Merge tag 'drm-fixes-for-v4.13-rc1' of git://people.freedesktop.org/~airlied/linux
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / virtual / kvm / mmu.txt
1 The x86 kvm shadow mmu
2 ======================
3
4 The mmu (in arch/x86/kvm, files mmu.[ch] and paging_tmpl.h) is responsible
5 for presenting a standard x86 mmu to the guest, while translating guest
6 physical addresses to host physical addresses.
7
8 The mmu code attempts to satisfy the following requirements:
9
10 - correctness: the guest should not be able to determine that it is running
11                on an emulated mmu except for timing (we attempt to comply
12                with the specification, not emulate the characteristics of
13                a particular implementation such as tlb size)
14 - security:    the guest must not be able to touch host memory not assigned
15                to it
16 - performance: minimize the performance penalty imposed by the mmu
17 - scaling:     need to scale to large memory and large vcpu guests
18 - hardware:    support the full range of x86 virtualization hardware
19 - integration: Linux memory management code must be in control of guest memory
20                so that swapping, page migration, page merging, transparent
21                hugepages, and similar features work without change
22 - dirty tracking: report writes to guest memory to enable live migration
23                and framebuffer-based displays
24 - footprint:   keep the amount of pinned kernel memory low (most memory
25                should be shrinkable)
26 - reliability:  avoid multipage or GFP_ATOMIC allocations
27
28 Acronyms
29 ========
30
31 pfn   host page frame number
32 hpa   host physical address
33 hva   host virtual address
34 gfn   guest frame number
35 gpa   guest physical address
36 gva   guest virtual address
37 ngpa  nested guest physical address
38 ngva  nested guest virtual address
39 pte   page table entry (used also to refer generically to paging structure
40       entries)
41 gpte  guest pte (referring to gfns)
42 spte  shadow pte (referring to pfns)
43 tdp   two dimensional paging (vendor neutral term for NPT and EPT)
44
45 Virtual and real hardware supported
46 ===================================
47
48 The mmu supports first-generation mmu hardware, which allows an atomic switch
49 of the current paging mode and cr3 during guest entry, as well as
50 two-dimensional paging (AMD's NPT and Intel's EPT).  The emulated hardware
51 it exposes is the traditional 2/3/4 level x86 mmu, with support for global
52 pages, pae, pse, pse36, cr0.wp, and 1GB pages.  Work is in progress to support
53 exposing NPT capable hardware on NPT capable hosts.
54
55 Translation
56 ===========
57
58 The primary job of the mmu is to program the processor's mmu to translate
59 addresses for the guest.  Different translations are required at different
60 times:
61
62 - when guest paging is disabled, we translate guest physical addresses to
63   host physical addresses (gpa->hpa)
64 - when guest paging is enabled, we translate guest virtual addresses, to
65   guest physical addresses, to host physical addresses (gva->gpa->hpa)
66 - when the guest launches a guest of its own, we translate nested guest
67   virtual addresses, to nested guest physical addresses, to guest physical
68   addresses, to host physical addresses (ngva->ngpa->gpa->hpa)
69
70 The primary challenge is to encode between 1 and 3 translations into hardware
71 that support only 1 (traditional) and 2 (tdp) translations.  When the
72 number of required translations matches the hardware, the mmu operates in
73 direct mode; otherwise it operates in shadow mode (see below).
74
75 Memory
76 ======
77
78 Guest memory (gpa) is part of the user address space of the process that is
79 using kvm.  Userspace defines the translation between guest addresses and user
80 addresses (gpa->hva); note that two gpas may alias to the same hva, but not
81 vice versa.
82
83 These hvas may be backed using any method available to the host: anonymous
84 memory, file backed memory, and device memory.  Memory might be paged by the
85 host at any time.
86
87 Events
88 ======
89
90 The mmu is driven by events, some from the guest, some from the host.
91
92 Guest generated events:
93 - writes to control registers (especially cr3)
94 - invlpg/invlpga instruction execution
95 - access to missing or protected translations
96
97 Host generated events:
98 - changes in the gpa->hpa translation (either through gpa->hva changes or
99   through hva->hpa changes)
100 - memory pressure (the shrinker)
101
102 Shadow pages
103 ============
104
105 The principal data structure is the shadow page, 'struct kvm_mmu_page'.  A
106 shadow page contains 512 sptes, which can be either leaf or nonleaf sptes.  A
107 shadow page may contain a mix of leaf and nonleaf sptes.
