Merge tag 'f2fs-for-5.7-rc1' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/jaegeuk...
[sfrench/cifs-2.6.git] / arch / x86 / mm / pti.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
2 /*
3  * Copyright(c) 2017 Intel Corporation. All rights reserved.
4  *
5  * This code is based in part on work published here:
6  *
7  *      https://github.com/IAIK/KAISER
8  *
9  * The original work was written by and and signed off by for the Linux
10  * kernel by:
11  *
12  *   Signed-off-by: Richard Fellner <richard.fellner@student.tugraz.at>
13  *   Signed-off-by: Moritz Lipp <moritz.lipp@iaik.tugraz.at>
14  *   Signed-off-by: Daniel Gruss <daniel.gruss@iaik.tugraz.at>
15  *   Signed-off-by: Michael Schwarz <michael.schwarz@iaik.tugraz.at>
16  *
17  * Major changes to the original code by: Dave Hansen <dave.hansen@intel.com>
18  * Mostly rewritten by Thomas Gleixner <tglx@linutronix.de> and
19  *                     Andy Lutomirsky <luto@amacapital.net>
20  */
21 #include <linux/kernel.h>
22 #include <linux/errno.h>
23 #include <linux/string.h>
24 #include <linux/types.h>
25 #include <linux/bug.h>
26 #include <linux/init.h>
27 #include <linux/spinlock.h>
28 #include <linux/mm.h>
29 #include <linux/uaccess.h>
30 #include <linux/cpu.h>
31
32 #include <asm/cpufeature.h>
33 #include <asm/hypervisor.h>
34 #include <asm/vsyscall.h>
35 #include <asm/cmdline.h>
36 #include <asm/pti.h>
37 #include <asm/pgtable.h>
38 #include <asm/pgalloc.h>
39 #include <asm/tlbflush.h>
40 #include <asm/desc.h>
41 #include <asm/sections.h>
42 #include <asm/set_memory.h>
43
44 #undef pr_fmt
45 #define pr_fmt(fmt)     "Kernel/User page tables isolation: " fmt
46
47 /* Backporting helper */
48 #ifndef __GFP_NOTRACK
49 #define __GFP_NOTRACK   0
50 #endif
51
52 /*
53  * Define the page-table levels we clone for user-space on 32
54  * and 64 bit.
55  */
56 #ifdef CONFIG_X86_64
57 #define PTI_LEVEL_KERNEL_IMAGE  PTI_CLONE_PMD
58 #else
59 #define PTI_LEVEL_KERNEL_IMAGE  PTI_CLONE_PTE
60 #endif
61
62 static void __init pti_print_if_insecure(const char *reason)
63 {
64         if (boot_cpu_has_bug(X86_BUG_CPU_MELTDOWN))
65                 pr_info("%s\n", reason);
66 }
67
68 static void __init pti_print_if_secure(const char *reason)
69 {
70         if (!boot_cpu_has_bug(X86_BUG_CPU_MELTDOWN))
71                 pr_info("%s\n", reason);
72 }
73
74 static enum pti_mode {
75         PTI_AUTO = 0,
76         PTI_FORCE_OFF,
77         PTI_FORCE_ON
78 } pti_mode;
79
80 void __init pti_check_boottime_disable(void)
81 {
82         char arg[5];
83         int ret;
84
85         /* Assume mode is auto unless overridden. */
86         pti_mode = PTI_AUTO;
87
88         if (hypervisor_is_type(X86_HYPER_XEN_PV)) {
89                 pti_mode = PTI_FORCE_OFF;
90                 pti_print_if_insecure("disabled on XEN PV.");
91                 return;
92         }
93
94         ret = cmdline_find_option(boot_command_line, "pti", arg, sizeof(arg));
95         if (ret > 0)  {
96                 if (ret == 3 && !strncmp(arg, "off", 3)) {
97                         pti_mode = PTI_FORCE_OFF;
98                         pti_print_if_insecure("disabled on command line.");
99                         return;
100                 }
101                 if (ret == 2 && !strncmp(arg, "on", 2)) {
102                         pti_mode = PTI_FORCE_ON;
103                         pti_print_if_secure("force enabled on command line.");
104                         goto enable;
105                 }
106                 if (ret == 4 && !strncmp(arg, "auto", 4)) {
107                         pti_mode = PTI_AUTO;
108                         goto autosel;
109                 }
110         }
111
112         if (cmdline_find_option_bool(boot_command_line, "nopti") ||
113             cpu_mitigations_off()) {
114                 pti_mode = PTI_FORCE_OFF;
115                 pti_print_if_insecure("disabled on command line.");
116                 return;
117         }
118
119 autosel:
120         if (!boot_cpu_has_bug(X86_BUG_CPU_MELTDOWN))
121                 return;
122 enable:
123         setup_force_cpu_cap(X86_FEATURE_PTI);
124 }
125
126 pgd_t __pti_set_user_pgtbl(pgd_t *pgdp, pgd_t pgd)
127 {
128         /*
129          * Changes to the high (kernel) portion of the kernelmode page
130          * tables are not automatically propagated to the usermode tables.
