce that the address range is within the user range (no
120     /// additional calls to `access_ok` are needed). Validity of the pointer is checked when you
121     /// attempt to read or write, not in the call to `UserSlice::new`.
122     ///
123     /// Callers must be careful to avoid time-of-check-time-of-use (TOCTOU) issues. The simplest way
124     /// is to create a single instance of [`UserSlice`] per user memory block as it reads each byte
125     /// at most once.
126     pub fn new(ptr: UserPtr, length: usize) -> Self {
127         UserSlice { ptr, length }
128     }
130     /// Reads the entirety of the user slice, appending it to the end of the provided buffer.
131     ///
132     /// Fails with [`EFAULT`] if the read happens on a bad address.
133     pub fn read_all(self, buf: &mut Vec<u8>, flags: Flags) -> Result {
134         self.reader().read_all(buf, flags)
135     }
137     /// Constructs a [`UserSliceReader`].
138     pub fn reader(self) -> UserSliceReader {
139         UserSliceReader {
140             ptr: self.ptr,
141             length: self.length,
142         }
143     }
145     /// Constructs a [`UserSliceWriter`].
146     pub fn writer(self) -> UserSliceWriter {
147         UserSliceWriter {
148             ptr: self.ptr,
149             length: self.length,
150         }
151     }
153     /// Constructs both a [`UserSliceReader`] and a [`UserSliceWriter`].
154     ///
155     /// Usually when this is used, you will first read the data, and then overwrite it afterwards.
156     pub fn reader_writer(self) -> (UserSliceReader, UserSliceWriter) {
157         (
158             UserSliceReader {
159                 ptr: self.ptr,
160                 length: self.length,
161             },
162             UserSliceWriter {
163                 ptr: self.ptr,
164                 length: self.length,
165             },
166         )
167     }
170 /// A reader for [`UserSlice`].
172 /// Used to incrementally read from the user slice.
173 pub struct UserSliceReader {
174     ptr: UserPtr,
175     length: usize,
178 impl UserSliceReader {
179     /// Skip the provided number of bytes.
180     ///
181     /// Returns an error if skipping more than the length of the buffer.
182     pub fn skip(&mut self, num_skip: usize) -> Result {
183         // Update `self.length` first since that's the fallible part of this operation.
184         self.length = self.length.checked_sub(num_skip).ok_or(EFAULT)?;
185         self.ptr = self.ptr.wrapping_add(num_skip);
186         Ok(())
187     }
189     /// Create a reader that can access the same range of data.
190     ///
191     /// Reading from the clone does not advance the current reader.
192     ///
193     /// The caller should take care to not introduce TOCTOU issues, as described in the
194     /// documentation for [`UserSlice`].
195     pub fn clone_reader(&self) -> UserSliceReader {
196         UserSliceReader {
197             ptr: self.ptr,
198             length: self.length,
199         }
200     }
202     /// Returns the number of bytes left to be read from this reader.
203     ///
204     /// Note that even reading less than this number of bytes may fail.
205     pub fn len(&self) -> usize {
206         self.length
207     }
209     /// Returns `true` if no data is available in the io buffer.
210     pub fn is_empty(&self) -> bool {
211         self.length == 0
212     }
214     /// Reads raw data from the user slice into a kernel buffer.
215     ///
216     /// For a version that uses `&mut [u8]`, please see [`UserSliceReader::read_slice`].
217     ///
218     /// Fails with [`EFAULT`] if the read happens on a bad address, or if the read goes out of
219     /// bounds of this [`UserSliceReader`]. This call may modify `out` even if it returns an error.
220     ///
221     /// # Guarantees
222     ///
223     /// After a successful call to this method, all bytes in `out` are initialized.
224     pub fn read_raw(&mut self, out: &mut [MaybeUninit<u8>]) -> Result {
225         let len = out.len();
226         let out_ptr = out.as_mut_ptr().cast::<c_void>();
227         if len > self.length {
228             return Err(EFAULT);
229         }
230         let Ok(len_ulong) = c_ulong::try_from(len) else {
231             return Err(EFAULT);
232         };
233         // SAFETY: `out_ptr` points into a mutable slice of length `len_ulong`, so we may write
234         // that many bytes to it.
235         let res =
236             unsafe { bindings::copy_from_user(out_ptr, self.ptr as *const c_void, len_ulong) };
237         if res != 0 {
238             return Err(EFAULT);
239         }
240         self.ptr = self.ptr.wrapping_add(len);
241         self.length -= len;
242         Ok(())
243     }
245     /// Reads raw data from the user slice into a kernel buffer.
246     ///
247     /// Fails with [`EFAULT`] if the read happens on a bad address, or if the read goes out of
248     /// bounds of this [`UserSliceReader`]. This call may modify `out` even if it returns an error.
249     pub fn read_slice(&mut self, out: &mut [u8]) -> Result {
250         // SAFETY: The types are compatible and `read_raw` doesn't write uninitialized bytes to
251         // `out`.
252         let out = unsafe { &mut *(out as *mut [u8] as *mut [MaybeUninit<u8>]) };
253         self.read_raw(out)
254     }
256     /// Reads a value of the specified type.
