Pull cpuidle into release branch
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / lguest / lguest.c
1 /*P:100 This is the Launcher code, a simple program which lays out the
2  * "physical" memory for the new Guest by mapping the kernel image and the
3  * virtual devices, then reads repeatedly from /dev/lguest to run the Guest.
4 :*/
5 #define _LARGEFILE64_SOURCE
6 #define _GNU_SOURCE
7 #include <stdio.h>
8 #include <string.h>
9 #include <unistd.h>
10 #include <err.h>
11 #include <stdint.h>
12 #include <stdlib.h>
13 #include <elf.h>
14 #include <sys/mman.h>
15 #include <sys/param.h>
16 #include <sys/types.h>
17 #include <sys/stat.h>
18 #include <sys/wait.h>
19 #include <fcntl.h>
20 #include <stdbool.h>
21 #include <errno.h>
22 #include <ctype.h>
23 #include <sys/socket.h>
24 #include <sys/ioctl.h>
25 #include <sys/time.h>
26 #include <time.h>
27 #include <netinet/in.h>
28 #include <net/if.h>
29 #include <linux/sockios.h>
30 #include <linux/if_tun.h>
31 #include <sys/uio.h>
32 #include <termios.h>
33 #include <getopt.h>
34 #include <zlib.h>
35 #include <assert.h>
36 #include <sched.h>
37 #include "linux/lguest_launcher.h"
38 #include "linux/virtio_config.h"
39 #include "linux/virtio_net.h"
40 #include "linux/virtio_blk.h"
41 #include "linux/virtio_console.h"
42 #include "linux/virtio_ring.h"
43 #include "asm-x86/bootparam.h"
44 /*L:110 We can ignore the 38 include files we need for this program, but I do
45  * want to draw attention to the use of kernel-style types.
46  *
47  * As Linus said, "C is a Spartan language, and so should your naming be."  I
48  * like these abbreviations, so we define them here.  Note that u64 is always
49  * unsigned long long, which works on all Linux systems: this means that we can
50  * use %llu in printf for any u64. */
51 typedef unsigned long long u64;
52 typedef uint32_t u32;
53 typedef uint16_t u16;
54 typedef uint8_t u8;
55 /*:*/
56
57 #define PAGE_PRESENT 0x7        /* Present, RW, Execute */
58 #define NET_PEERNUM 1
59 #define BRIDGE_PFX "bridge:"
60 #ifndef SIOCBRADDIF
61 #define SIOCBRADDIF     0x89a2          /* add interface to bridge      */
62 #endif
63 /* We can have up to 256 pages for devices. */
64 #define DEVICE_PAGES 256
65 /* This fits nicely in a single 4096-byte page. */
66 #define VIRTQUEUE_NUM 127
67
68 /*L:120 verbose is both a global flag and a macro.  The C preprocessor allows
69  * this, and although I wouldn't recommend it, it works quite nicely here. */
70 static bool verbose;
71 #define verbose(args...) \
72         do { if (verbose) printf(args); } while(0)
73 /*:*/
74
75 /* The pipe to send commands to the waker process */
76 static int waker_fd;
77 /* The pointer to the start of guest memory. */
78 static void *guest_base;
79 /* The maximum guest physical address allowed, and maximum possible. */
80 static unsigned long guest_limit, guest_max;
81
82 /* This is our list of devices. */
83 struct device_list
84 {
85         /* Summary information about the devices in our list: ready to pass to
86          * select() to ask which need servicing.*/
87         fd_set infds;
88         int max_infd;
89
90         /* Counter to assign interrupt numbers. */
91         unsigned int next_irq;
92
93         /* Counter to print out convenient device numbers. */
94         unsigned int device_num;
95
96         /* The descriptor page for the devices. */
97         u8 *descpage;
98
99         /* The tail of the last descriptor. */
100         unsigned int desc_used;
101
102         /* A single linked list of devices. */
103         struct device *dev;
104         /* ... And an end pointer so we can easily append new devices */
105         struct device **lastdev;
106 };
107
108 /* The list of Guest devices, based on command line arguments. */
109 static struct device_list devices;
110
111 /* The device structure describes a single device. */
112 struct device
113 {
114         /* The linked-list pointer. */
115         struct device *next;
116
117         /* The this device's descriptor, as mapped into the Guest. */
118         struct lguest_device_desc *desc;
119
120         /* The name of this device, for --verbose. */
121         const char *name;
122
123         /* If handle_input is set, it wants to be called when this file
124          * descriptor is ready. */
125         int fd;
126         bool (*handle_input)(int fd, struct device *me);
127
128         /* Any queues attached to this device */
129         struct virtqueue *vq;
130
131         /* Device-specific data. */
132         void *priv;
133 };
134
135 /* The virtqueue structure describes a queue attached to a device. */
136 struct virtqueue
137 {
138         struct virtqueue *next;
139
140         /* Which device owns me. */
141         struct device *dev;
142
143         /* The configuration for this queue. */
144         struct lguest_vqconfig config;
145
146         /* The actual ring of buffers. */
147         struct vring vring;
148
149         /* Last available index we saw. */
150         u16 last_avail_idx;
151
152         /* The routine to call when the Guest pings us. */
153         void (*handle_output)(int fd, struct virtqueue *me);
154 };
155
156 /* Since guest is UP and we don't run at the same time, we don't need barriers.
157  * But I include them in the code in case others copy it. */
158 #define wmb()
159
160 /* Convert an iovec element to the given type.
161  *
162  * This is a fairly ugly trick: we need to know the size of the type and
163  * alignment requirement to check the pointer is kosher.  It's also nice to
164  * have the name of the type in case we report failure.
165  *
166  * Typing those three things all the time is cumbersome and error prone, so we
167  * have a macro which sets them all up and passes to the real function. */
168 #define convert(iov, type) \
169         ((type *)_convert((iov), sizeof(type), __alignof__(type), #type))
170
171 static void *_convert(struct iovec *iov, size_t size, size_t align,
172                       const char *name)
173 {
174         if (iov->iov_len != size)
175                 errx(1, "Bad iovec size %zu for %s", iov->iov_len, name);
176         if ((unsigned long)iov->iov_base % align != 0)
177                 errx(1, "Bad alignment %p for %s", iov->iov_base, name);
178         return iov->iov_base;
179 }
180
181 /* The virtio configuration space is defined to be little-endian.  x86 is
182  * little-endian too, but it's nice to be explicit so we have these helpers. */
183 #define cpu_to_le16(v16) (v16)
184 #define cpu_to_le32(v32) (v32)
185 #define cpu_to_le64(v64) (v64)
186 #define le16_to_cpu(v16) (v16)
187 #define le32_to_cpu(v32) (v32)
188 #define le64_to_cpu(v32) (v64)
189
190 /*L:100 The Launcher code itself takes us out into userspace, that scary place
191  * where pointers run wild and free!  Unfortunately, like most userspace
192  * programs, it's quite boring (which is why everyone likes to hack on the
193  * kernel!).  Perhaps if you make up an Lguest Drinking Game at this point, it
194  * will get you through this section.  Or, maybe not.
195  *
196  * The Launcher sets up a big chunk of memory to be the Guest's "physical"
197  * memory and stores it in "guest_base".  In other words, Guest physical ==
198  * Launcher virtual with an offset.
199  *
200  * This can be tough to get your head around, but usually it just means that we
201  * use these trivial conversion functions when the Guest gives us it's
202  * "physical" addresses: */
203 static void *from_guest_phys(unsigned long addr)
204 {
205         return guest_base + addr;
206 }
207
208 static unsigned long to_guest_phys(const void *addr)
209 {
210         return (addr - guest_base);
211 }
212
213 /*L:130
214  * Loading the Kernel.
215  *
216  * We start with couple of simple helper routines.  open_or_die() avoids
217  * error-checking code cluttering the callers: */
218 static int open_or_die(const char *name, int flags)
219 {
220         int fd = open(name, flags);
221         if (fd < 0)
222                 err(1, "Failed to open %s", name);
223         return fd;
224 }
225
226 /* map_zeroed_pages() takes a number of pages. */
227 static void *map_zeroed_pages(unsigned int num)
228 {
229         int fd = open_or_die("/dev/zero", O_RDONLY);
230         void *addr;
231
232         /* We use a private mapping (ie. if we write to the page, it will be
233          * copied). */
234         addr = mmap(NULL, getpagesize() * num,
235                     PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE, fd, 0);
236         if (addr == MAP_FAILED)
237                 err(1, "Mmaping %u pages of /dev/zero", num);
238
239         return addr;
240 }
241
242 /* Get some more pages for a device. */
243 static void *get_pages(unsigned int num)
244 {
245         void *addr = from_guest_phys(guest_limit);
246
247         guest_limit += num * getpagesize();
248         if (guest_limit > guest_max)
249                 errx(1, "Not enough memory for devices");
250         return addr;
251 }
252
253 /* This routine is used to load the kernel or initrd.  It tries mmap, but if
254  * that fails (Plan 9's kernel file isn't nicely aligned on page boundaries),
255  * it falls back to reading the memory in. */
256 static void map_at(int fd, void *addr, unsigned long offset, unsigned long len)
257 {
258         ssize_t r;
259
260         /* We map writable even though for some segments are marked read-only.
