Documentation/bpf/bpf_design_QA.txt

   1 BPF extensibility and applicability to networking, tracing, security
   2 in the linux kernel and several user space implementations of BPF
   3 virtual machine led to a number of misunderstanding on what BPF actually is.
   4 This short QA is an attempt to address that and outline a direction
   5 of where BPF is heading long term.
   6
   7 Q: Is BPF a generic instruction set similar to x64 and arm64?
   8 A: NO.
   9
  10 Q: Is BPF a generic virtual machine ?
  11 A: NO.
  12
  13 BPF is generic instruction set _with_ C calling convention.
  14
  15 Q: Why C calling convention was chosen?
  16 A: Because BPF programs are designed to run in the linux kernel
  17    which is written in C, hence BPF defines instruction set compatible
  18    with two most used architectures x64 and arm64 (and takes into
  19    consideration important quirks of other architectures) and
  20    defines calling convention that is compatible with C calling
  21    convention of the linux kernel on those architectures.
  22
  23 Q: can multiple return values be supported in the future?
  24 A: NO. BPF allows only register R0 to be used as return value.
  25
  26 Q: can more than 5 function arguments be supported in the future?
  27 A: NO. BPF calling convention only allows registers R1-R5 to be used
  28    as arguments. BPF is not a standalone instruction set.
  29    (unlike x64 ISA that allows msft, cdecl and other conventions)
  30
  31 Q: can BPF programs access instruction pointer or return address?
  32 A: NO.
  33
  34 Q: can BPF programs access stack pointer ?
  35 A: NO. Only frame pointer (register R10) is accessible.
  36    From compiler point of view it's necessary to have stack pointer.
  37    For example LLVM defines register R11 as stack pointer in its
  38    BPF backend, but it makes sure that generated code never uses it.
  39
  40 Q: Does C-calling convention diminishes possible use cases?
  41 A: YES. BPF design forces addition of major functionality in the form
  42    of kernel helper functions and kernel objects like BPF maps with
  43    seamless interoperability between them. It lets kernel call into
  44    BPF programs and programs call kernel helpers with zero overhead.
  45    As all of them were native C code. That is particularly the case
  46    for JITed BPF programs that are indistinguishable from
  47    native kernel C code.
  48
  49 Q: Does it mean that 'innovative' extensions to BPF code are disallowed?
  50 A: Soft yes. At least for now until BPF core has support for
  51    bpf-to-bpf calls, indirect calls, loops, global variables,
  52    jump tables, read only sections and all other normal constructs
  53    that C code can produce.
  54
  55 Q: Can loops be supported in a safe way?
  56 A: It's not clear yet. BPF developers are trying to find a way to
  57    support bounded loops where the verifier can guarantee that
  58    the program terminates in less than 4096 instructions.
  59
  60 Q: How come LD_ABS and LD_IND instruction are present in BPF whereas
  61    C code cannot express them and has to use builtin intrinsics?
  62 A: This is artifact of compatibility with classic BPF. Modern
  63    networking code in BPF performs better without them.
  64    See 'direct packet access'.
  65
  66 Q: It seems not all BPF instructions are one-to-one to native CPU.
  67    For example why BPF_JNE and other compare and jumps are not cpu-like?
  68 A: This was necessary to avoid introducing flags into ISA which are
  69    impossible to make generic and efficient across CPU architectures.
  70
  71 Q: why BPF_DIV instruction doesn't map to x64 div?
  72 A: Because if we picked one-to-one relationship to x64 it would have made
  73    it more complicated to support on arm64 and other archs. Also it
  74    needs div-by-zero runtime check.
  75
  76 Q: why there is no BPF_SDIV for signed divide operation?
  77 A: Because it would be rarely used. llvm errors in such case and
  78    prints a suggestion to use unsigned divide instead
  79
  80 Q: Why BPF has implicit prologue and epilogue?
  81 A: Because architectures like sparc have register windows and in general
  82    there are enough subtle differences between architectures, so naive
  83    store return address into stack won't work. Another reason is BPF has
  84    to be safe from division by zero (and legacy exception path
  85    of LD_ABS insn). Those instructions need to invoke epilogue and
  86    return implicitly.
