GNU Linux-libre 6.1.91-gnu
[releases.git] / Documentation / virt / kvm / x86 / mmu.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 ======================
4 The x86 kvm shadow mmu
5 ======================
6
7 The mmu (in arch/x86/kvm, files mmu.[ch] and paging_tmpl.h) is responsible
8 for presenting a standard x86 mmu to the guest, while translating guest
9 physical addresses to host physical addresses.
10
11 The mmu code attempts to satisfy the following requirements:
12
13 - correctness:
14                the guest should not be able to determine that it is running
15                on an emulated mmu except for timing (we attempt to comply
16                with the specification, not emulate the characteristics of
17                a particular implementation such as tlb size)
18 - security:
19                the guest must not be able to touch host memory not assigned
20                to it
21 - performance:
22                minimize the performance penalty imposed by the mmu
23 - scaling:
24                need to scale to large memory and large vcpu guests
25 - hardware:
26                support the full range of x86 virtualization hardware
27 - integration:
28                Linux memory management code must be in control of guest memory
29                so that swapping, page migration, page merging, transparent
30                hugepages, and similar features work without change
31 - dirty tracking:
32                report writes to guest memory to enable live migration
33                and framebuffer-based displays
34 - footprint:
35                keep the amount of pinned kernel memory low (most memory
36                should be shrinkable)
37 - reliability:
38                avoid multipage or GFP_ATOMIC allocations
39
40 Acronyms
41 ========
42
43 ====  ====================================================================
44 pfn   host page frame number
45 hpa   host physical address
46 hva   host virtual address
47 gfn   guest frame number
48 gpa   guest physical address
49 gva   guest virtual address
50 ngpa  nested guest physical address
51 ngva  nested guest virtual address
52 pte   page table entry (used also to refer generically to paging structure
53       entries)
54 gpte  guest pte (referring to gfns)
55 spte  shadow pte (referring to pfns)
56 tdp   two dimensional paging (vendor neutral term for NPT and EPT)
57 ====  ====================================================================
58
59 Virtual and real hardware supported
60 ===================================
61
62 The mmu supports first-generation mmu hardware, which allows an atomic switch
63 of the current paging mode and cr3 during guest entry, as well as
64 two-dimensional paging (AMD's NPT and Intel's EPT).  The emulated hardware
65 it exposes is the traditional 2/3/4 level x86 mmu, with support for global
66 pages, pae, pse, pse36, cr0.wp, and 1GB pages. Emulated hardware also
67 able to expose NPT capable hardware on NPT capable hosts.
68
69 Translation
70 ===========
71
72 The primary job of the mmu is to program the processor's mmu to translate
73 addresses for the guest.  Different translations are required at different
74 times:
75
76 - when guest paging is disabled, we translate guest physical addresses to
77   host physical addresses (gpa->hpa)
78 - when guest paging is enabled, we translate guest virtual addresses, to
79   guest physical addresses, to host physical addresses (gva->gpa->hpa)
80 - when the guest launches a guest of its own, we translate nested guest
81   virtual addresses, to nested guest physical addresses, to guest physical
82   addresses, to host physical addresses (ngva->ngpa->gpa->hpa)
83
84 The primary challenge is to encode between 1 and 3 translations into hardware
85 that support only 1 (traditional) and 2 (tdp) translations.  When the
86 number of required translations matches the hardware, the mmu operates in
87 direct mode; otherwise it operates in shadow mode (see below).
88
89 Memory
90 ======
91
92 Guest memory (gpa) is part of the user address space of the process that is
93 using kvm.  Userspace defines the translation between guest addresses and user
94 addresses (gpa->hva); note that two gpas may alias to the same hva, but not
95 vice versa.
96
97 These hvas may be backed using any method available to the host: anonymous
98 memory, file backed memory, and device memory.  Memory might be paged by the
99 host at any time.