261          * The kernel really wants to be writable: it patches its own
262          * instructions.
263          *
264          * MAP_PRIVATE means that the page won't be copied until a write is
265          * done to it.  This allows us to share untouched memory between
266          * Guests. */
267         if (mmap(addr, len, PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC,
268                  MAP_FIXED|MAP_PRIVATE, fd, offset) != MAP_FAILED)
269                 return;
270
271         /* pread does a seek and a read in one shot: saves a few lines. */
272         r = pread(fd, addr, len, offset);
273         if (r != len)
274                 err(1, "Reading offset %lu len %lu gave %zi", offset, len, r);
275 }
276
277 /* This routine takes an open vmlinux image, which is in ELF, and maps it into
278  * the Guest memory.  ELF = Embedded Linking Format, which is the format used
279  * by all modern binaries on Linux including the kernel.
280  *
281  * The ELF headers give *two* addresses: a physical address, and a virtual
282  * address.  We use the physical address; the Guest will map itself to the
283  * virtual address.
284  *
285  * We return the starting address. */
286 static unsigned long map_elf(int elf_fd, const Elf32_Ehdr *ehdr)
287 {
288         Elf32_Phdr phdr[ehdr->e_phnum];
289         unsigned int i;
290
291         /* Sanity checks on the main ELF header: an x86 executable with a
292          * reasonable number of correctly-sized program headers. */
293         if (ehdr->e_type != ET_EXEC
294             || ehdr->e_machine != EM_386
295             || ehdr->e_phentsize != sizeof(Elf32_Phdr)
296             || ehdr->e_phnum < 1 || ehdr->e_phnum > 65536U/sizeof(Elf32_Phdr))
297                 errx(1, "Malformed elf header");
298
299         /* An ELF executable contains an ELF header and a number of "program"
300          * headers which indicate which parts ("segments") of the program to
301          * load where. */
302
303         /* We read in all the program headers at once: */
304         if (lseek(elf_fd, ehdr->e_phoff, SEEK_SET) < 0)
305                 err(1, "Seeking to program headers");
306         if (read(elf_fd, phdr, sizeof(phdr)) != sizeof(phdr))
307                 err(1, "Reading program headers");
308
309         /* Try all the headers: there are usually only three.  A read-only one,
310          * a read-write one, and a "note" section which isn't loadable. */
311         for (i = 0; i < ehdr->e_phnum; i++) {
312                 /* If this isn't a loadable segment, we ignore it */
313                 if (phdr[i].p_type != PT_LOAD)
314                         continue;
315
316                 verbose("Section %i: size %i addr %p\n",
317                         i, phdr[i].p_memsz, (void *)phdr[i].p_paddr);
318
319                 /* We map this section of the file at its physical address. */
320                 map_at(elf_fd, from_guest_phys(phdr[i].p_paddr),
321                        phdr[i].p_offset, phdr[i].p_filesz);
322         }
323
324         /* The entry point is given in the ELF header. */
325         return ehdr->e_entry;
326 }
327
328 /*L:150 A bzImage, unlike an ELF file, is not meant to be loaded.  You're
329  * supposed to jump into it and it will unpack itself.  We used to have to
330  * perform some hairy magic because the unpacking code scared me.
331  *
332  * Fortunately, Jeremy Fitzhardinge convinced me it wasn't that hard and wrote
333  * a small patch to jump over the tricky bits in the Guest, so now we just read
334  * the funky header so we know where in the file to load, and away we go! */
335 static unsigned long load_bzimage(int fd)
336 {
337         struct boot_params boot;
338         int r;
339         /* Modern bzImages get loaded at 1M. */
340         void *p = from_guest_phys(0x100000);
341
342         /* Go back to the start of the file and read the header.  It should be
343          * a Linux boot header (see Documentation/i386/boot.txt) */
344         lseek(fd, 0, SEEK_SET);
345         read(fd, &boot, sizeof(boot));
346
347         /* Inside the setup_hdr, we expect the magic "HdrS" */
348         if (memcmp(&boot.hdr.header, "HdrS", 4) != 0)
349                 errx(1, "This doesn't look like a bzImage to me");
350
351         /* Skip over the extra sectors of the header. */
352         lseek(fd, (boot.hdr.setup_sects+1) * 512, SEEK_SET);
353
354         /* Now read everything into memory. in nice big chunks. */
355         while ((r = read(fd, p, 65536)) > 0)
356                 p += r;
357
358         /* Finally, code32_start tells us where to enter the kernel. */
359         return boot.hdr.code32_start;
360 }
361
362 /*L:140 Loading the kernel is easy when it's a "vmlinux", but most kernels
363  * come wrapped up in the self-decompressing "bzImage" format.  With a little
364  * work, we can load those, too. */
365 static unsigned long load_kernel(int fd)
366 {
367         Elf32_Ehdr hdr;
368
369         /* Read in the first few bytes. */
370         if (read(fd, &hdr, sizeof(hdr)) != sizeof(hdr))
371                 err(1, "Reading kernel");
372
373         /* If it's an ELF file, it starts with "\177ELF" */
374         if (memcmp(hdr.e_ident, ELFMAG, SELFMAG) == 0)
375                 return map_elf(fd, &hdr);
376
377         /* Otherwise we assume it's a bzImage, and try to unpack it */
378         return load_bzimage(fd);
379 }
380
381 /* This is a trivial little helper to align pages.  Andi Kleen hated it because
382  * it calls getpagesize() twice: "it's dumb code."
383  *
384  * Kernel guys get really het up about optimization, even when it's not
385  * necessary.  I leave this code as a reaction against that. */
386 static inline unsigned long page_align(unsigned long addr)
387 {
388         /* Add upwards and truncate downwards. */
389         return ((addr + getpagesize()-1) & ~(getpagesize()-1));
390 }
391
392 /*L:180 An "initial ram disk" is a disk image loaded into memory along with
393  * the kernel which the kernel can use to boot from without needing any
394  * drivers.  Most distributions now use this as standard: the initrd contains
395  * the code to load the appropriate driver modules for the current machine.
396  *
397  * Importantly, James Morris works for RedHat, and Fedora uses initrds for its
398  * kernels.  He sent me this (and tells me when I break it). */
399 static unsigned long load_initrd(const char *name, unsigned long mem)
400 {
401         int ifd;
402         struct stat st;
403         unsigned long len;
404
405         ifd = open_or_die(name, O_RDONLY);
406         /* fstat() is needed to get the file size. */
407         if (fstat(ifd, &st) < 0)
408                 err(1, "fstat() on initrd '%s'", name);
409
410         /* We map the initrd at the top of memory, but mmap wants it to be
411          * page-aligned, so we round the size up for that. */
412         len = page_align(st.st_size);
413         map_at(ifd, from_guest_phys(mem - len), 0, st.st_size);
414         /* Once a file is mapped, you can close the file descriptor.  It's a
415          * little odd, but quite useful. */
416         close(ifd);
417         verbose("mapped initrd %s size=%lu @ %p\n", name, len, (void*)mem-len);
418
419         /* We return the initrd size. */
420         return len;
421 }
422
423 /* Once we know how much memory we have, we can construct simple linear page
424  * tables which set virtual == physical which will get the Guest far enough
425  * into the boot to create its own.