131          *
132          * Users should keep in mind that, unlike the kernelmode tables,
133          * there is no vmalloc_fault equivalent for the usermode tables.
134          * Top-level entries added to init_mm's usermode pgd after boot
135          * will not be automatically propagated to other mms.
136          */
137         if (!pgdp_maps_userspace(pgdp))
138                 return pgd;
139
140         /*
141          * The user page tables get the full PGD, accessible from
142          * userspace:
143          */
144         kernel_to_user_pgdp(pgdp)->pgd = pgd.pgd;
145
146         /*
147          * If this is normal user memory, make it NX in the kernel
148          * pagetables so that, if we somehow screw up and return to
149          * usermode with the kernel CR3 loaded, we'll get a page fault
150          * instead of allowing user code to execute with the wrong CR3.
151          *
152          * As exceptions, we don't set NX if:
153          *  - _PAGE_USER is not set.  This could be an executable
154          *     EFI runtime mapping or something similar, and the kernel
155          *     may execute from it
156          *  - we don't have NX support
157          *  - we're clearing the PGD (i.e. the new pgd is not present).
158          */
159         if ((pgd.pgd & (_PAGE_USER|_PAGE_PRESENT)) == (_PAGE_USER|_PAGE_PRESENT) &&
160             (__supported_pte_mask & _PAGE_NX))
161                 pgd.pgd |= _PAGE_NX;
162
163         /* return the copy of the PGD we want the kernel to use: */
164         return pgd;
165 }
166
167 /*
168  * Walk the user copy of the page tables (optionally) trying to allocate
169  * page table pages on the way down.
170  *
171  * Returns a pointer to a P4D on success, or NULL on failure.
172  */
173 static p4d_t *pti_user_pagetable_walk_p4d(unsigned long address)
174 {
175         pgd_t *pgd = kernel_to_user_pgdp(pgd_offset_k(address));
176         gfp_t gfp = (GFP_KERNEL | __GFP_NOTRACK | __GFP_ZERO);
177
178         if (address < PAGE_OFFSET) {
179                 WARN_ONCE(1, "attempt to walk user address\n");
180                 return NULL;
181         }
182
183         if (pgd_none(*pgd)) {
184                 unsigned long new_p4d_page = __get_free_page(gfp);
185                 if (WARN_ON_ONCE(!new_p4d_page))
186                         return NULL;
187
188                 set_pgd(pgd, __pgd(_KERNPG_TABLE | __pa(new_p4d_page)));
189         }
190         BUILD_BUG_ON(pgd_large(*pgd) != 0);
191
192         return p4d_offset(pgd, address);
193 }
194
195 /*
196  * Walk the user copy of the page tables (optionally) trying to allocate
197  * page table pages on the way down.
198  *
199  * Returns a pointer to a PMD on success, or NULL on failure.