100
101 Events
102 ======
103
104 The mmu is driven by events, some from the guest, some from the host.
105
106 Guest generated events:
107
108 - writes to control registers (especially cr3)
109 - invlpg/invlpga instruction execution
110 - access to missing or protected translations
111
112 Host generated events:
113
114 - changes in the gpa->hpa translation (either through gpa->hva changes or
115   through hva->hpa changes)
116 - memory pressure (the shrinker)
117
118 Shadow pages
119 ============
120
121 The principal data structure is the shadow page, 'struct kvm_mmu_page'.  A
122 shadow page contains 512 sptes, which can be either leaf or nonleaf sptes.  A
123 shadow page may contain a mix of leaf and nonleaf sptes.
124
125 A nonleaf spte allows the hardware mmu to reach the leaf pages and
126 is not related to a translation directly.  It points to other shadow pages.
127
128 A leaf spte corresponds to either one or two translations encoded into
129 one paging structure entry.  These are always the lowest level of the
130 translation stack, with optional higher level translations left to NPT/EPT.
131 Leaf ptes point at guest pages.
132
133 The following table shows translations encoded by leaf ptes, with higher-level
134 translations in parentheses:
135
136  Non-nested guests::
137
138   nonpaging:     gpa->hpa
139   paging:        gva->gpa->hpa
140   paging, tdp:   (gva->)gpa->hpa
141
142  Nested guests::
143
144   non-tdp:       ngva->gpa->hpa  (*)
145   tdp:           (ngva->)ngpa->gpa->hpa
146
147   (*) the guest hypervisor will encode the ngva->gpa translation into its page
148       tables if npt is not present
149
150 Shadow pages contain the following information:
151   role.level:
152     The level in the shadow paging hierarchy that this shadow page belongs to.
153     1=4k sptes, 2=2M sptes, 3=1G sptes, etc.
154   role.direct:
155     If set, leaf sptes reachable from this page are for a linear range.
156     Examples include real mode translation, large guest pages backed by small
157     host pages, and gpa->hpa translations when NPT or EPT is active.
158     The linear range starts at (gfn << PAGE_SHIFT) and its size is determined
159     by role.level (2MB for first level, 1GB for second level, 0.5TB for third
160     level, 256TB for fourth level)
161     If clear, this page corresponds to a guest page table denoted by the gfn
162     field.
163   role.quadrant:
164     When role.has_4_byte_gpte=1, the guest uses 32-bit gptes while the host uses 64-bit
165     sptes.  That means a guest page table contains more ptes than the host,
166     so multiple shadow pages are needed to shadow one guest page.
167     For first-level shadow pages, role.quadrant can be 0 or 1 and denotes the
168     first or second 512-gpte block in the guest page table.  For second-level
169     page tables, each 32-bit gpte is converted to two 64-bit sptes
170     (since each first-level guest page is shadowed by two first-level
171     shadow pages) so role.quadrant takes values in the range 0..3.  Each
172     quadrant maps 1GB virtual address space.
173   role.access:
174     Inherited guest access permissions from the parent ptes in the form uwx.
175     Note execute permission is positive, not negative.
176   role.invalid:
177     The page is invalid and should not be used.  It is a root page that is
178     currently pinned (by a cpu hardware register pointing to it); once it is
179     unpinned it will be destroyed.
180   role.has_4_byte_gpte:
181     Reflects the size of the guest PTE for which the page is valid, i.e. '0'
182     if direct map or 64-bit gptes are in use, '1' if 32-bit gptes are in use.
183   role.efer_nx:
184     Contains the value of efer.nx for which the page is valid.
185   role.cr0_wp:
186     Contains the value of cr0.wp for which the page is valid.
187   role.smep_andnot_wp:
188     Contains the value of cr4.smep && !cr0.wp for which the page is valid
189     (pages for which this is true are different from other pages; see the
190     treatment of cr0.wp=0 below).
191   role.smap_andnot_wp:
192     Contains the value of cr4.smap && !cr0.wp for which the page is valid
193     (pages for which this is true are different from other pages; see the
194     treatment of cr0.wp=0 below).
195   role.smm:
196     Is 1 if the page is valid in system management mode.  This field
197     determines which of the kvm_memslots array was used to build this
198     shadow page; it is also used to go back from a struct kvm_mmu_page
199     to a memslot, through the kvm_memslots_for_spte_role macro and
200     __gfn_to_memslot.