426  *
427  * We lay them out of the way, just below the initrd (which is why we need to
428  * know its size). */
429 static unsigned long setup_pagetables(unsigned long mem,
430                                       unsigned long initrd_size)
431 {
432         unsigned long *pgdir, *linear;
433         unsigned int mapped_pages, i, linear_pages;
434         unsigned int ptes_per_page = getpagesize()/sizeof(void *);
435
436         mapped_pages = mem/getpagesize();
437
438         /* Each PTE page can map ptes_per_page pages: how many do we need? */
439         linear_pages = (mapped_pages + ptes_per_page-1)/ptes_per_page;
440
441         /* We put the toplevel page directory page at the top of memory. */
442         pgdir = from_guest_phys(mem) - initrd_size - getpagesize();
443
444         /* Now we use the next linear_pages pages as pte pages */
445         linear = (void *)pgdir - linear_pages*getpagesize();
446
447         /* Linear mapping is easy: put every page's address into the mapping in
448          * order.  PAGE_PRESENT contains the flags Present, Writable and
449          * Executable. */
450         for (i = 0; i < mapped_pages; i++)
451                 linear[i] = ((i * getpagesize()) | PAGE_PRESENT);
452
453         /* The top level points to the linear page table pages above. */
454         for (i = 0; i < mapped_pages; i += ptes_per_page) {
455                 pgdir[i/ptes_per_page]
456                         = ((to_guest_phys(linear) + i*sizeof(void *))
457                            | PAGE_PRESENT);
458         }
459
460         verbose("Linear mapping of %u pages in %u pte pages at %#lx\n",
461                 mapped_pages, linear_pages, to_guest_phys(linear));
462
463         /* We return the top level (guest-physical) address: the kernel needs
464          * to know where it is. */
465         return to_guest_phys(pgdir);
466 }
467 /*:*/
468
469 /* Simple routine to roll all the commandline arguments together with spaces
470  * between them. */
471 static void concat(char *dst, char *args[])
472 {
473         unsigned int i, len = 0;
474
475         for (i = 0; args[i]; i++) {
476                 strcpy(dst+len, args[i]);
477                 strcat(dst+len, " ");
478                 len += strlen(args[i]) + 1;
479         }
480         /* In case it's empty. */
481         dst[len] = '\0';
482 }
483
484 /*L:185 This is where we actually tell the kernel to initialize the Guest.  We
485  * saw the arguments it expects when we looked at initialize() in lguest_user.c:
486  * the base of Guest "physical" memory, the top physical page to allow, the
487  * top level pagetable and the entry point for the Guest. */
488 static int tell_kernel(unsigned long pgdir, unsigned long start)
489 {
490         unsigned long args[] = { LHREQ_INITIALIZE,
491                                  (unsigned long)guest_base,
492                                  guest_limit / getpagesize(), pgdir, start };
493         int fd;
494
495         verbose("Guest: %p - %p (%#lx)\n",
496                 guest_base, guest_base + guest_limit, guest_limit);
497         fd = open_or_die("/dev/lguest", O_RDWR);
498         if (write(fd, args, sizeof(args)) < 0)
499                 err(1, "Writing to /dev/lguest");
500
501         /* We return the /dev/lguest file descriptor to control this Guest */
502         return fd;
503 }
504 /*:*/
505
506 static void add_device_fd(int fd)
507 {
508         FD_SET(fd, &devices.infds);
509         if (fd > devices.max_infd)
510                 devices.max_infd = fd;
511 }
512
513 /*L:200
514  * The Waker.
515  *
516  * With console, block and network devices, we can have lots of input which we
517  * need to process.  We could try to tell the kernel what file descriptors to
518  * watch, but handing a file descriptor mask through to the kernel is fairly
519  * icky.
520  *
521  * Instead, we fork off a process which watches the file descriptors and writes
522  * the LHREQ_BREAK command to the /dev/lguest file descriptor to tell the Host
523  * stop running the Guest.  This causes the Launcher to return from the
524  * /dev/lguest read with -EAGAIN, where it will write to /dev/lguest to reset
525  * the LHREQ_BREAK and wake us up again.
526  *
527  * This, of course, is merely a different *kind* of icky.
528  */
529 static void wake_parent(int pipefd, int lguest_fd)
530 {
531         /* Add the pipe from the Launcher to the fdset in the device_list, so
532          * we watch it, too. */
533         add_device_fd(pipefd);
534
535         for (;;) {
536                 fd_set rfds = devices.infds;
537                 unsigned long args[] = { LHREQ_BREAK, 1 };
538
539                 /* Wait until input is ready from one of the devices. */
540                 select(devices.max_infd+1, &rfds, NULL, NULL, NULL);
541                 /* Is it a message from the Launcher? */
542                 if (FD_ISSET(pipefd, &rfds)) {
543                         int fd;
544                         /* If read() returns 0, it means the Launcher has
545                          * exited.  We silently follow. */
546                         if (read(pipefd, &fd, sizeof(fd)) == 0)
547                                 exit(0);
548                         /* Otherwise it's telling us to change what file
549                          * descriptors we're to listen to.  Positive means
550                          * listen to a new one, negative means stop
551                          * listening. */
552                         if (fd >= 0)
553                                 FD_SET(fd, &devices.infds);
554                         else
555                                 FD_CLR(-fd - 1, &devices.infds);
556                 } else /* Send LHREQ_BREAK command. */
557                         write(lguest_fd, args, sizeof(args));
558         }
559 }
560
561 /* This routine just sets up a pipe to the Waker process. */
562 static int setup_waker(int lguest_fd)
563 {
564         int pipefd[2], child;
565
566         /* We create a pipe to talk to the Waker, and also so it knows when the
567          * Launcher dies (and closes pipe). */
568         pipe(pipefd);
569         child = fork();
570         if (child == -1)
571                 err(1, "forking");
572
573         if (child == 0) {
574                 /* We are the Waker: close the "writing" end of our copy of the
575                  * pipe and start waiting for input. */
576                 close(pipefd[1]);
577                 wake_parent(pipefd[0], lguest_fd);
578         }
579         /* Close the reading end of our copy of the pipe. */
580         close(pipefd[0]);
581
582         /* Here is the fd used to talk to the waker. */
583         return pipefd[1];
584 }
585
586 /*
587  * Device Handling.
588  *
589  * When the Guest gives us a buffer, it sends an array of addresses and sizes.
590  * We need to make sure it's not trying to reach into the Launcher itself, so
591  * we have a convenient routine which checks it and exits with an error message
592  * if something funny is going on:
593  */
594 static void *_check_pointer(unsigned long addr, unsigned int size,
595                             unsigned int line)
596 {
597         /* We have to separately check addr and addr+size, because size could
598          * be huge and addr + size might wrap around. */
599         if (addr >= guest_limit || addr + size >= guest_limit)
600                 errx(1, "%s:%i: Invalid address %#lx", __FILE__, line, addr);
601         /* We return a pointer for the caller's convenience, now we know it's
602          * safe to use. */
603         return from_guest_phys(addr);
604 }
605 /* A macro which transparently hands the line number to the real function. */
606 #define check_pointer(addr,size) _check_pointer(addr, size, __LINE__)
607
608 /* Each buffer in the virtqueues is actually a chain of descriptors.  This
609  * function returns the next descriptor in the chain, or vq->vring.num if we're
610  * at the end. */
611 static unsigned next_desc(struct virtqueue *vq, unsigned int i)
612 {
613         unsigned int next;
614
615         /* If this descriptor says it doesn't chain, we're done. */
616         if (!(vq->vring.desc[i].flags & VRING_DESC_F_NEXT))
617                 return vq->vring.num;
618
619         /* Check they're not leading us off end of descriptors. */
620         next = vq->vring.desc[i].next;
621         /* Make sure compiler knows to grab that: we don't want it changing! */
622         wmb();
623
624         if (next >= vq->vring.num)
625                 errx(1, "Desc next is %u", next);
626
627         return next;
628 }
629
630 /* This looks in the virtqueue and for the first available buffer, and converts
631  * it to an iovec for convenient access.  Since descriptors consist of some
632  * number of output then some number of input descriptors, it's actually two
633  * iovecs, but we pack them into one and note how many of each there were.