108
109 A nonleaf spte allows the hardware mmu to reach the leaf pages and
110 is not related to a translation directly.  It points to other shadow pages.
111
112 A leaf spte corresponds to either one or two translations encoded into
113 one paging structure entry.  These are always the lowest level of the
114 translation stack, with optional higher level translations left to NPT/EPT.
115 Leaf ptes point at guest pages.
116
117 The following table shows translations encoded by leaf ptes, with higher-level
118 translations in parentheses:
119
120  Non-nested guests:
121   nonpaging:     gpa->hpa
122   paging:        gva->gpa->hpa
123   paging, tdp:   (gva->)gpa->hpa
124  Nested guests:
125   non-tdp:       ngva->gpa->hpa  (*)
126   tdp:           (ngva->)ngpa->gpa->hpa
127
128 (*) the guest hypervisor will encode the ngva->gpa translation into its page
129     tables if npt is not present
130
131 Shadow pages contain the following information:
132   role.level:
133     The level in the shadow paging hierarchy that this shadow page belongs to.
134     1=4k sptes, 2=2M sptes, 3=1G sptes, etc.
135   role.direct:
136     If set, leaf sptes reachable from this page are for a linear range.
137     Examples include real mode translation, large guest pages backed by small
138     host pages, and gpa->hpa translations when NPT or EPT is active.
139     The linear range starts at (gfn << PAGE_SHIFT) and its size is determined
140     by role.level (2MB for first level, 1GB for second level, 0.5TB for third
141     level, 256TB for fourth level)
142     If clear, this page corresponds to a guest page table denoted by the gfn
143     field.
144   role.quadrant:
145     When role.cr4_pae=0, the guest uses 32-bit gptes while the host uses 64-bit
146     sptes.  That means a guest page table contains more ptes than the host,
147     so multiple shadow pages are needed to shadow one guest page.
148     For first-level shadow pages, role.quadrant can be 0 or 1 and denotes the
149     first or second 512-gpte block in the guest page table.  For second-level
150     page tables, each 32-bit gpte is converted to two 64-bit sptes
151     (since each first-level guest page is shadowed by two first-level
152     shadow pages) so role.quadrant takes values in the range 0..3.  Each
153     quadrant maps 1GB virtual address space.
154   role.access:
155     Inherited guest access permissions in the form uwx.  Note execute
156     permission is positive, not negative.
157   role.invalid:
158     The page is invalid and should not be used.  It is a root page that is
159     currently pinned (by a cpu hardware register pointing to it); once it is
160     unpinned it will be destroyed.
161   role.cr4_pae:
162     Contains the value of cr4.pae for which the page is valid (e.g. whether
163     32-bit or 64-bit gptes are in use).
164   role.nxe:
165     Contains the value of efer.nxe for which the page is valid.
166   role.cr0_wp:
167     Contains the value of cr0.wp for which the page is valid.
168   role.smep_andnot_wp:
169     Contains the value of cr4.smep && !cr0.wp for which the page is valid
170     (pages for which this is true are different from other pages; see the
171     treatment of cr0.wp=0 below).
172   role.smap_andnot_wp:
173     Contains the value of cr4.smap && !cr0.wp for which the page is valid
174     (pages for which this is true are different from other pages; see the
175     treatment of cr0.wp=0 below).
176   role.smm:
177     Is 1 if the page is valid in system management mode.  This field
178     determines which of the kvm_memslots array was used to build this
179     shadow page; it is also used to go back from a struct kvm_mmu_page
180     to a memslot, through the kvm_memslots_for_spte_role macro and
181     __gfn_to_memslot.
182   role.ad_disabled:
183     Is 1 if the MMU instance cannot use A/D bits.  EPT did not have A/D
184     bits before Haswell; shadow EPT page tables also cannot use A/D bits
185     if the L1 hypervisor does not enable them.
186   gfn:
187     Either the guest page table containing the translations shadowed by this
188     page, or the base page frame for linear translations.  See role.direct.
189   spt:
190     A pageful of 64-bit sptes containing the translations for this page.
191     Accessed by both kvm and hardware.
192     The page pointed to by spt will have its page->private pointing back
193     at the shadow page structure.