200  */
201 static pmd_t *pti_user_pagetable_walk_pmd(unsigned long address)
202 {
203         gfp_t gfp = (GFP_KERNEL | __GFP_NOTRACK | __GFP_ZERO);
204         p4d_t *p4d;
205         pud_t *pud;
206
207         p4d = pti_user_pagetable_walk_p4d(address);
208         if (!p4d)
209                 return NULL;
210
211         BUILD_BUG_ON(p4d_large(*p4d) != 0);
212         if (p4d_none(*p4d)) {
213                 unsigned long new_pud_page = __get_free_page(gfp);
214                 if (WARN_ON_ONCE(!new_pud_page))
215                         return NULL;
216
217                 set_p4d(p4d, __p4d(_KERNPG_TABLE | __pa(new_pud_page)));
218         }
219
220         pud = pud_offset(p4d, address);
221         /* The user page tables do not use large mappings: */
222         if (pud_large(*pud)) {
223                 WARN_ON(1);
224                 return NULL;
225         }
226         if (pud_none(*pud)) {
227                 unsigned long new_pmd_page = __get_free_page(gfp);
228                 if (WARN_ON_ONCE(!new_pmd_page))
229                         return NULL;
230
231                 set_pud(pud, __pud(_KERNPG_TABLE | __pa(new_pmd_page)));
232         }
233
234         return pmd_offset(pud, address);
235 }
236
237 /*
238  * Walk the shadow copy of the page tables (optionally) trying to allocate
239  * page table pages on the way down.  Does not support large pages.
240  *
241  * Note: this is only used when mapping *new* kernel data into the
242  * user/shadow page tables.  It is never used for userspace data.
243  *
244  * Returns a pointer to a PTE on success, or NULL on failure.
245  */
246 static pte_t *pti_user_pagetable_walk_pte(unsigned long address)
247 {
248         gfp_t gfp = (GFP_KERNEL | __GFP_NOTRACK | __GFP_ZERO);
249         pmd_t *pmd;
250         pte_t *pte;
251
252         pmd = pti_user_pagetable_walk_pmd(address);
253         if (!pmd)
254                 return NULL;
255
256         /* We can't do anything sensible if we hit a large mapping. */
257         if (pmd_large(*pmd)) {
258                 WARN_ON(1);
259                 return NULL;
260         }
261
262         if (pmd_none(*pmd)) {
263                 unsigned long new_pte_page = __get_free_page(gfp);
264                 if (!new_pte_page)
265                         return NULL;
266
267                 set_pmd(pmd, __pmd(_KERNPG_TABLE | __pa(new_pte_page)));
268         }
269
270         pte = pte_offset_kernel(pmd, address);
271         if (pte_flags(*pte) & _PAGE_USER) {
272                 WARN_ONCE(1, "attempt to walk to user pte\n");
273                 return NULL;
274         }
275         return pte;
276 }
277
278 #ifdef CONFIG_X86_VSYSCALL_EMULATION
279 static void __init pti_setup_vsyscall(void)
280 {
281         pte_t *pte, *target_pte;
282         unsigned int level;
283
284         pte = lookup_address(VSYSCALL_ADDR, &level);
285         if (!pte || WARN_ON(level != PG_LEVEL_4K) || pte_none(*pte))
286                 return;
287
288         target_pte = pti_user_pagetable_walk_pte(VSYSCALL_ADDR);
289         if (WARN_ON(!target_pte))
290                 return;
291
292         *target_pte = *pte;
293         set_vsyscall_pgtable_user_bits(kernel_to_user_pgdp(swapper_pg_dir));
294 }
295 #else
296 static void __init pti_setup_vsyscall(void) { }
297 #endif
298
299 enum pti_clone_level {
300         PTI_CLONE_PMD,
301         PTI_CLONE_PTE,
302 };
303
304 static void
305 pti_clone_pgtable(unsigned long start, unsigned long end,
306                   enum pti_clone_level level)
307 {
308         unsigned long addr;
309
310         /*
311          * Clone the populated PMDs which cover start to end. These PMD areas
312          * can have holes.