634  *
635  * This function returns the descriptor number found, or vq->vring.num (which
636  * is never a valid descriptor number) if none was found. */
637 static unsigned get_vq_desc(struct virtqueue *vq,
638                             struct iovec iov[],
639                             unsigned int *out_num, unsigned int *in_num)
640 {
641         unsigned int i, head;
642
643         /* Check it isn't doing very strange things with descriptor numbers. */
644         if ((u16)(vq->vring.avail->idx - vq->last_avail_idx) > vq->vring.num)
645                 errx(1, "Guest moved used index from %u to %u",
646                      vq->last_avail_idx, vq->vring.avail->idx);
647
648         /* If there's nothing new since last we looked, return invalid. */
649         if (vq->vring.avail->idx == vq->last_avail_idx)
650                 return vq->vring.num;
651
652         /* Grab the next descriptor number they're advertising, and increment
653          * the index we've seen. */
654         head = vq->vring.avail->ring[vq->last_avail_idx++ % vq->vring.num];
655
656         /* If their number is silly, that's a fatal mistake. */
657         if (head >= vq->vring.num)
658                 errx(1, "Guest says index %u is available", head);
659
660         /* When we start there are none of either input nor output. */
661         *out_num = *in_num = 0;
662
663         i = head;
664         do {
665                 /* Grab the first descriptor, and check it's OK. */
666                 iov[*out_num + *in_num].iov_len = vq->vring.desc[i].len;
667                 iov[*out_num + *in_num].iov_base
668                         = check_pointer(vq->vring.desc[i].addr,
669                                         vq->vring.desc[i].len);
670                 /* If this is an input descriptor, increment that count. */
671                 if (vq->vring.desc[i].flags & VRING_DESC_F_WRITE)
672                         (*in_num)++;
673                 else {
674                         /* If it's an output descriptor, they're all supposed
675                          * to come before any input descriptors. */
676                         if (*in_num)
677                                 errx(1, "Descriptor has out after in");
678                         (*out_num)++;
679                 }
680
681                 /* If we've got too many, that implies a descriptor loop. */
682                 if (*out_num + *in_num > vq->vring.num)
683                         errx(1, "Looped descriptor");
684         } while ((i = next_desc(vq, i)) != vq->vring.num);
685
686         return head;
687 }
688
689 /* After we've used one of their buffers, we tell them about it.  We'll then
690  * want to send them an interrupt, using trigger_irq(). */
691 static void add_used(struct virtqueue *vq, unsigned int head, int len)
692 {
693         struct vring_used_elem *used;
694
695         /* The virtqueue contains a ring of used buffers.  Get a pointer to the
696          * next entry in that used ring. */
697         used = &vq->vring.used->ring[vq->vring.used->idx % vq->vring.num];
698         used->id = head;
699         used->len = len;
700         /* Make sure buffer is written before we update index. */
701         wmb();
702         vq->vring.used->idx++;
703 }
704
705 /* This actually sends the interrupt for this virtqueue */
706 static void trigger_irq(int fd, struct virtqueue *vq)
707 {
708         unsigned long buf[] = { LHREQ_IRQ, vq->config.irq };
709
710         /* If they don't want an interrupt, don't send one. */
711         if (vq->vring.avail->flags & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT)
712                 return;
713
714         /* Send the Guest an interrupt tell them we used something up. */
715         if (write(fd, buf, sizeof(buf)) != 0)
716                 err(1, "Triggering irq %i", vq->config.irq);
717 }
718
719 /* And here's the combo meal deal.  Supersize me! */
720 static void add_used_and_trigger(int fd, struct virtqueue *vq,
721                                  unsigned int head, int len)
722 {
723         add_used(vq, head, len);
724         trigger_irq(fd, vq);
725 }
726
727 /*
728  * The Console
729  *
730  * Here is the input terminal setting we save, and the routine to restore them
731  * on exit so the user gets their terminal back. */
732 static struct termios orig_term;
733 static void restore_term(void)
734 {
735         tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &orig_term);
736 }
737
738 /* We associate some data with the console for our exit hack. */
739 struct console_abort
740 {
741         /* How many times have they hit ^C? */
742         int count;
743         /* When did they start? */
744         struct timeval start;
745 };
746
747 /* This is the routine which handles console input (ie. stdin). */
748 static bool handle_console_input(int fd, struct device *dev)
749 {
750         int len;
751         unsigned int head, in_num, out_num;
752         struct iovec iov[dev->vq->vring.num];
753         struct console_abort *abort = dev->priv;
754
755         /* First we need a console buffer from the Guests's input virtqueue. */
756         head = get_vq_desc(dev->vq, iov, &out_num, &in_num);
757
758         /* If they're not ready for input, stop listening to this file
759          * descriptor.  We'll start again once they add an input buffer. */
760         if (head == dev->vq->vring.num)
761                 return false;
762
763         if (out_num)
764                 errx(1, "Output buffers in console in queue?");
765
766         /* This is why we convert to iovecs: the readv() call uses them, and so
767          * it reads straight into the Guest's buffer. */
768         len = readv(dev->fd, iov, in_num);
769         if (len <= 0) {
770                 /* This implies that the console is closed, is /dev/null, or
771                  * something went terribly wrong. */
772                 warnx("Failed to get console input, ignoring console.");
773                 /* Put the input terminal back. */
774                 restore_term();
775                 /* Remove callback from input vq, so it doesn't restart us. */
776                 dev->vq->handle_output = NULL;
777                 /* Stop listening to this fd: don't call us again. */
778                 return false;
779         }
780
781         /* Tell the Guest about the new input. */
782         add_used_and_trigger(fd, dev->vq, head, len);
783
784         /* Three ^C within one second?  Exit.
785          *
786          * This is such a hack, but works surprisingly well.  Each ^C has to be
787          * in a buffer by itself, so they can't be too fast.  But we check that
788          * we get three within about a second, so they can't be too slow. */
789         if (len == 1 && ((char *)iov[0].iov_base)[0] == 3) {
790                 if (!abort->count++)
791                         gettimeofday(&abort->start, NULL);
792                 else if (abort->count == 3) {
793                         struct timeval now;
794                         gettimeofday(&now, NULL);
795                         if (now.tv_sec <= abort->start.tv_sec+1) {
796                                 unsigned long args[] = { LHREQ_BREAK, 0 };
797                                 /* Close the fd so Waker will know it has to
798                                  * exit. */
799                                 close(waker_fd);
800                                 /* Just in case waker is blocked in BREAK, send
801                                  * unbreak now. */
802                                 write(fd, args, sizeof(args));
803                                 exit(2);
804                         }
805                         abort->count = 0;
806                 }
807         } else
808                 /* Any other key resets the abort counter. */
809                 abort->count = 0;
810
811         /* Everything went OK! */
812         return true;
813 }
814
815 /* Handling output for console is simple: we just get all the output buffers
816  * and write them to stdout. */
817 static void handle_console_output(int fd, struct virtqueue *vq)
818 {
819         unsigned int head, out, in;
820         int len;
821         struct iovec iov[vq->vring.num];
822
823         /* Keep getting output buffers from the Guest until we run out. */
824         while ((head = get_vq_desc(vq, iov, &out, &in)) != vq->vring.num) {
825                 if (in)
826                         errx(1, "Input buffers in output queue?");
827                 len = writev(STDOUT_FILENO, iov, out);
828                 add_used_and_trigger(fd, vq, head, len);
829         }
830 }
831
832 /*
833  * The Network
834  *
835  * Handling output for network is also simple: we get all the output buffers
836  * and write them (ignoring the first element) to this device's file descriptor
837  * (stdout). */
838 static void handle_net_output(int fd, struct virtqueue *vq)
839 {
840         unsigned int head, out, in;
841         int len;
842         struct iovec iov[vq->vring.num];
843
844         /* Keep getting output buffers from the Guest until we run out. */
845         while ((head = get_vq_desc(vq, iov, &out, &in)) != vq->vring.num) {
846                 if (in)
847                         errx(1, "Input buffers in output queue?");
848                 /* Check header, but otherwise ignore it (we told the Guest we
849                  * supported no features, so it shouldn't have anything
850                  * interesting). */
851                 (void)convert(&iov[0], struct virtio_net_hdr);
852                 len = writev(vq->dev->fd, iov+1, out-1);
853                 add_used_and_trigger(fd, vq, head, len);
854         }
855 }
856
857 /* This is where we handle a packet coming in from the tun device to our
858  * Guest. */
859 static bool handle_tun_input(int fd, struct device *dev)
860 {
861         unsigned int head, in_num, out_num;
862         int len;
863         struct iovec iov[dev->vq->vring.num];
864         struct virtio_net_hdr *hdr;
865
866         /* First we need a network buffer from the Guests's recv virtqueue. */
867         head = get_vq_desc(dev->vq, iov, &out_num, &in_num);
868         if (head == dev->vq->vring.num) {
869                 /* Now, it's expected that if we try to send a packet too
870                  * early, the Guest won't be ready yet.  Wait until the device
871                  * status says it's ready. */
872                 /* FIXME: Actually want DRIVER_ACTIVE here. */
873                 if (dev->desc->status & VIRTIO_CONFIG_S_DRIVER_OK)
874                         warn("network: no dma buffer!");
875                 /* We'll turn this back on if input buffers are registered. */
876                 return false;
877         } else if (out_num)
878                 errx(1, "Output buffers in network recv queue?");
879
880         /* First element is the header: we set it to 0 (no features). */
881         hdr = convert(&iov[0], struct virtio_net_hdr);
882         hdr->flags = 0;
883         hdr->gso_type = VIRTIO_NET_HDR_GSO_NONE;
884
885         /* Read the packet from the device directly into the Guest's buffer. */
886         len = readv(dev->fd, iov+1, in_num-1);
887         if (len <= 0)