194     sptes in spt point either at guest pages, or at lower-level shadow pages.
195     Specifically, if sp1 and sp2 are shadow pages, then sp1->spt[n] may point
196     at __pa(sp2->spt).  sp2 will point back at sp1 through parent_pte.
197     The spt array forms a DAG structure with the shadow page as a node, and
198     guest pages as leaves.
199   gfns:
200     An array of 512 guest frame numbers, one for each present pte.  Used to
201     perform a reverse map from a pte to a gfn. When role.direct is set, any
202     element of this array can be calculated from the gfn field when used, in
203     this case, the array of gfns is not allocated. See role.direct and gfn.
204   root_count:
205     A counter keeping track of how many hardware registers (guest cr3 or
206     pdptrs) are now pointing at the page.  While this counter is nonzero, the
207     page cannot be destroyed.  See role.invalid.
208   parent_ptes:
209     The reverse mapping for the pte/ptes pointing at this page's spt. If
210     parent_ptes bit 0 is zero, only one spte points at this page and
211     parent_ptes points at this single spte, otherwise, there exists multiple
212     sptes pointing at this page and (parent_ptes & ~0x1) points at a data
213     structure with a list of parent sptes.
214   unsync:
215     If true, then the translations in this page may not match the guest's
216     translation.  This is equivalent to the state of the tlb when a pte is
217     changed but before the tlb entry is flushed.  Accordingly, unsync ptes
218     are synchronized when the guest executes invlpg or flushes its tlb by
219     other means.  Valid for leaf pages.
220   unsync_children:
221     How many sptes in the page point at pages that are unsync (or have
222     unsynchronized children).
223   unsync_child_bitmap:
224     A bitmap indicating which sptes in spt point (directly or indirectly) at
225     pages that may be unsynchronized.  Used to quickly locate all unsychronized
226     pages reachable from a given page.
227   mmu_valid_gen:
228     Generation number of the page.  It is compared with kvm->arch.mmu_valid_gen
229     during hash table lookup, and used to skip invalidated shadow pages (see
230     "Zapping all pages" below.)
231   clear_spte_count:
232     Only present on 32-bit hosts, where a 64-bit spte cannot be written
233     atomically.  The reader uses this while running out of the MMU lock
234     to detect in-progress updates and retry them until the writer has
235     finished the write.
236   write_flooding_count:
237     A guest may write to a page table many times, causing a lot of
238     emulations if the page needs to be write-protected (see "Synchronized
239     and unsynchronized pages" below).  Leaf pages can be unsynchronized
240     so that they do not trigger frequent emulation, but this is not
241     possible for non-leafs.  This field counts the number of emulations
242     since the last time the page table was actually used; if emulation
243     is triggered too frequently on this page, KVM will unmap the page
244     to avoid emulation in the future.
245
246 Reverse map
247 ===========
248
249 The mmu maintains a reverse mapping whereby all ptes mapping a page can be
250 reached given its gfn.  This is used, for example, when swapping out a page.
251
252 Synchronized and unsynchronized pages
253 =====================================
254
255 The guest uses two events to synchronize its tlb and page tables: tlb flushes
256 and page invalidations (invlpg).
257
258 A tlb flush means that we need to synchronize all sptes reachable from the
259 guest's cr3.  This is expensive, so we keep all guest page tables write
260 protected, and synchronize sptes to gptes when a gpte is written.
261
262 A special case is when a guest page table is reachable from the current
263 guest cr3.  In this case, the guest is obliged to issue an invlpg instruction
264 before using the translation.  We take advantage of that by removing write
265 protection from the guest page, and allowing the guest to modify it freely.
266 We synchronize modified gptes when the guest invokes invlpg.  This reduces
267 the amount of emulation we have to do when the guest modifies multiple gptes,
268 or when the a guest page is no longer used as a page table and is used for
269 random guest data.
270
271 As a side effect we have to resynchronize all reachable unsynchronized shadow
272 pages on a tlb flush.
