const: constify remaining file_operations
[safe/jmp/linux-2.6] / drivers / lguest / lguest_user.c
index ee405b3..bd16323 100644 (file)
 /*P:200 This contains all the /dev/lguest code, whereby the userspace launcher
  * controls and communicates with the Guest.  For example, the first write will
- * tell us the Guest's memory layout, pagetable, entry point and kernel address
- * offset.  A read will run the Guest until something happens, such as a signal
- * or the Guest doing a NOTIFY out to the Launcher. :*/
+ * tell us the Guest's memory layout and entry point.  A read will run the
+ * Guest until something happens, such as a signal or the Guest doing a NOTIFY
+ * out to the Launcher.
+:*/
 #include <linux/uaccess.h>
 #include <linux/miscdevice.h>
 #include <linux/fs.h>
+#include <linux/sched.h>
+#include <linux/eventfd.h>
+#include <linux/file.h>
 #include "lg.h"
 
-/*L:315 To force the Guest to stop running and return to the Launcher, the
- * Waker sets writes LHREQ_BREAK and the value "1" to /dev/lguest.  The
- * Launcher then writes LHREQ_BREAK and "0" to release the Waker. */
-static int break_guest_out(struct lguest *lg, const unsigned long __user *input)
+/*L:056
+ * Before we move on, let's jump ahead and look at what the kernel does when
+ * it needs to look up the eventfds.  That will complete our picture of how we
+ * use RCU.
+ *
+ * The notification value is in cpu->pending_notify: we return true if it went
+ * to an eventfd.
+ */
+bool send_notify_to_eventfd(struct lg_cpu *cpu)
 {
-       unsigned long on;
+       unsigned int i;
+       struct lg_eventfd_map *map;
+
+       /*
+        * This "rcu_read_lock()" helps track when someone is still looking at
+        * the (RCU-using) eventfds array.  It's not actually a lock at all;
+        * indeed it's a noop in many configurations.  (You didn't expect me to
+        * explain all the RCU secrets here, did you?)
+        */
+       rcu_read_lock();
+       /*
+        * rcu_dereference is the counter-side of rcu_assign_pointer(); it
+        * makes sure we don't access the memory pointed to by
+        * cpu->lg->eventfds before cpu->lg->eventfds is set.  Sounds crazy,
+        * but Alpha allows this!  Paul McKenney points out that a really
+        * aggressive compiler could have the same effect:
+        *   http://lists.ozlabs.org/pipermail/lguest/2009-July/001560.html
+        *
+        * So play safe, use rcu_dereference to get the rcu-protected pointer:
+        */
+       map = rcu_dereference(cpu->lg->eventfds);
+       /*
+        * Simple array search: even if they add an eventfd while we do this,
+        * we'll continue to use the old array and just won't see the new one.
+        */
+       for (i = 0; i < map->num; i++) {
+               if (map->map[i].addr == cpu->pending_notify) {
+                       eventfd_signal(map->map[i].event, 1);
+                       cpu->pending_notify = 0;
+                       break;
+               }
+       }
+       /* We're done with the rcu-protected variable cpu->lg->eventfds. */
+       rcu_read_unlock();
 
-       /* Fetch whether they're turning break on or off.. */
-       if (get_user(on, input) != 0)
-               return -EFAULT;
+       /* If we cleared the notification, it's because we found a match. */
+       return cpu->pending_notify == 0;
+}
 