888                 err(1, "reading network");
889
890         /* Tell the Guest about the new packet. */
891         add_used_and_trigger(fd, dev->vq, head, sizeof(*hdr) + len);
892
893         verbose("tun input packet len %i [%02x %02x] (%s)\n", len,
894                 ((u8 *)iov[1].iov_base)[0], ((u8 *)iov[1].iov_base)[1],
895                 head != dev->vq->vring.num ? "sent" : "discarded");
896
897         /* All good. */
898         return true;
899 }
900
901 /*L:215 This is the callback attached to the network and console input
902  * virtqueues: it ensures we try again, in case we stopped console or net
903  * delivery because Guest didn't have any buffers. */
904 static void enable_fd(int fd, struct virtqueue *vq)
905 {
906         add_device_fd(vq->dev->fd);
907         /* Tell waker to listen to it again */
908         write(waker_fd, &vq->dev->fd, sizeof(vq->dev->fd));
909 }
910
911 /* This is the generic routine we call when the Guest uses LHCALL_NOTIFY. */
912 static void handle_output(int fd, unsigned long addr)
913 {
914         struct device *i;
915         struct virtqueue *vq;
916
917         /* Check each virtqueue. */
918         for (i = devices.dev; i; i = i->next) {
919                 for (vq = i->vq; vq; vq = vq->next) {
920                         if (vq->config.pfn == addr/getpagesize()
921                             && vq->handle_output) {
922                                 verbose("Output to %s\n", vq->dev->name);
923                                 vq->handle_output(fd, vq);
924                                 return;
925                         }
926                 }
927         }
928
929         /* Early console write is done using notify on a nul-terminated string
930          * in Guest memory. */
931         if (addr >= guest_limit)
932                 errx(1, "Bad NOTIFY %#lx", addr);
933
934         write(STDOUT_FILENO, from_guest_phys(addr),
935               strnlen(from_guest_phys(addr), guest_limit - addr));
936 }
937
938 /* This is called when the Waker wakes us up: check for incoming file
939  * descriptors. */
940 static void handle_input(int fd)
941 {
942         /* select() wants a zeroed timeval to mean "don't wait". */
943         struct timeval poll = { .tv_sec = 0, .tv_usec = 0 };
944
945         for (;;) {
946                 struct device *i;
947                 fd_set fds = devices.infds;
948
949                 /* If nothing is ready, we're done. */
950                 if (select(devices.max_infd+1, &fds, NULL, NULL, &poll) == 0)
951                         break;
952
953                 /* Otherwise, call the device(s) which have readable
954                  * file descriptors and a method of handling them.  */
955                 for (i = devices.dev; i; i = i->next) {
956                         if (i->handle_input && FD_ISSET(i->fd, &fds)) {
957                                 int dev_fd;
958                                 if (i->handle_input(fd, i))
959                                         continue;
960
961                                 /* If handle_input() returns false, it means we
962                                  * should no longer service it.  Networking and
963                                  * console do this when there's no input
964                                  * buffers to deliver into.  Console also uses
965                                  * it when it discovers that stdin is
966                                  * closed. */
967                                 FD_CLR(i->fd, &devices.infds);
968                                 /* Tell waker to ignore it too, by sending a
969                                  * negative fd number (-1, since 0 is a valid
970                                  * FD number). */
971                                 dev_fd = -i->fd - 1;
972                                 write(waker_fd, &dev_fd, sizeof(dev_fd));
973                         }
974                 }
975         }
976 }
977
978 /*L:190
979  * Device Setup
980  *
981  * All devices need a descriptor so the Guest knows it exists, and a "struct
982  * device" so the Launcher can keep track of it.  We have common helper
983  * routines to allocate them.
984  *
985  * This routine allocates a new "struct lguest_device_desc" from descriptor
986  * table just above the Guest's normal memory.  It returns a pointer to that
987  * descriptor. */
988 static struct lguest_device_desc *new_dev_desc(u16 type)
989 {
990         struct lguest_device_desc *d;
991
992         /* We only have one page for all the descriptors. */
993         if (devices.desc_used + sizeof(*d) > getpagesize())
994                 errx(1, "Too many devices");
995
996         /* We don't need to set config_len or status: page is 0 already. */
997         d = (void *)devices.descpage + devices.desc_used;
998         d->type = type;
999         devices.desc_used += sizeof(*d);
1000
1001         return d;
1002 }
1003
1004 /* Each device descriptor is followed by some configuration information.
1005  * Each configuration field looks like: u8 type, u8 len, [... len bytes...].
1006  *
1007  * This routine adds a new field to an existing device's descriptor.  It only
1008  * works for the last device, but that's OK because that's how we use it. */
1009 static void add_desc_field(struct device *dev, u8 type, u8 len, const void *c)
1010 {
1011         /* This is the last descriptor, right? */
1012         assert(devices.descpage + devices.desc_used
1013                == (u8 *)(dev->desc + 1) + dev->desc->config_len);
1014
1015         /* We only have one page of device descriptions. */
1016         if (devices.desc_used + 2 + len > getpagesize())
1017                 errx(1, "Too many devices");
1018
1019         /* Copy in the new config header: type then length. */
1020         devices.descpage[devices.desc_used++] = type;
1021         devices.descpage[devices.desc_used++] = len;
1022         memcpy(devices.descpage + devices.desc_used, c, len);
1023         devices.desc_used += len;
1024
1025         /* Update the device descriptor length: two byte head then data. */
1026         dev->desc->config_len += 2 + len;
1027 }
1028
1029 /* This routine adds a virtqueue to a device.  We specify how many descriptors
1030  * the virtqueue is to have. */
1031 static void add_virtqueue(struct device *dev, unsigned int num_descs,
1032                           void (*handle_output)(int fd, struct virtqueue *me))
1033 {
1034         unsigned int pages;
1035         struct virtqueue **i, *vq = malloc(sizeof(*vq));
1036         void *p;
1037
1038         /* First we need some pages for this virtqueue. */
1039         pages = (vring_size(num_descs) + getpagesize() - 1) / getpagesize();
1040         p = get_pages(pages);
1041
1042         /* Initialize the configuration. */
1043         vq->config.num = num_descs;
1044         vq->config.irq = devices.next_irq++;
1045         vq->config.pfn = to_guest_phys(p) / getpagesize();
1046
1047         /* Initialize the vring. */
1048         vring_init(&vq->vring, num_descs, p);
1049
1050         /* Add the configuration information to this device's descriptor. */
1051         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_F_VIRTQUEUE,
1052                        sizeof(vq->config), &vq->config);
1053
1054         /* Add to tail of list, so dev->vq is first vq, dev->vq->next is
1055          * second.  */
1056         for (i = &dev->vq; *i; i = &(*i)->next);
1057         *i = vq;
1058
1059         /* Link virtqueue back to device. */
1060         vq->dev = dev;
1061
1062         /* Set the routine to call when the Guest does something to this
1063          * virtqueue. */
1064         vq->handle_output = handle_output;
1065
1066         /* Set the "Don't Notify Me" flag if we don't have a handler */
1067         if (!handle_output)
1068                 vq->vring.used->flags = VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
1069 }
1070
1071 /* This routine does all the creation and setup of a new device, including
1072  * calling new_dev_desc() to allocate the descriptor and device memory. */
1073 static struct device *new_device(const char *name, u16 type, int fd,
1074                                  bool (*handle_input)(int, struct device *))
1075 {
1076         struct device *dev = malloc(sizeof(*dev));
1077
1078         /* Append to device list.  Prepending to a single-linked list is
1079          * easier, but the user expects the devices to be arranged on the bus
1080          * in command-line order.  The first network device on the command line
1081          * is eth0, the first block device /dev/vda, etc. */
1082         *devices.lastdev = dev;
1083         dev->next = NULL;
1084         devices.lastdev = &dev->next;
1085
1086         /* Now we populate the fields one at a time. */
1087         dev->fd = fd;
1088         /* If we have an input handler for this file descriptor, then we add it
1089          * to the device_list's fdset and maxfd. */
1090         if (handle_input)
1091                 add_device_fd(dev->fd);
1092         dev->desc = new_dev_desc(type);
1093         dev->handle_input = handle_input;
1094         dev->name = name;
1095         return dev;
1096 }
1097
1098 /* Our first setup routine is the console.  It's a fairly simple device, but
1099  * UNIX tty handling makes it uglier than it could be. */
1100 static void setup_console(void)
1101 {
1102         struct device *dev;
1103
1104         /* If we can save the initial standard input settings... */
1105         if (tcgetattr(STDIN_FILENO, &orig_term) == 0) {
1106                 struct termios term = orig_term;
1107                 /* Then we turn off echo, line buffering and ^C etc.  We want a
1108                  * raw input stream to the Guest. */
1109                 term.c_lflag &= ~(ISIG|ICANON|ECHO);
1110                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &term);
1111                 /* If we exit gracefully, the original settings will be
1112                  * restored so the user can see what they're typing. */
1113                 atexit(restore_term);
1114         }
1115
1116         dev = new_device("console", VIRTIO_ID_CONSOLE,
1117                          STDIN_FILENO, handle_console_input);
1118         /* We store the console state in dev->priv, and initialize it. */
1119         dev->priv = malloc(sizeof(struct console_abort));
1120         ((struct console_abort *)dev->priv)->count = 0;
1121
1122         /* The console needs two virtqueues: the input then the output.  When
1123          * they put something the input queue, we make sure we're listening to
1124          * stdin.  When they put something in the output queue, we write it to
1125          * stdout. */
1126         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, enable_fd);
1127         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, handle_console_output);
1128
1129         verbose("device %u: console\n", devices.device_num++);
1130 }
1131 /*:*/
1132
1133 /*M:010 Inter-guest networking is an interesting area.  Simplest is to have a
1134  * --sharenet=<name> option which opens or creates a named pipe.  This can be
1135  * used to send packets to another guest in a 1:1 manner.