257     ///
258     /// Fails with [`EFAULT`] if the read happens on a bad address, or if the read goes out of
259     /// bounds of this [`UserSliceReader`].
260     pub fn read<T: FromBytes>(&mut self) -> Result<T> {
261         let len = size_of::<T>();
262         if len > self.length {
263             return Err(EFAULT);
264         }
265         let Ok(len_ulong) = c_ulong::try_from(len) else {
266             return Err(EFAULT);
267         };
268         let mut out: MaybeUninit<T> = MaybeUninit::uninit();
269         // SAFETY: The local variable `out` is valid for writing `size_of::<T>()` bytes.
270         //
271         // By using the _copy_from_user variant, we skip the check_object_size check that verifies
272         // the kernel pointer. This mirrors the logic on the C side that skips the check when the
273         // length is a compile-time constant.
274         let res = unsafe {
275             bindings::_copy_from_user(
276                 out.as_mut_ptr().cast::<c_void>(),
277                 self.ptr as *const c_void,
278                 len_ulong,
279             )
280         };
281         if res != 0 {
282             return Err(EFAULT);
283         }
284         self.ptr = self.ptr.wrapping_add(len);
285         self.length -= len;
286         // SAFETY: The read above has initialized all bytes in `out`, and since `T` implements
287         // `FromBytes`, any bit-pattern is a valid value for this type.
288         Ok(unsafe { out.assume_init() })
289     }
291     /// Reads the entirety of the user slice, appending it to the end of the provided buffer.
292     ///
293     /// Fails with [`EFAULT`] if the read happens on a bad address.
294     pub fn read_all(mut self, buf: &mut Vec<u8>, flags: Flags) -> Result {
295         let len = self.length;
296         VecExt::<u8>::reserve(buf, len, flags)?;
298         // The call to `try_reserve` was successful, so the spare capacity is at least `len` bytes
299         // long.
300         self.read_raw(&mut buf.spare_capacity_mut()[..len])?;
302         // SAFETY: Since the call to `read_raw` was successful, so the next `len` bytes of the
303         // vector have been initialized.
304         unsafe { buf.set_len(buf.len() + len) };
305         Ok(())
306     }
309 /// A writer for [`UserSlice`].
311 /// Used to incrementally write into the user slice.
312 pub struct UserSliceWriter {
313     ptr: UserPtr,
314     length: usize,
317 impl UserSliceWriter {
318     /// Returns the amount of space remaining in this buffer.
319     ///
320     /// Note that even writing less than this number of bytes may fail.
321     pub fn len(&self) -> usize {
322         self.length
323     }
325     /// Returns `true` if no more data can be written to this buffer.
326     pub fn is_empty(&self) -> bool {
327         self.length == 0
328     }
330     /// Writes raw data to this user pointer from a kernel buffer.
331     ///
332     /// Fails with [`EFAULT`] if the write happens on a bad address, or if the write goes out of
333     /// bounds of this [`UserSliceWriter`]. This call may modify the associated userspace slice even
334     /// if it returns an error.
335     pub fn write_slice(&mut self, data: &[u8]) -> Result {
336         let len = data.len();
337         let data_ptr = data.as_ptr().cast::<c_void>();
338         if len > self.length {
339             return Err(EFAULT);
340         }
341         let Ok(len_ulong) = c_ulong::try_from(len) else {
342             return Err(EFAULT);
343         };
344         // SAFETY: `data_ptr` points into an immutable slice of length `len_ulong`, so we may read
345         // that many bytes from it.
346         let res = unsafe { bindings::copy_to_user(self.ptr as *mut c_void, data_ptr, len_ulong) };
347         if res != 0 {
348             return Err(EFAULT);
349         }
350         self.ptr = self.ptr.wrapping_add(len);
351         self.length -= len;
352         Ok(())
353     }
355     /// Writes the provided Rust value to this userspace pointer.
356     ///
357     /// Fails with [`EFAULT`] if the write happens on a bad address, or if the write goes out of
358     /// bounds of this [`UserSliceWriter`]. This call may modify the associated userspace slice even
359     /// if it returns an error.
360     pub fn write<T: AsBytes>(&mut self, value: &T) -> Result {
361         let len = size_of::<T>();
362         if len > self.length {
363             return Err(EFAULT);
364         }
365         let Ok(len_ulong) = c_ulong::try_from(len) else {
366             return Err(EFAULT);
367         };
368         // SAFETY: The reference points to a value of type `T`, so it is valid for reading
369         // `size_of::<T>()` bytes.
370         //
371         // By using the _copy_to_user variant, we skip the check_object_size check that verifies the
372         // kernel pointer. This mirrors the logic on the C side that skips the check when the length
373         // is a compile-time constant.
374         let res = unsafe {
375             bindings::_copy_to_user(
376                 self.ptr as *mut c_void,
377                 (value as *const T).cast::<c_void>(),
378                 len_ulong,
379             )
380         };
381         if res != 0 {
382             return Err(EFAULT);
383         }
384         self.ptr = self.ptr.wrapping_add(len);
385         self.length -= len;
386         Ok(())
387     }