-       if (on) {
-               lg->break_out = 1;
-               /* Pop it out (may be running on different CPU) */
-               wake_up_process(lg->tsk);
-               /* Wait for them to reset it */
-               return wait_event_interruptible(lg->break_wq, !lg->break_out);
-       } else {
-               lg->break_out = 0;
-               wake_up(&lg->break_wq);
-               return 0;
+/*L:055
+ * One of the more tricksy tricks in the Linux Kernel is a technique called
+ * Read Copy Update.  Since one point of lguest is to teach lguest journeyers
+ * about kernel coding, I use it here.  (In case you're curious, other purposes
+ * include learning about virtualization and instilling a deep appreciation for
+ * simplicity and puppies).
+ *
+ * We keep a simple array which maps LHCALL_NOTIFY values to eventfds, but we
+ * add new eventfds without ever blocking readers from accessing the array.
+ * The current Launcher only does this during boot, so that never happens.  But
+ * Read Copy Update is cool, and adding a lock risks damaging even more puppies
+ * than this code does.
+ *
+ * We allocate a brand new one-larger array, copy the old one and add our new
+ * element.  Then we make the lg eventfd pointer point to the new array.
+ * That's the easy part: now we need to free the old one, but we need to make
+ * sure no slow CPU somewhere is still looking at it.  That's what
+ * synchronize_rcu does for us: waits until every CPU has indicated that it has
+ * moved on to know it's no longer using the old one.
+ *
+ * If that's unclear, see http://en.wikipedia.org/wiki/Read-copy-update.
+ */
+static int add_eventfd(struct lguest *lg, unsigned long addr, int fd)
+{
+       struct lg_eventfd_map *new, *old = lg->eventfds;
+
+       /*
+        * We don't allow notifications on value 0 anyway (pending_notify of
+        * 0 means "nothing pending").
+        */
+       if (!addr)
+               return -EINVAL;
+
+       /*
+        * Replace the old array with the new one, carefully: others can
+        * be accessing it at the same time.
+        */
+       new = kmalloc(sizeof(*new) + sizeof(new->map[0]) * (old->num + 1),
+                     GFP_KERNEL);
+       if (!new)
+               return -ENOMEM;
+
+       /* First make identical copy. */
+       memcpy(new->map, old->map, sizeof(old->map[0]) * old->num);
+       new->num = old->num;
+
+       /* Now append new entry. */
+       new->map[new->num].addr = addr;
+       new->map[new->num].event = eventfd_ctx_fdget(fd);
+       if (IS_ERR(new->map[new->num].event)) {
+               int err =  PTR_ERR(new->map[new->num].event);
+               kfree(new);
+               return err;
        }
+       new->num++;
+
+       /*
+        * Now put new one in place: rcu_assign_pointer() is a fancy way of
+        * doing "lg->eventfds = new", but it uses memory barriers to make
+        * absolutely sure that the contents of "new" written above is nailed
+        * down before we actually do the assignment.
+        *
+        * We have to think about these kinds of things when we're operating on
+        * live data without locks.
+        */
+       rcu_assign_pointer(lg->eventfds, new);
+
+       /*
+        * We're not in a big hurry.  Wait until noone's looking at old
+        * version, then free it.
+        */
+       synchronize_rcu();
+       kfree(old);
+
+       return 0;
+}
+
+/*L:052
+ * Receiving notifications from the Guest is usually done by attaching a
+ * particular LHCALL_NOTIFY value to an event filedescriptor.  The eventfd will
+ * become readable when the Guest does an LHCALL_NOTIFY with that value.
+ *
+ * This is really convenient for processing each virtqueue in a separate
+ * thread.
+ */
+static int attach_eventfd(struct lguest *lg, const unsigned long __user *input)
+{
+       unsigned long addr, fd;
+       int err;
+
+       if (get_user(addr, input) != 0)
+               return -EFAULT;
+       input++;
+       if (get_user(fd, input) != 0)
+               return -EFAULT;
+
+       /*
+        * Just make sure two callers don't add eventfds at once.  We really
+        * only need to lock against callers adding to the same Guest, so using
+        * the Big Lguest Lock is overkill.  But this is setup, not a fast path.
+        */
+       mutex_lock(&lguest_lock);
+       err = add_eventfd(lg, addr, fd);
+       mutex_unlock(&lguest_lock);
+
+       return err;
 }
 
-/*L:050 Sending an interrupt is done by writing LHREQ_IRQ and an interrupt
- * number to /dev/lguest. */
-static int user_send_irq(struct lguest *lg, const unsigned long __user *input)
+/*L:050
+ * Sending an interrupt is done by writing LHREQ_IRQ and an interrupt
+ * number to /dev/lguest.
+ */
+static int user_send_irq(struct lg_cpu *cpu, const unsigned long __user *input)
 {
        unsigned long irq;
 
