Documentation/virtual/kvm/locking.txt

   1 KVM Lock Overview
   2 =================
   3
   4 1. Acquisition Orders
   5 ---------------------
   6
   7 (to be written)
   8
   9 2: Exception
  10 ------------
  11
  12 Fast page fault:
  13
  14 Fast page fault is the fast path which fixes the guest page fault out of
  15 the mmu-lock on x86. Currently, the page fault can be fast only if the
  16 shadow page table is present and it is caused by write-protect, that means
  17 we just need change the W bit of the spte.
  18
  19 What we use to avoid all the race is the SPTE_HOST_WRITEABLE bit and
  20 SPTE_MMU_WRITEABLE bit on the spte:
  21 - SPTE_HOST_WRITEABLE means the gfn is writable on host.
  22 - SPTE_MMU_WRITEABLE means the gfn is writable on mmu. The bit is set when
  23   the gfn is writable on guest mmu and it is not write-protected by shadow
  24   page write-protection.
  25
  26 On fast page fault path, we will use cmpxchg to atomically set the spte W
  27 bit if spte.SPTE_HOST_WRITEABLE = 1 and spte.SPTE_WRITE_PROTECT = 1, this
  28 is safe because whenever changing these bits can be detected by cmpxchg.
  29
  30 But we need carefully check these cases:
  31 1): The mapping from gfn to pfn
  32 The mapping from gfn to pfn may be changed since we can only ensure the pfn
  33 is not changed during cmpxchg. This is a ABA problem, for example, below case
  34 will happen:
  35
  36 At the beginning:
  37 gpte = gfn1
  38 gfn1 is mapped to pfn1 on host
  39 spte is the shadow page table entry corresponding with gpte and
  40 spte = pfn1
  41
  42    VCPU 0                           VCPU0
  43 on fast page fault path:
  44
  45    old_spte = *spte;
  46                                  pfn1 is swapped out:
  47                                     spte = 0;
  48
  49                                  pfn1 is re-alloced for gfn2.
  50
  51                                  gpte is changed to point to
  52                                  gfn2 by the guest:
  53                                     spte = pfn1;
  54
  55    if (cmpxchg(spte, old_spte, old_spte+W)
  56         mark_page_dirty(vcpu->kvm, gfn1)
  57              OOPS!!!
  58
  59 We dirty-log for gfn1, that means gfn2 is lost in dirty-bitmap.
  60
  61 For direct sp, we can easily avoid it since the spte of direct sp is fixed
  62 to gfn. For indirect sp, before we do cmpxchg, we call gfn_to_pfn_atomic()
  63 to pin gfn to pfn, because after gfn_to_pfn_atomic():
  64 - We have held the refcount of pfn that means the pfn can not be freed and
  65   be reused for another gfn.
  66 - The pfn is writable that means it can not be shared between different gfns
  67   by KSM.
  68
  69 Then, we can ensure the dirty bitmaps is correctly set for a gfn.
  70
  71 Currently, to simplify the whole things, we disable fast page fault for
  72 indirect shadow page.
  73
  74 2): Dirty bit tracking
  75 In the origin code, the spte can be fast updated (non-atomically) if the
  76 spte is read-only and the Accessed bit has already been set since the
  77 Accessed bit and Dirty bit can not be lost.
  78
  79 But it is not true after fast page fault since the spte can be marked
  80 writable between reading spte and updating spte. Like below case:
  81
  82 At the beginning:
  83 spte.W = 0
  84 spte.Accessed = 1
  85
  86    VCPU 0                                       VCPU0
  87 In mmu_spte_clear_track_bits():
  88
  89    old_spte = *spte;
  90
  91    /* 'if' condition is satisfied. */
  92    if (old_spte.Accssed == 1 &&
  93         old_spte.W == 0)
  94       spte = 0ull;
  95                                          on fast page fault path:
  96                                              spte.W = 1
  97                                          memory write on the spte:
  98                                              spte.Dirty = 1
  99
 100
 101    else
 102       old_spte = xchg(spte, 0ull)
 103
 104
 105    if (old_spte.Accssed == 1)
 106       kvm_set_pfn_accessed(spte.pfn);
 107    if (old_spte.Dirty == 1)
 108       kvm_set_pfn_dirty(spte.pfn);
 109       OOPS!!!
 110
 111 The Dirty bit is lost in this case.
 112
 113 In order to avoid this kind of issue, we always treat the spte as "volatile"
 114 if it can be updated out of mmu-lock, see spte_has_volatile_bits(), it means,
 115 the spte is always atomicly updated in this case.
 116
 117 3): flush tlbs due to spte updated
 118 If the spte is updated from writable to readonly, we should flush all TLBs,
 119 otherwise rmap_write_protect will find a read-only spte, even though the
 120 writable spte might be cached on a CPU's TLB.
 121
 122 As mentioned before, the spte can be updated to writable out of mmu-lock on
 123 fast page fault path, in order to easily audit the path, we see if TLBs need
 124 be flushed caused by this reason in mmu_spte_update() since this is a common
 125 function to update spte (present -> present).
 126
 127 Since the spte is "volatile" if it can be updated out of mmu-lock, we always
 128 atomicly update the spte, the race caused by fast page fault can be avoided,
 129 See the comments in spte_has_volatile_bits() and mmu_spte_update().
 130
 131 3. Reference
 132 ------------
 133
 134 Name:           kvm_lock
 135 Type:           raw_spinlock
 136 Arch:           any
 137 Protects:       - vm_list
 138                 - hardware virtualization enable/disable
 139 Comment:        'raw' because hardware enabling/disabling must be atomic /wrt
 140                 migration.
 141
 142 Name:           kvm_arch::tsc_write_lock
 143 Type:           raw_spinlock
 144 Arch:           x86
 145 Protects:       - kvm_arch::{last_tsc_write,last_tsc_nsec,last_tsc_offset}
 146                 - tsc offset in vmcb
 147 Comment:        'raw' because updating the tsc offsets must not be preempted.
 148
 149 Name:           kvm->mmu_lock
 150 Type:           spinlock_t
 151 Arch:           any
 152 Protects:       -shadow page/shadow tlb entry
 153 Comment:        it is a spinlock since it is used in mmu notifier.