201   role.ad_disabled:
202     Is 1 if the MMU instance cannot use A/D bits.  EPT did not have A/D
203     bits before Haswell; shadow EPT page tables also cannot use A/D bits
204     if the L1 hypervisor does not enable them.
205   role.passthrough:
206     The page is not backed by a guest page table, but its first entry
207     points to one.  This is set if NPT uses 5-level page tables (host
208     CR4.LA57=1) and is shadowing L1's 4-level NPT (L1 CR4.LA57=1).
209   gfn:
210     Either the guest page table containing the translations shadowed by this
211     page, or the base page frame for linear translations.  See role.direct.
212   spt:
213     A pageful of 64-bit sptes containing the translations for this page.
214     Accessed by both kvm and hardware.
215     The page pointed to by spt will have its page->private pointing back
216     at the shadow page structure.
217     sptes in spt point either at guest pages, or at lower-level shadow pages.
218     Specifically, if sp1 and sp2 are shadow pages, then sp1->spt[n] may point
219     at __pa(sp2->spt).  sp2 will point back at sp1 through parent_pte.
220     The spt array forms a DAG structure with the shadow page as a node, and
221     guest pages as leaves.
222   gfns:
223     An array of 512 guest frame numbers, one for each present pte.  Used to
224     perform a reverse map from a pte to a gfn. When role.direct is set, any
225     element of this array can be calculated from the gfn field when used, in
226     this case, the array of gfns is not allocated. See role.direct and gfn.
227   root_count:
228     A counter keeping track of how many hardware registers (guest cr3 or
229     pdptrs) are now pointing at the page.  While this counter is nonzero, the
230     page cannot be destroyed.  See role.invalid.
231   parent_ptes:
232     The reverse mapping for the pte/ptes pointing at this page's spt. If
233     parent_ptes bit 0 is zero, only one spte points at this page and
234     parent_ptes points at this single spte, otherwise, there exists multiple
235     sptes pointing at this page and (parent_ptes & ~0x1) points at a data
236     structure with a list of parent sptes.
237   unsync:
238     If true, then the translations in this page may not match the guest's
239     translation.  This is equivalent to the state of the tlb when a pte is
240     changed but before the tlb entry is flushed.  Accordingly, unsync ptes
241     are synchronized when the guest executes invlpg or flushes its tlb by
242     other means.  Valid for leaf pages.
243   unsync_children:
244     How many sptes in the page point at pages that are unsync (or have
245     unsynchronized children).
246   unsync_child_bitmap:
247     A bitmap indicating which sptes in spt point (directly or indirectly) at
248     pages that may be unsynchronized.  Used to quickly locate all unsychronized
249     pages reachable from a given page.
250   clear_spte_count:
251     Only present on 32-bit hosts, where a 64-bit spte cannot be written
252     atomically.  The reader uses this while running out of the MMU lock
253     to detect in-progress updates and retry them until the writer has
254     finished the write.
255   write_flooding_count:
256     A guest may write to a page table many times, causing a lot of
257     emulations if the page needs to be write-protected (see "Synchronized
258     and unsynchronized pages" below).  Leaf pages can be unsynchronized
259     so that they do not trigger frequent emulation, but this is not
260     possible for non-leafs.  This field counts the number of emulations
261     since the last time the page table was actually used; if emulation
262     is triggered too frequently on this page, KVM will unmap the page
263     to avoid emulation in the future.
264
265 Reverse map
266 ===========
267
268 The mmu maintains a reverse mapping whereby all ptes mapping a page can be
269 reached given its gfn.  This is used, for example, when swapping out a page.
270
271 Synchronized and unsynchronized pages
272 =====================================
273
274 The guest uses two events to synchronize its tlb and page tables: tlb flushes
275 and page invalidations (invlpg).
276
277 A tlb flush means that we need to synchronize all sptes reachable from the
278 guest's cr3.  This is expensive, so we keep all guest page tables write
279 protected, and synchronize sptes to gptes when a gpte is written.
280
281 A special case is when a guest page table is reachable from the current
282 guest cr3.  In this case, the guest is obliged to issue an invlpg instruction
283 before using the translation.  We take advantage of that by removing write
284 protection from the guest page, and allowing the guest to modify it freely.