@@ -42,27 +181,40 @@ static int user_send_irq(struct lguest *lg, const unsigned long __user *input)
                return -EFAULT;
        if (irq >= LGUEST_IRQS)
                return -EINVAL;
-       /* Next time the Guest runs, the core code will see if it can deliver
-        * this interrupt. */
-       set_bit(irq, lg->irqs_pending);
+
+       /*
+        * Next time the Guest runs, the core code will see if it can deliver
+        * this interrupt.
+        */
+       set_interrupt(cpu, irq);
        return 0;
 }
 
-/*L:040 Once our Guest is initialized, the Launcher makes it run by reading
- * from /dev/lguest. */
+/*L:040
+ * Once our Guest is initialized, the Launcher makes it run by reading
+ * from /dev/lguest.
+ */
 static ssize_t read(struct file *file, char __user *user, size_t size,loff_t*o)
 {
        struct lguest *lg = file->private_data;
+       struct lg_cpu *cpu;
+       unsigned int cpu_id = *o;
 
        /* You must write LHREQ_INITIALIZE first! */
        if (!lg)
                return -EINVAL;
 
-       /* If you're not the task which owns the guest, go away. */
-       if (current != lg->tsk)
+       /* Watch out for arbitrary vcpu indexes! */
+       if (cpu_id >= lg->nr_cpus)
+               return -EINVAL;
+
+       cpu = &lg->cpus[cpu_id];
+
+       /* If you're not the task which owns the Guest, go away. */
+       if (current != cpu->tsk)
                return -EPERM;
 
-       /* If the guest is already dead, we indicate why */
+       /* If the Guest is already dead, we indicate why */
        if (lg->dead) {
                size_t len;
 
@@ -77,39 +229,98 @@ static ssize_t read(struct file *file, char __user *user, size_t size,loff_t*o)
                return len;
        }
 
-       /* If we returned from read() last time because the Guest notified,
-        * clear the flag. */
-       if (lg->pending_notify)
-               lg->pending_notify = 0;
+       /*
+        * If we returned from read() last time because the Guest sent I/O,
+        * clear the flag.
+        */
+       if (cpu->pending_notify)
+               cpu->pending_notify = 0;
 
        /* Run the Guest until something interesting happens. */
-       return run_guest(lg, (unsigned long __user *)user);
+       return run_guest(cpu, (unsigned long __user *)user);
 }
 