273
274
275 Reaction to events
276 ==================
277
278 - guest page fault (or npt page fault, or ept violation)
279
280 This is the most complicated event.  The cause of a page fault can be:
281
282   - a true guest fault (the guest translation won't allow the access) (*)
283   - access to a missing translation
284   - access to a protected translation
285     - when logging dirty pages, memory is write protected
286     - synchronized shadow pages are write protected (*)
287   - access to untranslatable memory (mmio)
288
289   (*) not applicable in direct mode
290
291 Handling a page fault is performed as follows:
292
293  - if the RSV bit of the error code is set, the page fault is caused by guest
294    accessing MMIO and cached MMIO information is available.
295    - walk shadow page table
296    - check for valid generation number in the spte (see "Fast invalidation of
297      MMIO sptes" below)
298    - cache the information to vcpu->arch.mmio_gva, vcpu->arch.access and
299      vcpu->arch.mmio_gfn, and call the emulator
300  - If both P bit and R/W bit of error code are set, this could possibly
301    be handled as a "fast page fault" (fixed without taking the MMU lock).  See
302    the description in Documentation/virtual/kvm/locking.txt.
303  - if needed, walk the guest page tables to determine the guest translation
304    (gva->gpa or ngpa->gpa)
305    - if permissions are insufficient, reflect the fault back to the guest
306  - determine the host page
307    - if this is an mmio request, there is no host page; cache the info to
308      vcpu->arch.mmio_gva, vcpu->arch.access and vcpu->arch.mmio_gfn
309  - walk the shadow page table to find the spte for the translation,
310    instantiating missing intermediate page tables as necessary
311    - If this is an mmio request, cache the mmio info to the spte and set some
312      reserved bit on the spte (see callers of kvm_mmu_set_mmio_spte_mask)
313  - try to unsynchronize the page
314    - if successful, we can let the guest continue and modify the gpte
315  - emulate the instruction
316    - if failed, unshadow the page and let the guest continue
317  - update any translations that were modified by the instruction
318
319 invlpg handling:
320
321   - walk the shadow page hierarchy and drop affected translations
322   - try to reinstantiate the indicated translation in the hope that the
323     guest will use it in the near future
324
325 Guest control register updates:
326
327 - mov to cr3
328   - look up new shadow roots
329   - synchronize newly reachable shadow pages
330
331 - mov to cr0/cr4/efer
332   - set up mmu context for new paging mode
333   - look up new shadow roots
334   - synchronize newly reachable shadow pages
335
336 Host translation updates:
337
338   - mmu notifier called with updated hva
339   - look up affected sptes through reverse map
340   - drop (or update) translations
341
342 Emulating cr0.wp
343 ================
344
345 If tdp is not enabled, the host must keep cr0.wp=1 so page write protection
346 works for the guest kernel, not guest guest userspace.  When the guest
347 cr0.wp=1, this does not present a problem.  However when the guest cr0.wp=0,
348 we cannot map the permissions for gpte.u=1, gpte.w=0 to any spte (the
349 semantics require allowing any guest kernel access plus user read access).
350
351 We handle this by mapping the permissions to two possible sptes, depending
352 on fault type:
353
354 - kernel write fault: spte.u=0, spte.w=1 (allows full kernel access,
355   disallows user access)
356 - read fault: spte.u=1, spte.w=0 (allows full read access, disallows kernel
357   write access)
358
359 (user write faults generate a #PF)
360
361 In the first case there are two additional complications:
362 - if CR4.SMEP is enabled: since we've turned the page into a kernel page,
363   the kernel may now execute it.  We handle this by also setting spte.nx.
364   If we get a user fetch or read fault, we'll change spte.u=1 and
365   spte.nx=gpte.nx back.  For this to work, KVM forces EFER.NX to 1 when
366   shadow paging is in use.
367 - if CR4.SMAP is disabled: since the page has been changed to a kernel
368   page, it can not be reused when CR4.SMAP is enabled. We set
369   CR4.SMAP && !CR0.WP into shadow page's role to avoid this case. Note,
370   here we do not care the case that CR4.SMAP is enabled since KVM will
371   directly inject #PF to guest due to failed permission check.
372
373 To prevent an spte that was converted into a kernel page with cr0.wp=0
374 from being written by the kernel after cr0.wp has changed to 1, we make
375 the value of cr0.wp part of the page role.  This means that an spte created
376 with one value of cr0.wp cannot be used when cr0.wp has a different value -
377 it will simply be missed by the shadow page lookup code.  A similar issue
378 exists when an spte created with cr0.wp=0 and cr4.smep=0 is used after
379 changing cr4.smep to 1.  To avoid this, the value of !cr0.wp && cr4.smep
380 is also made a part of the page role.