1136  *
1137  * More sopisticated is to use one of the tools developed for project like UML
1138  * to do networking.
1139  *
1140  * Faster is to do virtio bonding in kernel.  Doing this 1:1 would be
1141  * completely generic ("here's my vring, attach to your vring") and would work
1142  * for any traffic.  Of course, namespace and permissions issues need to be
1143  * dealt with.  A more sophisticated "multi-channel" virtio_net.c could hide
1144  * multiple inter-guest channels behind one interface, although it would
1145  * require some manner of hotplugging new virtio channels.
1146  *
1147  * Finally, we could implement a virtio network switch in the kernel. :*/
1148
1149 static u32 str2ip(const char *ipaddr)
1150 {
1151         unsigned int byte[4];
1152
1153         sscanf(ipaddr, "%u.%u.%u.%u", &byte[0], &byte[1], &byte[2], &byte[3]);
1154         return (byte[0] << 24) | (byte[1] << 16) | (byte[2] << 8) | byte[3];
1155 }
1156
1157 /* This code is "adapted" from libbridge: it attaches the Host end of the
1158  * network device to the bridge device specified by the command line.
1159  *
1160  * This is yet another James Morris contribution (I'm an IP-level guy, so I
1161  * dislike bridging), and I just try not to break it. */
1162 static void add_to_bridge(int fd, const char *if_name, const char *br_name)
1163 {
1164         int ifidx;
1165         struct ifreq ifr;
1166
1167         if (!*br_name)
1168                 errx(1, "must specify bridge name");
1169
1170         ifidx = if_nametoindex(if_name);
1171         if (!ifidx)
1172                 errx(1, "interface %s does not exist!", if_name);
1173
1174         strncpy(ifr.ifr_name, br_name, IFNAMSIZ);
1175         ifr.ifr_ifindex = ifidx;
1176         if (ioctl(fd, SIOCBRADDIF, &ifr) < 0)
1177                 err(1, "can't add %s to bridge %s", if_name, br_name);
1178 }
1179
1180 /* This sets up the Host end of the network device with an IP address, brings
1181  * it up so packets will flow, the copies the MAC address into the hwaddr
1182  * pointer. */
1183 static void configure_device(int fd, const char *devname, u32 ipaddr,
1184                              unsigned char hwaddr[6])
1185 {
1186         struct ifreq ifr;
1187         struct sockaddr_in *sin = (struct sockaddr_in *)&ifr.ifr_addr;
1188
1189         /* Don't read these incantations.  Just cut & paste them like I did! */
1190         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
1191         strcpy(ifr.ifr_name, devname);
1192         sin->sin_family = AF_INET;
1193         sin->sin_addr.s_addr = htonl(ipaddr);
1194         if (ioctl(fd, SIOCSIFADDR, &ifr) != 0)
1195                 err(1, "Setting %s interface address", devname);
1196         ifr.ifr_flags = IFF_UP;
1197         if (ioctl(fd, SIOCSIFFLAGS, &ifr) != 0)
1198                 err(1, "Bringing interface %s up", devname);
1199
1200         /* SIOC stands for Socket I/O Control.  G means Get (vs S for Set
1201          * above).  IF means Interface, and HWADDR is hardware address.
1202          * Simple! */
1203         if (ioctl(fd, SIOCGIFHWADDR, &ifr) != 0)
1204                 err(1, "getting hw address for %s", devname);
1205         memcpy(hwaddr, ifr.ifr_hwaddr.sa_data, 6);
1206 }
1207
1208 /*L:195 Our network is a Host<->Guest network.  This can either use bridging or
1209  * routing, but the principle is the same: it uses the "tun" device to inject
1210  * packets into the Host as if they came in from a normal network card.  We
1211  * just shunt packets between the Guest and the tun device. */
1212 static void setup_tun_net(const char *arg)
1213 {
1214         struct device *dev;
1215         struct ifreq ifr;
1216         int netfd, ipfd;
1217         u32 ip;
1218         const char *br_name = NULL;
1219         u8 hwaddr[6];
1220
1221         /* We open the /dev/net/tun device and tell it we want a tap device.  A
1222          * tap device is like a tun device, only somehow different.  To tell
1223          * the truth, I completely blundered my way through this code, but it
1224          * works now! */
1225         netfd = open_or_die("/dev/net/tun", O_RDWR);
1226         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
1227         ifr.ifr_flags = IFF_TAP | IFF_NO_PI;
1228         strcpy(ifr.ifr_name, "tap%d");
1229         if (ioctl(netfd, TUNSETIFF, &ifr) != 0)
1230                 err(1, "configuring /dev/net/tun");
1231         /* We don't need checksums calculated for packets coming in this
1232          * device: trust us! */
1233         ioctl(netfd, TUNSETNOCSUM, 1);
1234
1235         /* First we create a new network device. */
1236         dev = new_device("net", VIRTIO_ID_NET, netfd, handle_tun_input);
1237
1238         /* Network devices need a receive and a send queue, just like
1239          * console. */
1240         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, enable_fd);
1241         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, handle_net_output);
1242
1243         /* We need a socket to perform the magic network ioctls to bring up the
1244          * tap interface, connect to the bridge etc.  Any socket will do! */
1245         ipfd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_IP);
1246         if (ipfd < 0)
1247                 err(1, "opening IP socket");
1248
1249         /* If the command line was --tunnet=bridge:<name> do bridging. */
1250         if (!strncmp(BRIDGE_PFX, arg, strlen(BRIDGE_PFX))) {
1251                 ip = INADDR_ANY;
1252                 br_name = arg + strlen(BRIDGE_PFX);
1253                 add_to_bridge(ipfd, ifr.ifr_name, br_name);
1254         } else /* It is an IP address to set up the device with */
1255                 ip = str2ip(arg);
1256
1257         /* Set up the tun device, and get the mac address for the interface. */
1258         configure_device(ipfd, ifr.ifr_name, ip, hwaddr);
1259
1260         /* Tell Guest what MAC address to use. */
1261         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_NET_MAC_F, sizeof(hwaddr), hwaddr);
1262
1263         /* We don't seed the socket any more; setup is done. */
1264         close(ipfd);
1265
1266         verbose("device %u: tun net %u.%u.%u.%u\n",
1267                 devices.device_num++,
1268                 (u8)(ip>>24),(u8)(ip>>16),(u8)(ip>>8),(u8)ip);
1269         if (br_name)
1270                 verbose("attached to bridge: %s\n", br_name);
1271 }
1272
1273 /* Our block (disk) device should be really simple: the Guest asks for a block
1274  * number and we read or write that position in the file.  Unfortunately, that
1275  * was amazingly slow: the Guest waits until the read is finished before
1276  * running anything else, even if it could have been doing useful work.