-/*L:020 The initialization write supplies 4 pointer sized (32 or 64 bit)
- * values (in addition to the LHREQ_INITIALIZE value).  These are:
+/*L:025
+ * This actually initializes a CPU.  For the moment, a Guest is only
+ * uniprocessor, so "id" is always 0.
+ */
+static int lg_cpu_start(struct lg_cpu *cpu, unsigned id, unsigned long start_ip)
+{
+       /* We have a limited number the number of CPUs in the lguest struct. */
+       if (id >= ARRAY_SIZE(cpu->lg->cpus))
+               return -EINVAL;
+
+       /* Set up this CPU's id, and pointer back to the lguest struct. */
+       cpu->id = id;
+       cpu->lg = container_of((cpu - id), struct lguest, cpus[0]);
+       cpu->lg->nr_cpus++;
+
+       /* Each CPU has a timer it can set. */
+       init_clockdev(cpu);
+
+       /*
+        * We need a complete page for the Guest registers: they are accessible
+        * to the Guest and we can only grant it access to whole pages.
+        */
+       cpu->regs_page = get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
+       if (!cpu->regs_page)
+               return -ENOMEM;
+
+       /* We actually put the registers at the bottom of the page. */
+       cpu->regs = (void *)cpu->regs_page + PAGE_SIZE - sizeof(*cpu->regs);
+
+       /*
+        * Now we initialize the Guest's registers, handing it the start
+        * address.
+        */
+       lguest_arch_setup_regs(cpu, start_ip);
+
+       /*
+        * We keep a pointer to the Launcher task (ie. current task) for when
+        * other Guests want to wake this one (eg. console input).
+        */
+       cpu->tsk = current;
+
+       /*
+        * We need to keep a pointer to the Launcher's memory map, because if
+        * the Launcher dies we need to clean it up.  If we don't keep a
+        * reference, it is destroyed before close() is called.
+        */
+       cpu->mm = get_task_mm(cpu->tsk);
+
+       /*
+        * We remember which CPU's pages this Guest used last, for optimization
+        * when the same Guest runs on the same CPU twice.
+        */
+       cpu->last_pages = NULL;
+
+       /* No error == success. */
+       return 0;
+}
+
+/*L:020
+ * The initialization write supplies 3 pointer sized (32 or 64 bit) values (in
+ * addition to the LHREQ_INITIALIZE value).  These are:
  *
  * base: The start of the Guest-physical memory inside the Launcher memory.
  *
  * pfnlimit: The highest (Guest-physical) page number the Guest should be
- * allowed to access.  The Launcher has to live in Guest memory, so it sets
- * this to ensure the Guest can't reach it.
- *
- * pgdir: The (Guest-physical) address of the top of the initial Guest
- * pagetables (which are set up by the Launcher).
+ * allowed to access.  The Guest memory lives inside the Launcher, so it sets
+ * this to ensure the Guest can only reach its own memory.
  *
  * start: The first instruction to execute ("eip" in x86-speak).
  */
 static int initialize(struct file *file, const unsigned long __user *input)
 {
-       /* "struct lguest" contains everything we (the Host) know about a
-        * Guest. */
+       /* "struct lguest" contains all we (the Host) know about a Guest. */
        struct lguest *lg;
        int err;
-       unsigned long args[4];
+       unsigned long args[3];
 
-       /* We grab the Big Lguest lock, which protects against multiple
-        * simultaneous initializations. */
+       /*
+        * We grab the Big Lguest lock, which protects against multiple
+        * simultaneous initializations.
+        */
        mutex_lock(&lguest_lock);
        /* You can't initialize twice!  Close the device and start again... */
        if (file->private_data) {
@@ -128,49 +339,30 @@ static int initialize(struct file *file, const unsigned long __user *input)
                goto unlock;
        }
 
+       lg->eventfds = kmalloc(sizeof(*lg->eventfds), GFP_KERNEL);
+       if (!lg->eventfds) {
+               err = -ENOMEM;
+               goto free_lg;
+       }
+       lg->eventfds->num = 0;
+
        /* Populate the easy fields of our "struct lguest" */
-       lg->mem_base = (void __user *)(long)args[0];
+       lg->mem_base = (void __user *)args[0];
        lg->pfn_limit = args[1];
 
-       /* We need a complete page for the Guest registers: they are accessible
-        * to the Guest and we can only grant it access to whole pages. */
-       lg->regs_page = get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
-       if (!lg->regs_page) {
-               err = -ENOMEM;
-               goto release_guest;
-       }
-       /* We actually put the registers at the bottom of the page. */
-       lg->regs = (void *)lg->regs_page + PAGE_SIZE - sizeof(*lg->regs);
+       /* This is the first cpu (cpu 0) and it will start booting at args[2] */
+       err = lg_cpu_start(&lg->cpus[0], 0, args[2]);
+       if (err)
+               goto free_eventfds;
 
-       /* Initialize the Guest's shadow page tables, using the toplevel
-        * address the Launcher gave us.  This allocates memory, so can
-        * fail. */
-       err = init_guest_pagetable(lg, args[2]);
+       /*
+        * Initialize the Guest's shadow page tables, using the toplevel
+        * address the Launcher gave us.  This allocates memory, so can fail.
+        */
+       err = init_guest_pagetable(lg);
        if (err)
                goto free_regs;
 