313          */
314         for (addr = start; addr < end;) {
315                 pte_t *pte, *target_pte;
316                 pmd_t *pmd, *target_pmd;
317                 pgd_t *pgd;
318                 p4d_t *p4d;
319                 pud_t *pud;
320
321                 /* Overflow check */
322                 if (addr < start)
323                         break;
324
325                 pgd = pgd_offset_k(addr);
326                 if (WARN_ON(pgd_none(*pgd)))
327                         return;
328                 p4d = p4d_offset(pgd, addr);
329                 if (WARN_ON(p4d_none(*p4d)))
330                         return;
331
332                 pud = pud_offset(p4d, addr);
333                 if (pud_none(*pud)) {
334                         WARN_ON_ONCE(addr & ~PUD_MASK);
335                         addr = round_up(addr + 1, PUD_SIZE);
336                         continue;
337                 }
338
339                 pmd = pmd_offset(pud, addr);
340                 if (pmd_none(*pmd)) {
341                         WARN_ON_ONCE(addr & ~PMD_MASK);
342                         addr = round_up(addr + 1, PMD_SIZE);
343                         continue;
344                 }
345
346                 if (pmd_large(*pmd) || level == PTI_CLONE_PMD) {
347                         target_pmd = pti_user_pagetable_walk_pmd(addr);
348                         if (WARN_ON(!target_pmd))
349                                 return;
350
351                         /*
352                          * Only clone present PMDs.  This ensures only setting
353                          * _PAGE_GLOBAL on present PMDs.  This should only be
354                          * called on well-known addresses anyway, so a non-
355                          * present PMD would be a surprise.
356                          */
357                         if (WARN_ON(!(pmd_flags(*pmd) & _PAGE_PRESENT)))
358                                 return;
359
360                         /*
361                          * Setting 'target_pmd' below creates a mapping in both
362                          * the user and kernel page tables.  It is effectively
363                          * global, so set it as global in both copies.  Note:
364                          * the X86_FEATURE_PGE check is not _required_ because
365                          * the CPU ignores _PAGE_GLOBAL when PGE is not
366                          * supported.  The check keeps consistentency with
367                          * code that only set this bit when supported.
368                          */
369                         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE))
370                                 *pmd = pmd_set_flags(*pmd, _PAGE_GLOBAL);
371
372                         /*
373                          * Copy the PMD.  That is, the kernelmode and usermode
374                          * tables will share the last-level page tables of this
375                          * address range
376                          */
377                         *target_pmd = *pmd;
378
379                         addr += PMD_SIZE;
380
381                 } else if (level == PTI_CLONE_PTE) {
382
383                         /* Walk the page-table down to the pte level */
384                         pte = pte_offset_kernel(pmd, addr);
385                         if (pte_none(*pte)) {
386                                 addr += PAGE_SIZE;
387                                 continue;
388                         }
389
390                         /* Only clone present PTEs */
391                         if (WARN_ON(!(pte_flags(*pte) & _PAGE_PRESENT)))
392                                 return;
393
394                         /* Allocate PTE in the user page-table */
395                         target_pte = pti_user_pagetable_walk_pte(addr);
396                         if (WARN_ON(!target_pte))
397                                 return;
398
399                         /* Set GLOBAL bit in both PTEs */
400                         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE))
401                                 *pte = pte_set_flags(*pte, _PAGE_GLOBAL);
402
403                         /* Clone the PTE */
404                         *target_pte = *pte;
405
406                         addr += PAGE_SIZE;
407
408                 } else {
409                         BUG();
410                 }
411         }
412 }
413
414 #ifdef CONFIG_X86_64
415 /*
416  * Clone a single p4d (i.e. a top-level entry on 4-level systems and a
417  * next-level entry on 5-level systems.
418  */
419 static void __init pti_clone_p4d(unsigned long addr)
420 {
421         p4d_t *kernel_p4d, *user_p4d;
422         pgd_t *kernel_pgd;
423
424         user_p4d = pti_user_pagetable_walk_p4d(addr);
425         if (!user_p4d)
426                 return;
427
428         kernel_pgd = pgd_offset_k(addr);
429         kernel_p4d = p4d_offset(kernel_pgd, addr);
430         *user_p4d = *kernel_p4d;
431 }
432
433 /*
434  * Clone the CPU_ENTRY_AREA and associated data into the user space visible
435  * page table.
436  */
437 static void __init pti_clone_user_shared(void)
438 {
439         unsigned int cpu;
440
441         pti_clone_p4d(CPU_ENTRY_AREA_BASE);
442
443         for_each_possible_cpu(cpu) {
444                 /*
445                  * The SYSCALL64 entry code needs to be able to find the
446                  * thread stack and needs one word of scratch space in which
447                  * to spill a register.  All of this lives in the TSS, in
448                  * the sp1 and sp2 slots.