1277  *
1278  * We could use async I/O, except it's reputed to suck so hard that characters
1279  * actually go missing from your code when you try to use it.
1280  *
1281  * So we farm the I/O out to thread, and communicate with it via a pipe. */
1282
1283 /* This hangs off device->priv. */
1284 struct vblk_info
1285 {
1286         /* The size of the file. */
1287         off64_t len;
1288
1289         /* The file descriptor for the file. */
1290         int fd;
1291
1292         /* IO thread listens on this file descriptor [0]. */
1293         int workpipe[2];
1294
1295         /* IO thread writes to this file descriptor to mark it done, then
1296          * Launcher triggers interrupt to Guest. */
1297         int done_fd;
1298 };
1299 /*:*/
1300
1301 /*L:210
1302  * The Disk
1303  *
1304  * Remember that the block device is handled by a separate I/O thread.  We head
1305  * straight into the core of that thread here:
1306  */
1307 static bool service_io(struct device *dev)
1308 {
1309         struct vblk_info *vblk = dev->priv;
1310         unsigned int head, out_num, in_num, wlen;
1311         int ret;
1312         struct virtio_blk_inhdr *in;
1313         struct virtio_blk_outhdr *out;
1314         struct iovec iov[dev->vq->vring.num];
1315         off64_t off;
1316
1317         /* See if there's a request waiting.  If not, nothing to do. */
1318         head = get_vq_desc(dev->vq, iov, &out_num, &in_num);
1319         if (head == dev->vq->vring.num)
1320                 return false;
1321
1322         /* Every block request should contain at least one output buffer
1323          * (detailing the location on disk and the type of request) and one
1324          * input buffer (to hold the result). */
1325         if (out_num == 0 || in_num == 0)
1326                 errx(1, "Bad virtblk cmd %u out=%u in=%u",
1327                      head, out_num, in_num);
1328
1329         out = convert(&iov[0], struct virtio_blk_outhdr);
1330         in = convert(&iov[out_num+in_num-1], struct virtio_blk_inhdr);
1331         off = out->sector * 512;
1332
1333         /* The block device implements "barriers", where the Guest indicates
1334          * that it wants all previous writes to occur before this write.  We
1335          * don't have a way of asking our kernel to do a barrier, so we just
1336          * synchronize all the data in the file.  Pretty poor, no? */
1337         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_BARRIER)
1338                 fdatasync(vblk->fd);
1339
1340         /* In general the virtio block driver is allowed to try SCSI commands.
1341          * It'd be nice if we supported eject, for example, but we don't. */
1342         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_SCSI_CMD) {
1343                 fprintf(stderr, "Scsi commands unsupported\n");
1344                 in->status = VIRTIO_BLK_S_UNSUPP;
1345                 wlen = sizeof(in);
1346         } else if (out->type & VIRTIO_BLK_T_OUT) {
1347                 /* Write */
1348
1349                 /* Move to the right location in the block file.  This can fail
1350                  * if they try to write past end. */
1351                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
1352                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out->sector);
1353
1354                 ret = writev(vblk->fd, iov+1, out_num-1);
1355                 verbose("WRITE to sector %llu: %i\n", out->sector, ret);
1356
1357                 /* Grr... Now we know how long the descriptor they sent was, we
1358                  * make sure they didn't try to write over the end of the block
1359                  * file (possibly extending it). */
1360                 if (ret > 0 && off + ret > vblk->len) {
1361                         /* Trim it back to the correct length */
1362                         ftruncate64(vblk->fd, vblk->len);
1363                         /* Die, bad Guest, die. */
1364                         errx(1, "Write past end %llu+%u", off, ret);
1365                 }
1366                 wlen = sizeof(in);
1367                 in->status = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
1368         } else {
1369                 /* Read */
1370
1371                 /* Move to the right location in the block file.  This can fail
1372                  * if they try to read past end. */
1373                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
1374                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out->sector);
1375
1376                 ret = readv(vblk->fd, iov+1, in_num-1);
1377                 verbose("READ from sector %llu: %i\n", out->sector, ret);
1378                 if (ret >= 0) {
1379                         wlen = sizeof(in) + ret;
1380                         in->status = VIRTIO_BLK_S_OK;
1381                 } else {
1382                         wlen = sizeof(in);
1383                         in->status = VIRTIO_BLK_S_IOERR;
1384                 }
1385         }
1386
1387         /* We can't trigger an IRQ, because we're not the Launcher.  It does
1388          * that when we tell it we're done. */
1389         add_used(dev->vq, head, wlen);
1390         return true;
1391 }
1392
1393 /* This is the thread which actually services the I/O. */
1394 static int io_thread(void *_dev)
1395 {
1396         struct device *dev = _dev;
1397         struct vblk_info *vblk = dev->priv;
1398         char c;
1399
1400         /* Close other side of workpipe so we get 0 read when main dies. */
1401         close(vblk->workpipe[1]);
1402         /* Close the other side of the done_fd pipe. */
1403         close(dev->fd);
1404
1405         /* When this read fails, it means Launcher died, so we follow. */
1406         while (read(vblk->workpipe[0], &c, 1) == 1) {
1407                 /* We acknowledge each request immediately to reduce latency,
1408                  * rather than waiting until we've done them all.  I haven't
1409                  * measured to see if it makes any difference. */
1410                 while (service_io(dev))
1411                         write(vblk->done_fd, &c, 1);
1412         }
1413         return 0;
1414 }
1415
1416 /* Now we've seen the I/O thread, we return to the Launcher to see what happens
1417  * when the thread tells us it's completed some I/O. */
1418 static bool handle_io_finish(int fd, struct device *dev)
1419 {
1420         char c;
1421
1422         /* If the I/O thread died, presumably it printed the error, so we
1423          * simply exit. */
1424         if (read(dev->fd, &c, 1) != 1)
1425                 exit(1);
1426
1427         /* It did some work, so trigger the irq. */
1428         trigger_irq(fd, dev->vq);
1429         return true;
1430 }
1431
1432 /* When the Guest submits some I/O, we just need to wake the I/O thread. */
1433 static void handle_virtblk_output(int fd, struct virtqueue *vq)
1434 {
1435         struct vblk_info *vblk = vq->dev->priv;
1436         char c = 0;
1437
1438         /* Wake up I/O thread and tell it to go to work! */
1439         if (write(vblk->workpipe[1], &c, 1) != 1)
1440                 /* Presumably it indicated why it died. */
1441                 exit(1);
1442 }
1443
1444 /*L:198 This actually sets up a virtual block device. */
1445 static void setup_block_file(const char *filename)
1446 {
1447         int p[2];
1448         struct device *dev;
1449         struct vblk_info *vblk;
1450         void *stack;
1451         u64 cap;
1452         unsigned int val;
1453
1454         /* This is the pipe the I/O thread will use to tell us I/O is done. */
1455         pipe(p);
1456
1457         /* The device responds to return from I/O thread. */
1458         dev = new_device("block", VIRTIO_ID_BLOCK, p[0], handle_io_finish);
1459
1460         /* The device has one virtqueue, where the Guest places requests. */
1461         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, handle_virtblk_output);
1462
1463         /* Allocate the room for our own bookkeeping */
1464         vblk = dev->priv = malloc(sizeof(*vblk));
1465
1466         /* First we open the file and store the length. */
1467         vblk->fd = open_or_die(filename, O_RDWR|O_LARGEFILE);
1468         vblk->len = lseek64(vblk->fd, 0, SEEK_END);
1469
1470         /* Tell Guest how many sectors this device has. */
1471         cap = cpu_to_le64(vblk->len / 512);
1472         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_BLK_F_CAPACITY, sizeof(cap), &cap);
1473
1474         /* Tell Guest not to put in too many descriptors at once: two are used
1475          * for the in and out elements. */
1476         val = cpu_to_le32(VIRTQUEUE_NUM - 2);
1477         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_BLK_F_SEG_MAX, sizeof(val), &val);
1478
1479         /* The I/O thread writes to this end of the pipe when done. */
1480         vblk->done_fd = p[1];
1481
1482         /* This is the second pipe, which is how we tell the I/O thread about
1483          * more work. */
1484         pipe(vblk->workpipe);
1485
1486         /* Create stack for thread and run it */
1487         stack = malloc(32768);
1488         if (clone(io_thread, stack + 32768, CLONE_VM, dev) == -1)
1489                 err(1, "Creating clone");
1490
1491         /* We don't need to keep the I/O thread's end of the pipes open. */
1492         close(vblk->done_fd);
1493         close(vblk->workpipe[0]);
1494
1495         verbose("device %u: virtblock %llu sectors\n",
1496                 devices.device_num, cap);
1497 }
1498 /* That's the end of device setup. */
1499
1500 /*L:220 Finally we reach the core of the Launcher, which runs the Guest, serves
1501  * its input and output, and finally, lays it to rest. */
1502 static void __attribute__((noreturn)) run_guest(int lguest_fd)
1503 {
1504         for (;;) {
1505                 unsigned long args[] = { LHREQ_BREAK, 0 };
1506                 unsigned long notify_addr;
1507                 int readval;
1508
1509                 /* We read from the /dev/lguest device to run the Guest. */
1510                 readval = read(lguest_fd, &notify_addr, sizeof(notify_addr));
1511
1512                 /* One unsigned long means the Guest did HCALL_NOTIFY */
1513                 if (readval == sizeof(notify_addr)) {
1514                         verbose("Notify on address %#lx\n", notify_addr);
1515                         handle_output(lguest_fd, notify_addr);
1516                         continue;
1517                 /* ENOENT means the Guest died.  Reading tells us why. */
1518                 } else if (errno == ENOENT) {
1519                         char reason[1024] = { 0 };
1520                         read(lguest_fd, reason, sizeof(reason)-1);
1521                         errx(1, "%s", reason);
1522                 /* EAGAIN means the Waker wanted us to look at some input.