285 We synchronize modified gptes when the guest invokes invlpg.  This reduces
286 the amount of emulation we have to do when the guest modifies multiple gptes,
287 or when the a guest page is no longer used as a page table and is used for
288 random guest data.
289
290 As a side effect we have to resynchronize all reachable unsynchronized shadow
291 pages on a tlb flush.
292
293
294 Reaction to events
295 ==================
296
297 - guest page fault (or npt page fault, or ept violation)
298
299 This is the most complicated event.  The cause of a page fault can be:
300
301   - a true guest fault (the guest translation won't allow the access) (*)
302   - access to a missing translation
303   - access to a protected translation
304     - when logging dirty pages, memory is write protected
305     - synchronized shadow pages are write protected (*)
306   - access to untranslatable memory (mmio)
307
308   (*) not applicable in direct mode
309
310 Handling a page fault is performed as follows:
311
312  - if the RSV bit of the error code is set, the page fault is caused by guest
313    accessing MMIO and cached MMIO information is available.
314
315    - walk shadow page table
316    - check for valid generation number in the spte (see "Fast invalidation of
317      MMIO sptes" below)
318    - cache the information to vcpu->arch.mmio_gva, vcpu->arch.mmio_access and
319      vcpu->arch.mmio_gfn, and call the emulator
320
321  - If both P bit and R/W bit of error code are set, this could possibly
322    be handled as a "fast page fault" (fixed without taking the MMU lock).  See
323    the description in Documentation/virt/kvm/locking.rst.
324
325  - if needed, walk the guest page tables to determine the guest translation
326    (gva->gpa or ngpa->gpa)
327
328    - if permissions are insufficient, reflect the fault back to the guest
329
330  - determine the host page
331
332    - if this is an mmio request, there is no host page; cache the info to
333      vcpu->arch.mmio_gva, vcpu->arch.mmio_access and vcpu->arch.mmio_gfn
334
335  - walk the shadow page table to find the spte for the translation,
336    instantiating missing intermediate page tables as necessary
337
338    - If this is an mmio request, cache the mmio info to the spte and set some
339      reserved bit on the spte (see callers of kvm_mmu_set_mmio_spte_mask)
340
341  - try to unsynchronize the page
342
343    - if successful, we can let the guest continue and modify the gpte
344
345  - emulate the instruction
346
347    - if failed, unshadow the page and let the guest continue
348
349  - update any translations that were modified by the instruction
350
351 invlpg handling:
352
353   - walk the shadow page hierarchy and drop affected translations
354   - try to reinstantiate the indicated translation in the hope that the
355     guest will use it in the near future
356
357 Guest control register updates:
358
359 - mov to cr3
360
361   - look up new shadow roots
362   - synchronize newly reachable shadow pages
363
364 - mov to cr0/cr4/efer
365
366   - set up mmu context for new paging mode
367   - look up new shadow roots
368   - synchronize newly reachable shadow pages
369
370 Host translation updates:
371
372   - mmu notifier called with updated hva
373   - look up affected sptes through reverse map
374   - drop (or update) translations
375
376 Emulating cr0.wp
377 ================
378
379 If tdp is not enabled, the host must keep cr0.wp=1 so page write protection
380 works for the guest kernel, not guest userspace.  When the guest
381 cr0.wp=1, this does not present a problem.  However when the guest cr0.wp=0,
382 we cannot map the permissions for gpte.u=1, gpte.w=0 to any spte (the
383 semantics require allowing any guest kernel access plus user read access).
384
385 We handle this by mapping the permissions to two possible sptes, depending
386 on fault type:
387
388 - kernel write fault: spte.u=0, spte.w=1 (allows full kernel access,
389   disallows user access)
390 - read fault: spte.u=1, spte.w=0 (allows full read access, disallows kernel
391   write access)
392
393 (user write faults generate a #PF)
394
395 In the first case there are two additional complications:
396
397 - if CR4.SMEP is enabled: since we've turned the page into a kernel page,
398   the kernel may now execute it.  We handle this by also setting spte.nx.
399   If we get a user fetch or read fault, we'll change spte.u=1 and
400   spte.nx=gpte.nx back.  For this to work, KVM forces EFER.NX to 1 when
401   shadow paging is in use.