449                  *
450                  * This is done for all possible CPUs during boot to ensure
451                  * that it's propagated to all mms.  If we were to add one of
452                  * these mappings during CPU hotplug, we would need to take
453                  * some measure to make sure that every mm that subsequently
454                  * ran on that CPU would have the relevant PGD entry in its
455                  * pagetables.  The usual vmalloc_fault() mechanism would not
456                  * work for page faults taken in entry_SYSCALL_64 before RSP
457                  * is set up.
458                  */
459
460                 unsigned long va = (unsigned long)&per_cpu(cpu_tss_rw, cpu);
461                 phys_addr_t pa = per_cpu_ptr_to_phys((void *)va);
462                 pte_t *target_pte;
463
464                 target_pte = pti_user_pagetable_walk_pte(va);
465                 if (WARN_ON(!target_pte))
466                         return;
467
468                 *target_pte = pfn_pte(pa >> PAGE_SHIFT, PAGE_KERNEL);
469         }
470 }
471
472 #else /* CONFIG_X86_64 */
473
474 /*
475  * On 32 bit PAE systems with 1GB of Kernel address space there is only
476  * one pgd/p4d for the whole kernel. Cloning that would map the whole
477  * address space into the user page-tables, making PTI useless. So clone
478  * the page-table on the PMD level to prevent that.
479  */
480 static void __init pti_clone_user_shared(void)
481 {
482         unsigned long start, end;
483
484         start = CPU_ENTRY_AREA_BASE;
485         end   = start + (PAGE_SIZE * CPU_ENTRY_AREA_PAGES);
486
487         pti_clone_pgtable(start, end, PTI_CLONE_PMD);
488 }
489 #endif /* CONFIG_X86_64 */
490
491 /*
492  * Clone the ESPFIX P4D into the user space visible page table
493  */
494 static void __init pti_setup_espfix64(void)
495 {
496 #ifdef CONFIG_X86_ESPFIX64
497         pti_clone_p4d(ESPFIX_BASE_ADDR);
498 #endif
499 }
500
501 /*
502  * Clone the populated PMDs of the entry and irqentry text and force it RO.
503  */
504 static void pti_clone_entry_text(void)
505 {
506         pti_clone_pgtable((unsigned long) __entry_text_start,
507                           (unsigned long) __irqentry_text_end,
508                           PTI_CLONE_PMD);
509 }
510
511 /*
512  * Global pages and PCIDs are both ways to make kernel TLB entries
513  * live longer, reduce TLB misses and improve kernel performance.
514  * But, leaving all kernel text Global makes it potentially accessible
515  * to Meltdown-style attacks which make it trivial to find gadgets or
516  * defeat KASLR.
517  *
518  * Only use global pages when it is really worth it.
519  */
520 static inline bool pti_kernel_image_global_ok(void)
521 {
522         /*
523          * Systems with PCIDs get litlle benefit from global
524          * kernel text and are not worth the downsides.
525          */
526         if (cpu_feature_enabled(X86_FEATURE_PCID))
527                 return false;
528
529         /*
530          * Only do global kernel image for pti=auto.  Do the most
531          * secure thing (not global) if pti=on specified.
532          */
533         if (pti_mode != PTI_AUTO)
534                 return false;
535
536         /*
537          * K8 may not tolerate the cleared _PAGE_RW on the userspace
538          * global kernel image pages.  Do the safe thing (disable
539          * global kernel image).  This is unlikely to ever be
540          * noticed because PTI is disabled by default on AMD CPUs.
541          */
542         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_K8))
543                 return false;
544
545         /*
546          * RANDSTRUCT derives its hardening benefits from the
547          * attacker's lack of knowledge about the layout of kernel
548          * data structures.  Keep the kernel image non-global in
549          * cases where RANDSTRUCT is in use to help keep the layout a
550          * secret.
551          */
552         if (IS_ENABLED(CONFIG_GCC_PLUGIN_RANDSTRUCT))
553                 return false;
554
555         return true;
556 }
557
558 /*
559  * For some configurations, map all of kernel text into the user page
560  * tables.  This reduces TLB misses, especially on non-PCID systems.