381
382 Large pages
383 ===========
384
385 The mmu supports all combinations of large and small guest and host pages.
386 Supported page sizes include 4k, 2M, 4M, and 1G.  4M pages are treated as
387 two separate 2M pages, on both guest and host, since the mmu always uses PAE
388 paging.
389
390 To instantiate a large spte, four constraints must be satisfied:
391
392 - the spte must point to a large host page
393 - the guest pte must be a large pte of at least equivalent size (if tdp is
394   enabled, there is no guest pte and this condition is satisfied)
395 - if the spte will be writeable, the large page frame may not overlap any
396   write-protected pages
397 - the guest page must be wholly contained by a single memory slot
398
399 To check the last two conditions, the mmu maintains a ->disallow_lpage set of
400 arrays for each memory slot and large page size.  Every write protected page
401 causes its disallow_lpage to be incremented, thus preventing instantiation of
402 a large spte.  The frames at the end of an unaligned memory slot have
403 artificially inflated ->disallow_lpages so they can never be instantiated.
404
405 Zapping all pages (page generation count)
406 =========================================
407
408 For the large memory guests, walking and zapping all pages is really slow
409 (because there are a lot of pages), and also blocks memory accesses of
410 all VCPUs because it needs to hold the MMU lock.
411
412 To make it be more scalable, kvm maintains a global generation number
413 which is stored in kvm->arch.mmu_valid_gen.  Every shadow page stores
414 the current global generation-number into sp->mmu_valid_gen when it
415 is created.  Pages with a mismatching generation number are "obsolete".
416
417 When KVM need zap all shadow pages sptes, it just simply increases the global
418 generation-number then reload root shadow pages on all vcpus.  As the VCPUs
419 create new shadow page tables, the old pages are not used because of the
420 mismatching generation number.
421
422 KVM then walks through all pages and zaps obsolete pages.  While the zap
423 operation needs to take the MMU lock, the lock can be released periodically
424 so that the VCPUs can make progress.
425
426 Fast invalidation of MMIO sptes
427 ===============================
428
429 As mentioned in "Reaction to events" above, kvm will cache MMIO
430 information in leaf sptes.  When a new memslot is added or an existing
431 memslot is changed, this information may become stale and needs to be
432 invalidated.  This also needs to hold the MMU lock while walking all
433 shadow pages, and is made more scalable with a similar technique.
434
435 MMIO sptes have a few spare bits, which are used to store a
436 generation number.  The global generation number is stored in
437 kvm_memslots(kvm)->generation, and increased whenever guest memory info
438 changes.  This generation number is distinct from the one described in
439 the previous section.
440
441 When KVM finds an MMIO spte, it checks the generation number of the spte.
442 If the generation number of the spte does not equal the global generation
443 number, it will ignore the cached MMIO information and handle the page
444 fault through the slow path.
445
446 Since only 19 bits are used to store generation-number on mmio spte, all
447 pages are zapped when there is an overflow.
448
449 Unfortunately, a single memory access might access kvm_memslots(kvm) multiple
450 times, the last one happening when the generation number is retrieved and
451 stored into the MMIO spte.  Thus, the MMIO spte might be created based on
452 out-of-date information, but with an up-to-date generation number.
453
454 To avoid this, the generation number is incremented again after synchronize_srcu
455 returns; thus, the low bit of kvm_memslots(kvm)->generation is only 1 during a
456 memslot update, while some SRCU readers might be using the old copy.  We do not
457 want to use an MMIO sptes created with an odd generation number, and we can do
458 this without losing a bit in the MMIO spte.  The low bit of the generation
459 is not stored in MMIO spte, and presumed zero when it is extracted out of the
460 spte.  If KVM is unlucky and creates an MMIO spte while the low bit is 1,
461 the next access to the spte will always be a cache miss.
462
463
464 Further reading
465 ===============
466
467 - NPT presentation from KVM Forum 2008
468   http://www.linux-kvm.org/wiki/images/c/c8/KvmForum2008%24kdf2008_21.pdf
469