61a6535fe438bef862c6df2d72f3fc17a4b5c60b
[sfrench/cifs-2.6.git] / include / linux / hmm.h
1 /*
2  * Copyright 2013 Red Hat Inc.
3  *
4  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
5  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
6  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
7  * (at your option) any later version.
8  *
9  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
10  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
11  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
12  * GNU General Public License for more details.
13  *
14  * Authors: Jérôme Glisse <jglisse@redhat.com>
15  */
16 /*
17  * Heterogeneous Memory Management (HMM)
18  *
19  * See Documentation/vm/hmm.txt for reasons and overview of what HMM is and it
20  * is for. Here we focus on the HMM API description, with some explanation of
21  * the underlying implementation.
22  *
23  * Short description: HMM provides a set of helpers to share a virtual address
24  * space between CPU and a device, so that the device can access any valid
25  * address of the process (while still obeying memory protection). HMM also
26  * provides helpers to migrate process memory to device memory, and back. Each
27  * set of functionality (address space mirroring, and migration to and from
28  * device memory) can be used independently of the other.
29  *
30  *
31  * HMM address space mirroring API:
32  *
33  * Use HMM address space mirroring if you want to mirror range of the CPU page
34  * table of a process into a device page table. Here, "mirror" means "keep
35  * synchronized". Prerequisites: the device must provide the ability to write-
36  * protect its page tables (at PAGE_SIZE granularity), and must be able to
37  * recover from the resulting potential page faults.
38  *
39  * HMM guarantees that at any point in time, a given virtual address points to
40  * either the same memory in both CPU and device page tables (that is: CPU and
41  * device page tables each point to the same pages), or that one page table (CPU
42  * or device) points to no entry, while the other still points to the old page
43  * for the address. The latter case happens when the CPU page table update
44  * happens first, and then the update is mirrored over to the device page table.
45  * This does not cause any issue, because the CPU page table cannot start
46  * pointing to a new page until the device page table is invalidated.
47  *
48  * HMM uses mmu_notifiers to monitor the CPU page tables, and forwards any
49  * updates to each device driver that has registered a mirror. It also provides
50  * some API calls to help with taking a snapshot of the CPU page table, and to
51  * synchronize with any updates that might happen concurrently.
52  *
53  *
54  * HMM migration to and from device memory:
55  *
56  * HMM provides a set of helpers to hotplug device memory as ZONE_DEVICE, with
57  * a new MEMORY_DEVICE_PRIVATE type. This provides a struct page for each page
58  * of the device memory, and allows the device driver to manage its memory
59  * using those struct pages. Having struct pages for device memory makes
60  * migration easier. Because that memory is not addressable by the CPU it must
61  * never be pinned to the device; in other words, any CPU page fault can always
62  * cause the device memory to be migrated (copied/moved) back to regular memory.
63  *
64  * A new migrate helper (migrate_vma()) has been added (see mm/migrate.c) that
65  * allows use of a device DMA engine to perform the copy operation between
66  * regular system memory and device memory.
67  */
68 #ifndef LINUX_HMM_H
69 #define LINUX_HMM_H
70
71 #include <linux/kconfig.h>
72
73 #if IS_ENABLED(CONFIG_HMM)
74
75 struct hmm;
76
77 /*
78  * hmm_pfn_t - HMM uses its own pfn type to keep several flags per page
79  *
80  * Flags:
81  * HMM_PFN_VALID: pfn is valid
82  * HMM_PFN_READ:  CPU page table has read permission set
83  * HMM_PFN_WRITE: CPU page table has write permission set
84  * HMM_PFN_ERROR: corresponding CPU page table entry points to poisoned memory
85  * HMM_PFN_EMPTY: corresponding CPU page table entry is pte_none()
86  * HMM_PFN_SPECIAL: corresponding CPU page table entry is special; i.e., the
87  *      result of vm_insert_pfn() or vm_insert_page(). Therefore, it should not
88  *      be mirrored by a device, because the entry will never have HMM_PFN_VALID
89  *      set and the pfn value is undefined.
90  * HMM_PFN_DEVICE_UNADDRESSABLE: unaddressable device memory (ZONE_DEVICE)
91  */
92 typedef unsigned long hmm_pfn_t;
93
94 #define HMM_PFN_VALID (1 << 0)
95 #define HMM_PFN_READ (1 << 1)
96 #define HMM_PFN_WRITE (1 << 2)
97 #define HMM_PFN_ERROR (1 << 3)
98 #define HMM_PFN_EMPTY (1 << 4)
99 #define HMM_PFN_SPECIAL (1 << 5)
100 #define HMM_PFN_DEVICE_UNADDRESSABLE (1 << 6)
101 #define HMM_PFN_SHIFT 7
102
103 /*
104  * hmm_pfn_t_to_page() - return struct page pointed to by a valid hmm_pfn_t
105  * @pfn: hmm_pfn_t to convert to struct page
106  * Returns: struct page pointer if pfn is a valid hmm_pfn_t, NULL otherwise
107  *
108  * If the hmm_pfn_t is valid (ie valid flag set) then return the struct page
109  * matching the pfn value stored in the hmm_pfn_t. Otherwise return NULL.