-       /* Now we initialize the Guest's registers, handing it the start
-        * address. */
-       lguest_arch_setup_regs(lg, args[3]);
-
-       /* The timer for lguest's clock needs initialization. */
-       init_clockdev(lg);
-
-       /* We keep a pointer to the Launcher task (ie. current task) for when
-        * other Guests want to wake this one (inter-Guest I/O). */
-       lg->tsk = current;
-       /* We need to keep a pointer to the Launcher's memory map, because if
-        * the Launcher dies we need to clean it up.  If we don't keep a
-        * reference, it is destroyed before close() is called. */
-       lg->mm = get_task_mm(lg->tsk);
-
-       /* Initialize the queue for the waker to wait on */
-       init_waitqueue_head(&lg->break_wq);
-
-       /* We remember which CPU's pages this Guest used last, for optimization
-        * when the same Guest runs on the same CPU twice. */
-       lg->last_pages = NULL;
-
        /* We keep our "struct lguest" in the file's private_data. */
        file->private_data = lg;
 
@@ -180,89 +372,121 @@ static int initialize(struct file *file, const unsigned long __user *input)
        return sizeof(args);
 
 free_regs:
-       free_page(lg->regs_page);
-release_guest:
-       memset(lg, 0, sizeof(*lg));
+       /* FIXME: This should be in free_vcpu */
+       free_page(lg->cpus[0].regs_page);
+free_eventfds:
+       kfree(lg->eventfds);
+free_lg:
+       kfree(lg);
 unlock:
        mutex_unlock(&lguest_lock);
        return err;
 }
 
-/*L:010 The first operation the Launcher does must be a write.  All writes
- * start with a 32 bit number: for the first write this must be
+/*L:010
+ * The first operation the Launcher does must be a write.  All writes
+ * start with an unsigned long number: for the first write this must be
  * LHREQ_INITIALIZE to set up the Guest.  After that the Launcher can use
- * writes of other values to send interrupts. */
+ * writes of other values to send interrupts or set up receipt of notifications.
+ *
+ * Note that we overload the "offset" in the /dev/lguest file to indicate what
+ * CPU number we're dealing with.  Currently this is always 0 since we only
+ * support uniprocessor Guests, but you can see the beginnings of SMP support
+ * here.
+ */
 static ssize_t write(struct file *file, const char __user *in,
                     size_t size, loff_t *off)
 {
-       /* Once the guest is initialized, we hold the "struct lguest" in the
-        * file private data. */
+       /*
+        * Once the Guest is initialized, we hold the "struct lguest" in the
+        * file private data.
+        */
        struct lguest *lg = file->private_data;
        const unsigned long __user *input = (const unsigned long __user *)in;
        unsigned long req;
+       struct lg_cpu *uninitialized_var(cpu);
+       unsigned int cpu_id = *off;
 
+       /* The first value tells us what this request is. */
        if (get_user(req, input) != 0)
                return -EFAULT;
        input++;
 
        /* If you haven't initialized, you must do that first. */
-       if (req != LHREQ_INITIALIZE && !lg)
-               return -EINVAL;
-
-       /* Once the Guest is dead, all you can do is read() why it died. */
-       if (lg && lg->dead)
-               return -ENOENT;
-
-       /* If you're not the task which owns the Guest, you can only break */
-       if (lg && current != lg->tsk && req != LHREQ_BREAK)
-               return -EPERM;
+       if (req != LHREQ_INITIALIZE) {
+               if (!lg || (cpu_id >= lg->nr_cpus))
+                       return -EINVAL;
+               cpu = &lg->cpus[cpu_id];
+
+               /* Once the Guest is dead, you can only read() why it died. */
+               if (lg->dead)
+                       return -ENOENT;
+       }
 
        switch (req) {
        case LHREQ_INITIALIZE:
                return initialize(file, input);
        case LHREQ_IRQ:
-               return user_send_irq(lg, input);
-       case LHREQ_BREAK:
-               return break_guest_out(lg, input);
+               return user_send_irq(cpu, input);
+       case LHREQ_EVENTFD:
+               return attach_eventfd(lg, input);
        default:
                return -EINVAL;
        }
 }
 