561  */
562 static void pti_clone_kernel_text(void)
563 {
564         /*
565          * rodata is part of the kernel image and is normally
566          * readable on the filesystem or on the web.  But, do not
567          * clone the areas past rodata, they might contain secrets.
568          */
569         unsigned long start = PFN_ALIGN(_text);
570         unsigned long end_clone  = (unsigned long)__end_rodata_aligned;
571         unsigned long end_global = PFN_ALIGN((unsigned long)_etext);
572
573         if (!pti_kernel_image_global_ok())
574                 return;
575
576         pr_debug("mapping partial kernel image into user address space\n");
577
578         /*
579          * Note that this will undo _some_ of the work that
580          * pti_set_kernel_image_nonglobal() did to clear the
581          * global bit.
582          */
583         pti_clone_pgtable(start, end_clone, PTI_LEVEL_KERNEL_IMAGE);
584
585         /*
586          * pti_clone_pgtable() will set the global bit in any PMDs
587          * that it clones, but we also need to get any PTEs in
588          * the last level for areas that are not huge-page-aligned.
589          */
590
591         /* Set the global bit for normal non-__init kernel text: */
592         set_memory_global(start, (end_global - start) >> PAGE_SHIFT);
593 }
594
595 static void pti_set_kernel_image_nonglobal(void)
596 {
597         /*
598          * The identity map is created with PMDs, regardless of the
599          * actual length of the kernel.  We need to clear
600          * _PAGE_GLOBAL up to a PMD boundary, not just to the end
601          * of the image.
602          */
603         unsigned long start = PFN_ALIGN(_text);
604         unsigned long end = ALIGN((unsigned long)_end, PMD_PAGE_SIZE);
605
606         /*
607          * This clears _PAGE_GLOBAL from the entire kernel image.
608          * pti_clone_kernel_text() map put _PAGE_GLOBAL back for
609          * areas that are mapped to userspace.
610          */
611         set_memory_nonglobal(start, (end - start) >> PAGE_SHIFT);
612 }
613
614 /*
615  * Initialize kernel page table isolation
616  */
617 void __init pti_init(void)
618 {
619         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
620                 return;
621
622         pr_info("enabled\n");
623
624 #ifdef CONFIG_X86_32
625         /*
626          * We check for X86_FEATURE_PCID here. But the init-code will
627          * clear the feature flag on 32 bit because the feature is not
628          * supported on 32 bit anyway. To print the warning we need to
629          * check with cpuid directly again.
630          */
631         if (cpuid_ecx(0x1) & BIT(17)) {
632                 /* Use printk to work around pr_fmt() */
633                 printk(KERN_WARNING "\n");
634                 printk(KERN_WARNING "************************************************************\n");
635                 printk(KERN_WARNING "** WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING!  **\n");
636                 printk(KERN_WARNING "**                                                        **\n");
637                 printk(KERN_WARNING "** You are using 32-bit PTI on a 64-bit PCID-capable CPU. **\n");
638                 printk(KERN_WARNING "** Your performance will increase dramatically if you     **\n");
639                 printk(KERN_WARNING "** switch to a 64-bit kernel!                             **\n");
640                 printk(KERN_WARNING "**                                                        **\n");
641                 printk(KERN_WARNING "** WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING!  **\n");
642                 printk(KERN_WARNING "************************************************************\n");
643         }
644 #endif
645
646         pti_clone_user_shared();
647
648         /* Undo all global bits from the init pagetables in head_64.S: */
649         pti_set_kernel_image_nonglobal();
650         /* Replace some of the global bits just for shared entry text: */
651         pti_clone_entry_text();
652         pti_setup_espfix64();
653         pti_setup_vsyscall();
654 }
655
656 /*
657  * Finalize the kernel mappings in the userspace page-table. Some of the
658  * mappings for the kernel image might have changed since pti_init()
659  * cloned them. This is because parts of the kernel image have been
660  * mapped RO and/or NX.  These changes need to be cloned again to the
661  * userspace page-table.
662  */
663 void pti_finalize(void)
664 {
665         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
666                 return;
667         /*
668          * We need to clone everything (again) that maps parts of the
669          * kernel image.
670          */
671         pti_clone_entry_text();
672         pti_clone_kernel_text();
673
674         debug_checkwx_user();
675 }