110  */
111 static inline struct page *hmm_pfn_t_to_page(hmm_pfn_t pfn)
112 {
113         if (!(pfn & HMM_PFN_VALID))
114                 return NULL;
115         return pfn_to_page(pfn >> HMM_PFN_SHIFT);
116 }
117
118 /*
119  * hmm_pfn_t_to_pfn() - return pfn value store in a hmm_pfn_t
120  * @pfn: hmm_pfn_t to extract pfn from
121  * Returns: pfn value if hmm_pfn_t is valid, -1UL otherwise
122  */
123 static inline unsigned long hmm_pfn_t_to_pfn(hmm_pfn_t pfn)
124 {
125         if (!(pfn & HMM_PFN_VALID))
126                 return -1UL;
127         return (pfn >> HMM_PFN_SHIFT);
128 }
129
130 /*
131  * hmm_pfn_t_from_page() - create a valid hmm_pfn_t value from struct page
132  * @page: struct page pointer for which to create the hmm_pfn_t
133  * Returns: valid hmm_pfn_t for the page
134  */
135 static inline hmm_pfn_t hmm_pfn_t_from_page(struct page *page)
136 {
137         return (page_to_pfn(page) << HMM_PFN_SHIFT) | HMM_PFN_VALID;
138 }
139
140 /*
141  * hmm_pfn_t_from_pfn() - create a valid hmm_pfn_t value from pfn
142  * @pfn: pfn value for which to create the hmm_pfn_t
143  * Returns: valid hmm_pfn_t for the pfn
144  */
145 static inline hmm_pfn_t hmm_pfn_t_from_pfn(unsigned long pfn)
146 {
147         return (pfn << HMM_PFN_SHIFT) | HMM_PFN_VALID;
148 }
149
150
151 #if IS_ENABLED(CONFIG_HMM_MIRROR)
152 /*
153  * Mirroring: how to synchronize device page table with CPU page table.
154  *
155  * A device driver that is participating in HMM mirroring must always
156  * synchronize with CPU page table updates. For this, device drivers can either
157  * directly use mmu_notifier APIs or they can use the hmm_mirror API. Device
158  * drivers can decide to register one mirror per device per process, or just
159  * one mirror per process for a group of devices. The pattern is:
160  *
161  *      int device_bind_address_space(..., struct mm_struct *mm, ...)
162  *      {
163  *          struct device_address_space *das;
164  *
165  *          // Device driver specific initialization, and allocation of das
166  *          // which contains an hmm_mirror struct as one of its fields.
167  *          ...
168  *
169  *          ret = hmm_mirror_register(&das->mirror, mm, &device_mirror_ops);
170  *          if (ret) {
171  *              // Cleanup on error
172  *              return ret;
173  *          }
174  *
175  *          // Other device driver specific initialization
176  *          ...
177  *      }
178  *
179  * Once an hmm_mirror is registered for an address space, the device driver
180  * will get callbacks through sync_cpu_device_pagetables() operation (see
181  * hmm_mirror_ops struct).
182  *
183  * Device driver must not free the struct containing the hmm_mirror struct
184  * before calling hmm_mirror_unregister(). The expected usage is to do that when
185  * the device driver is unbinding from an address space.
186  *
187  *
188  *      void device_unbind_address_space(struct device_address_space *das)
189  *      {
190  *          // Device driver specific cleanup
191  *          ...
192  *
193  *          hmm_mirror_unregister(&das->mirror);
194  *
195  *          // Other device driver specific cleanup, and now das can be freed
196  *          ...
197  *      }
198  */
199
200 struct hmm_mirror;
201
202 /*
203  * enum hmm_update_type - type of update
204  * @HMM_UPDATE_INVALIDATE: invalidate range (no indication as to why)
205  */
206 enum hmm_update_type {
207         HMM_UPDATE_INVALIDATE,
208 };
209
210 /*
211  * struct hmm_mirror_ops - HMM mirror device operations callback
212  *
213  * @update: callback to update range on a device
214  */
215 struct hmm_mirror_ops {
216         /* sync_cpu_device_pagetables() - synchronize page tables
217          *
218          * @mirror: pointer to struct hmm_mirror
219          * @update_type: type of update that occurred to the CPU page table
220          * @start: virtual start address of the range to update
221          * @end: virtual end address of the range to update
222          *
223          * This callback ultimately originates from mmu_notifiers when the CPU
224          * page table is updated. The device driver must update its page table
225          * in response to this callback. The update argument tells what action
226          * to perform.