1523                  * Anything else means a bug or incompatible change. */
1524                 } else if (errno != EAGAIN)
1525                         err(1, "Running guest failed");
1526
1527                 /* Service input, then unset the BREAK to release the Waker. */
1528                 handle_input(lguest_fd);
1529                 if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
1530                         err(1, "Resetting break");
1531         }
1532 }
1533 /*
1534  * This is the end of the Launcher.  The good news: we are over halfway
1535  * through!  The bad news: the most fiendish part of the code still lies ahead
1536  * of us.
1537  *
1538  * Are you ready?  Take a deep breath and join me in the core of the Host, in
1539  * "make Host".
1540  :*/
1541
1542 static struct option opts[] = {
1543         { "verbose", 0, NULL, 'v' },
1544         { "tunnet", 1, NULL, 't' },
1545         { "block", 1, NULL, 'b' },
1546         { "initrd", 1, NULL, 'i' },
1547         { NULL },
1548 };
1549 static void usage(void)
1550 {
1551         errx(1, "Usage: lguest [--verbose] "
1552              "[--tunnet=(<ipaddr>|bridge:<bridgename>)\n"
1553              "|--block=<filename>|--initrd=<filename>]...\n"
1554              "<mem-in-mb> vmlinux [args...]");
1555 }
1556
1557 /*L:105 The main routine is where the real work begins: */
1558 int main(int argc, char *argv[])
1559 {
1560         /* Memory, top-level pagetable, code startpoint and size of the
1561          * (optional) initrd. */
1562         unsigned long mem = 0, pgdir, start, initrd_size = 0;
1563         /* Two temporaries and the /dev/lguest file descriptor. */
1564         int i, c, lguest_fd;
1565         /* The boot information for the Guest. */
1566         struct boot_params *boot;
1567         /* If they specify an initrd file to load. */
1568         const char *initrd_name = NULL;
1569
1570         /* First we initialize the device list.  Since console and network
1571          * device receive input from a file descriptor, we keep an fdset
1572          * (infds) and the maximum fd number (max_infd) with the head of the
1573          * list.  We also keep a pointer to the last device, for easy appending
1574          * to the list.  Finally, we keep the next interrupt number to hand out
1575          * (1: remember that 0 is used by the timer). */
1576         FD_ZERO(&devices.infds);
1577         devices.max_infd = -1;
1578         devices.lastdev = &devices.dev;
1579         devices.next_irq = 1;
1580
1581         /* We need to know how much memory so we can set up the device
1582          * descriptor and memory pages for the devices as we parse the command
1583          * line.  So we quickly look through the arguments to find the amount
1584          * of memory now. */
1585         for (i = 1; i < argc; i++) {
1586                 if (argv[i][0] != '-') {
1587                         mem = atoi(argv[i]) * 1024 * 1024;
1588                         /* We start by mapping anonymous pages over all of
1589                          * guest-physical memory range.  This fills it with 0,
1590                          * and ensures that the Guest won't be killed when it
1591                          * tries to access it. */
1592                         guest_base = map_zeroed_pages(mem / getpagesize()
1593                                                       + DEVICE_PAGES);
1594                         guest_limit = mem;
1595                         guest_max = mem + DEVICE_PAGES*getpagesize();
1596                         devices.descpage = get_pages(1);
1597                         break;
1598                 }
1599         }
1600
1601         /* The options are fairly straight-forward */
1602         while ((c = getopt_long(argc, argv, "v", opts, NULL)) != EOF) {
1603                 switch (c) {
1604                 case 'v':
1605                         verbose = true;
1606                         break;
1607                 case 't':
1608                         setup_tun_net(optarg);
1609                         break;
1610                 case 'b':
1611                         setup_block_file(optarg);
1612                         break;
1613                 case 'i':
1614                         initrd_name = optarg;
1615                         break;
1616                 default:
1617                         warnx("Unknown argument %s", argv[optind]);
1618                         usage();
1619                 }
1620         }
1621         /* After the other arguments we expect memory and kernel image name,
1622          * followed by command line arguments for the kernel. */
1623         if (optind + 2 > argc)
1624                 usage();
1625
1626         verbose("Guest base is at %p\n", guest_base);
1627
1628         /* We always have a console device */
1629         setup_console();
1630
1631         /* Now we load the kernel */
1632         start = load_kernel(open_or_die(argv[optind+1], O_RDONLY));
1633
1634         /* Boot information is stashed at physical address 0 */
1635         boot = from_guest_phys(0);
1636
1637         /* Map the initrd image if requested (at top of physical memory) */
1638         if (initrd_name) {
1639                 initrd_size = load_initrd(initrd_name, mem);
1640                 /* These are the location in the Linux boot header where the
1641                  * start and size of the initrd are expected to be found. */
1642                 boot->hdr.ramdisk_image = mem - initrd_size;
1643                 boot->hdr.ramdisk_size = initrd_size;
1644                 /* The bootloader type 0xFF means "unknown"; that's OK. */
1645                 boot->hdr.type_of_loader = 0xFF;
1646         }
1647
1648         /* Set up the initial linear pagetables, starting below the initrd. */
1649         pgdir = setup_pagetables(mem, initrd_size);
1650
1651         /* The Linux boot header contains an "E820" memory map: ours is a
1652          * simple, single region. */
1653         boot->e820_entries = 1;
1654         boot->e820_map[0] = ((struct e820entry) { 0, mem, E820_RAM });
1655         /* The boot header contains a command line pointer: we put the command
1656          * line after the boot header. */
1657         boot->hdr.cmd_line_ptr = to_guest_phys(boot + 1);
1658         /* We use a simple helper to copy the arguments separated by spaces. */
1659         concat((char *)(boot + 1), argv+optind+2);
1660
1661         /* Boot protocol version: 2.07 supports the fields for lguest. */
1662         boot->hdr.version = 0x207;
1663
1664         /* The hardware_subarch value of "1" tells the Guest it's an lguest. */
1665         boot->hdr.hardware_subarch = 1;
1666
1667         /* Tell the entry path not to try to reload segment registers. */
1668         boot->hdr.loadflags |= KEEP_SEGMENTS;
1669
1670         /* We tell the kernel to initialize the Guest: this returns the open
1671          * /dev/lguest file descriptor. */
1672         lguest_fd = tell_kernel(pgdir, start);
1673
1674         /* We fork off a child process, which wakes the Launcher whenever one
1675          * of the input file descriptors needs attention.  Otherwise we would
1676          * run the Guest until it tries to output something. */
1677         waker_fd = setup_waker(lguest_fd);
1678
1679         /* Finally, run the Guest.  This doesn't return. */
1680         run_guest(lguest_fd);
1681 }
1682 /*:*/
1683
1684 /*M:999
1685  * Mastery is done: you now know everything I do.
1686  *
1687  * But surely you have seen code, features and bugs in your wanderings which
1688  * you now yearn to attack?  That is the real game, and I look forward to you
1689  * patching and forking lguest into the Your-Name-Here-visor.
1690  *
1691  * Farewell, and good coding!
1692  * Rusty Russell.
1693  */