402 - if CR4.SMAP is disabled: since the page has been changed to a kernel
403   page, it can not be reused when CR4.SMAP is enabled. We set
404   CR4.SMAP && !CR0.WP into shadow page's role to avoid this case. Note,
405   here we do not care the case that CR4.SMAP is enabled since KVM will
406   directly inject #PF to guest due to failed permission check.
407
408 To prevent an spte that was converted into a kernel page with cr0.wp=0
409 from being written by the kernel after cr0.wp has changed to 1, we make
410 the value of cr0.wp part of the page role.  This means that an spte created
411 with one value of cr0.wp cannot be used when cr0.wp has a different value -
412 it will simply be missed by the shadow page lookup code.  A similar issue
413 exists when an spte created with cr0.wp=0 and cr4.smep=0 is used after
414 changing cr4.smep to 1.  To avoid this, the value of !cr0.wp && cr4.smep
415 is also made a part of the page role.
416
417 Large pages
418 ===========
419
420 The mmu supports all combinations of large and small guest and host pages.
421 Supported page sizes include 4k, 2M, 4M, and 1G.  4M pages are treated as
422 two separate 2M pages, on both guest and host, since the mmu always uses PAE
423 paging.
424
425 To instantiate a large spte, four constraints must be satisfied:
426
427 - the spte must point to a large host page
428 - the guest pte must be a large pte of at least equivalent size (if tdp is
429   enabled, there is no guest pte and this condition is satisfied)
430 - if the spte will be writeable, the large page frame may not overlap any
431   write-protected pages
432 - the guest page must be wholly contained by a single memory slot
433
434 To check the last two conditions, the mmu maintains a ->disallow_lpage set of
435 arrays for each memory slot and large page size.  Every write protected page
436 causes its disallow_lpage to be incremented, thus preventing instantiation of
437 a large spte.  The frames at the end of an unaligned memory slot have
438 artificially inflated ->disallow_lpages so they can never be instantiated.
439
440 Fast invalidation of MMIO sptes
441 ===============================
442
443 As mentioned in "Reaction to events" above, kvm will cache MMIO
444 information in leaf sptes.  When a new memslot is added or an existing
445 memslot is changed, this information may become stale and needs to be
446 invalidated.  This also needs to hold the MMU lock while walking all
447 shadow pages, and is made more scalable with a similar technique.
448
449 MMIO sptes have a few spare bits, which are used to store a
450 generation number.  The global generation number is stored in
451 kvm_memslots(kvm)->generation, and increased whenever guest memory info
452 changes.
453
454 When KVM finds an MMIO spte, it checks the generation number of the spte.
455 If the generation number of the spte does not equal the global generation
456 number, it will ignore the cached MMIO information and handle the page
457 fault through the slow path.
458
459 Since only 18 bits are used to store generation-number on mmio spte, all
460 pages are zapped when there is an overflow.
461
462 Unfortunately, a single memory access might access kvm_memslots(kvm) multiple
463 times, the last one happening when the generation number is retrieved and
464 stored into the MMIO spte.  Thus, the MMIO spte might be created based on
465 out-of-date information, but with an up-to-date generation number.
466
467 To avoid this, the generation number is incremented again after synchronize_srcu
468 returns; thus, bit 63 of kvm_memslots(kvm)->generation set to 1 only during a
469 memslot update, while some SRCU readers might be using the old copy.  We do not
470 want to use an MMIO sptes created with an odd generation number, and we can do
471 this without losing a bit in the MMIO spte.  The "update in-progress" bit of the
472 generation is not stored in MMIO spte, and is so is implicitly zero when the
473 generation is extracted out of the spte.  If KVM is unlucky and creates an MMIO
474 spte while an update is in-progress, the next access to the spte will always be
475 a cache miss.  For example, a subsequent access during the update window will
476 miss due to the in-progress flag diverging, while an access after the update
477 window closes will have a higher generation number (as compared to the spte).
478
479
480 Further reading
481 ===============
482
483 - NPT presentation from KVM Forum 2008
484   https://www.linux-kvm.org/images/c/c8/KvmForum2008%24kdf2008_21.pdf