227          *
228          * The device driver must not return from this callback until the device
229          * page tables are completely updated (TLBs flushed, etc); this is a
230          * synchronous call.
231          */
232         void (*sync_cpu_device_pagetables)(struct hmm_mirror *mirror,
233                                            enum hmm_update_type update_type,
234                                            unsigned long start,
235                                            unsigned long end);
236 };
237
238 /*
239  * struct hmm_mirror - mirror struct for a device driver
240  *
241  * @hmm: pointer to struct hmm (which is unique per mm_struct)
242  * @ops: device driver callback for HMM mirror operations
243  * @list: for list of mirrors of a given mm
244  *
245  * Each address space (mm_struct) being mirrored by a device must register one
246  * instance of an hmm_mirror struct with HMM. HMM will track the list of all
247  * mirrors for each mm_struct.
248  */
249 struct hmm_mirror {
250         struct hmm                      *hmm;
251         const struct hmm_mirror_ops     *ops;
252         struct list_head                list;
253 };
254
255 int hmm_mirror_register(struct hmm_mirror *mirror, struct mm_struct *mm);
256 void hmm_mirror_unregister(struct hmm_mirror *mirror);
257
258
259 /*
260  * struct hmm_range - track invalidation lock on virtual address range
261  *
262  * @list: all range lock are on a list
263  * @start: range virtual start address (inclusive)
264  * @end: range virtual end address (exclusive)
265  * @pfns: array of pfns (big enough for the range)
266  * @valid: pfns array did not change since it has been fill by an HMM function
267  */
268 struct hmm_range {
269         struct list_head        list;
270         unsigned long           start;
271         unsigned long           end;
272         hmm_pfn_t               *pfns;
273         bool                    valid;
274 };
275
276 /*
277  * To snapshot the CPU page table, call hmm_vma_get_pfns(), then take a device
278  * driver lock that serializes device page table updates, then call
279  * hmm_vma_range_done(), to check if the snapshot is still valid. The same
280  * device driver page table update lock must also be used in the
281  * hmm_mirror_ops.sync_cpu_device_pagetables() callback, so that CPU page
282  * table invalidation serializes on it.
283  *
284  * YOU MUST CALL hmm_vma_range_done() ONCE AND ONLY ONCE EACH TIME YOU CALL
285  * hmm_vma_get_pfns() WITHOUT ERROR !
286  *
287  * IF YOU DO NOT FOLLOW THE ABOVE RULE THE SNAPSHOT CONTENT MIGHT BE INVALID !
288  */
289 int hmm_vma_get_pfns(struct vm_area_struct *vma,
290                      struct hmm_range *range,
291                      unsigned long start,
292                      unsigned long end,
293                      hmm_pfn_t *pfns);
294 bool hmm_vma_range_done(struct vm_area_struct *vma, struct hmm_range *range);
295
296
297 /*
298  * Fault memory on behalf of device driver. Unlike handle_mm_fault(), this will
299  * not migrate any device memory back to system memory. The hmm_pfn_t array will
300  * be updated with the fault result and current snapshot of the CPU page table
301  * for the range.
302  *
303  * The mmap_sem must be taken in read mode before entering and it might be
304  * dropped by the function if the block argument is false. In that case, the
305  * function returns -EAGAIN.
306  *
307  * Return value does not reflect if the fault was successful for every single
308  * address or not. Therefore, the caller must to inspect the hmm_pfn_t array to
309  * determine fault status for each address.
310  *
311  * Trying to fault inside an invalid vma will result in -EINVAL.
312  *
313  * See the function description in mm/hmm.c for further documentation.
314  */
315 int hmm_vma_fault(struct vm_area_struct *vma,
316                   struct hmm_range *range,
317                   unsigned long start,
318                   unsigned long end,
319                   hmm_pfn_t *pfns,
320                   bool write,
321                   bool block);
322 #endif /* IS_ENABLED(CONFIG_HMM_MIRROR) */
323
324
325 /* Below are for HMM internal use only! Not to be used by device driver! */
326 void hmm_mm_destroy(struct mm_struct *mm);
327
328 static inline void hmm_mm_init(struct mm_struct *mm)
329 {
330         mm->hmm = NULL;
331 }
332
333 #else /* IS_ENABLED(CONFIG_HMM) */
334
335 /* Below are for HMM internal use only! Not to be used by device driver! */
336 static inline void hmm_mm_destroy(struct mm_struct *mm) {}
337 static inline void hmm_mm_init(struct mm_struct *mm) {}
338
339 #endif /* IS_ENABLED(CONFIG_HMM) */
340 #endif /* LINUX_HMM_H */