  87
  88 Q: Why BPF_JLT and BPF_JLE instructions were not introduced in the beginning?
  89 A: Because classic BPF didn't have them and BPF authors felt that compiler
  90    workaround would be acceptable. Turned out that programs lose performance
  91    due to lack of these compare instructions and they were added.
  92    These two instructions is a perfect example what kind of new BPF
  93    instructions are acceptable and can be added in the future.
  94    These two already had equivalent instructions in native CPUs.
  95    New instructions that don't have one-to-one mapping to HW instructions
  96    will not be accepted.
  97
  98 Q: BPF 32-bit subregisters have a requirement to zero upper 32-bits of BPF
  99    registers which makes BPF inefficient virtual machine for 32-bit
 100    CPU architectures and 32-bit HW accelerators. Can true 32-bit registers
 101    be added to BPF in the future?
 102 A: NO. The first thing to improve performance on 32-bit archs is to teach
 103    LLVM to generate code that uses 32-bit subregisters. Then second step
 104    is to teach verifier to mark operations where zero-ing upper bits
 105    is unnecessary. Then JITs can take advantage of those markings and
 106    drastically reduce size of generated code and improve performance.
 107
 108 Q: Does BPF have a stable ABI?
 109 A: YES. BPF instructions, arguments to BPF programs, set of helper
 110    functions and their arguments, recognized return codes are all part
 111    of ABI. However when tracing programs are using bpf_probe_read() helper
 112    to walk kernel internal datastructures and compile with kernel
 113    internal headers these accesses can and will break with newer
 114    kernels. The union bpf_attr -> kern_version is checked at load time
 115    to prevent accidentally loading kprobe-based bpf programs written
 116    for a different kernel. Networking programs don't do kern_version check.
 117
 118 Q: How much stack space a BPF program uses?
 119 A: Currently all program types are limited to 512 bytes of stack
 120    space, but the verifier computes the actual amount of stack used
 121    and both interpreter and most JITed code consume necessary amount.
 122
 123 Q: Can BPF be offloaded to HW?
 124 A: YES. BPF HW offload is supported by NFP driver.
 125
 126 Q: Does classic BPF interpreter still exist?
 127 A: NO. Classic BPF programs are converted into extend BPF instructions.
 128
 129 Q: Can BPF call arbitrary kernel functions?
 130 A: NO. BPF programs can only call a set of helper functions which
 131    is defined for every program type.
 132
 133 Q: Can BPF overwrite arbitrary kernel memory?
 134 A: NO. Tracing bpf programs can _read_ arbitrary memory with bpf_probe_read()
 135    and bpf_probe_read_str() helpers. Networking programs cannot read
 136    arbitrary memory, since they don't have access to these helpers.
 137    Programs can never read or write arbitrary memory directly.
 138
 139 Q: Can BPF overwrite arbitrary user memory?
 140 A: Sort-of. Tracing BPF programs can overwrite the user memory
 141    of the current task with bpf_probe_write_user(). Every time such
 142    program is loaded the kernel will print warning message, so
 143    this helper is only useful for experiments and prototypes.
 144    Tracing BPF programs are root only.
 145
 146 Q: When bpf_trace_printk() helper is used the kernel prints nasty
 147    warning message. Why is that?
 148 A: This is done to nudge program authors into better interfaces when
 149    programs need to pass data to user space. Like bpf_perf_event_output()
 150    can be used to efficiently stream data via perf ring buffer.
 151    BPF maps can be used for asynchronous data sharing between kernel
 152    and user space. bpf_trace_printk() should only be used for debugging.
 153
 154 Q: Can BPF functionality such as new program or map types, new
 155    helpers, etc be added out of kernel module code?
 156 A: NO.