-/*L:060 The final piece of interface code is the close() routine.  It reverses
+/*L:060
+ * The final piece of interface code is the close() routine.  It reverses
  * everything done in initialize().  This is usually called because the
  * Launcher exited.
  *
  * Note that the close routine returns 0 or a negative error number: it can't
  * really fail, but it can whine.  I blame Sun for this wart, and K&R C for
- * letting them do it. :*/
+ * letting them do it.
+:*/
 static int close(struct inode *inode, struct file *file)
 {
        struct lguest *lg = file->private_data;
+       unsigned int i;
 
        /* If we never successfully initialized, there's nothing to clean up */
        if (!lg)
                return 0;
 
-       /* We need the big lock, to protect from inter-guest I/O and other
-        * Launchers initializing guests. */
+       /*
+        * We need the big lock, to protect from inter-guest I/O and other
+        * Launchers initializing guests.
+        */
        mutex_lock(&lguest_lock);
-       /* Cancels the hrtimer set via LHCALL_SET_CLOCKEVENT. */
-       hrtimer_cancel(&lg->hrt);
+
        /* Free up the shadow page tables for the Guest. */
        free_guest_pagetable(lg);
-       /* Now all the memory cleanups are done, it's safe to release the
-        * Launcher's memory management structure. */
-       mmput(lg->mm);
-       /* If lg->dead doesn't contain an error code it will be NULL or a
-        * kmalloc()ed string, either of which is ok to hand to kfree(). */
+
+       for (i = 0; i < lg->nr_cpus; i++) {
+               /* Cancels the hrtimer set via LHCALL_SET_CLOCKEVENT. */
+               hrtimer_cancel(&lg->cpus[i].hrt);
+               /* We can free up the register page we allocated. */
+               free_page(lg->cpus[i].regs_page);
+               /*
+                * Now all the memory cleanups are done, it's safe to release
+                * the Launcher's memory management structure.
+                */
+               mmput(lg->cpus[i].mm);
+       }
+
+       /* Release any eventfds they registered. */
+       for (i = 0; i < lg->eventfds->num; i++)
+               eventfd_ctx_put(lg->eventfds->map[i].event);
+       kfree(lg->eventfds);
+
+       /*
+        * If lg->dead doesn't contain an error code it will be NULL or a
+        * kmalloc()ed string, either of which is ok to hand to kfree().
+        */
        if (!IS_ERR(lg->dead))
                kfree(lg->dead);
-       /* We can free up the register page we allocated. */
-       free_page(lg->regs_page);
-       /* We clear the entire structure, which also marks it as free for the
-        * next user. */
-       memset(lg, 0, sizeof(*lg));
+       /* Free the memory allocated to the lguest_struct */
+       kfree(lg);
        /* Release lock and exit. */
        mutex_unlock(&lguest_lock);
 
@@ -275,24 +499,26 @@ static int close(struct inode *inode, struct file *file)
  * The Launcher is the Host userspace program which sets up, runs and services
  * the Guest.  In fact, many comments in the Drivers which refer to "the Host"
  * doing things are inaccurate: the Launcher does all the device handling for
- * the Guest.  The Guest can't tell what's done by the the Launcher and what by
- * the Host.
+ * the Guest, but the Guest can't know that.
  *
  * Just to confuse you: to the Host kernel, the Launcher *is* the Guest and we
  * shall see more of that later.
  *
  * We begin our understanding with the Host kernel interface which the Launcher
  * uses: reading and writing a character device called /dev/lguest.  All the
- * work happens in the read(), write() and close() routines: */
-static struct file_operations lguest_fops = {
+ * work happens in the read(), write() and close() routines:
+ */
+static const struct file_operations lguest_fops = {
        .owner   = THIS_MODULE,
        .release = close,
        .write   = write,
        .read    = read,
 };
 
-/* This is a textbook example of a "misc" character device.  Populate a "struct
- * miscdevice" and register it with misc_register(). */
+/*
+ * This is a textbook example of a "misc" character device.  Populate a "struct
+ * miscdevice" and register it with misc_register().
+ */
 static struct miscdevice lguest_dev = {
        .minor  = MISC_DYNAMIC_MINOR,
        .name   = "lguest",