Fault reflection and blocking page faults (XCC)
[akaros.git] / kern / src / mm.c
1 /* Copyright (c) 2009, 2010 The Regents of the University of California
2  * Barret Rhoden <brho@cs.berkeley.edu>
3  * See LICENSE for details.
4  *
5  * Virtual memory management functions.  Creation, modification, etc, of virtual
6  * memory regions (VMRs) as well as mmap(), mprotect(), and munmap().
7  *
8  * In general, error checking / bounds checks are done in the main function
9  * (e.g. mmap()), and the work is done in a do_ function (e.g. do_mmap()).
10  * Versions of those functions that are called when the vmr lock is already held
11  * begin with __ (e.g. __do_munmap()).
12  *
13  * Note that if we were called from kern/src/syscall.c, we probably don't have
14  * an edible reference to p. */
15
16 #include <frontend.h>
17 #include <ros/common.h>
18 #include <pmap.h>
19 #include <mm.h>
20 #include <process.h>
21 #include <stdio.h>
22 #include <syscall.h>
23 #include <slab.h>
24 #include <kmalloc.h>
25 #include <vfs.h>
26 #include <smp.h>
27
28 struct kmem_cache *vmr_kcache;
29
30 static int __vmr_free_pgs(struct proc *p, pte_t *pte, void *va, void *arg);
31 /* minor helper, will ease the file->chan transition */
32 static struct page_map *file2pm(struct file *file)
33 {
34         return file->f_mapping;
35 }
36
37 void vmr_init(void)
38 {
39         vmr_kcache = kmem_cache_create("vm_regions", sizeof(struct vm_region),
40                                        __alignof__(struct dentry), 0, 0, 0);
41 }
42
43 /* For now, the caller will set the prot, flags, file, and offset.  In the
44  * future, we may put those in here, to do clever things with merging vm_regions
45  * that are the same.
46  *
47  * TODO: take a look at solari's vmem alloc.  And consider keeping these in a
48  * tree of some sort for easier lookups. */
49 struct vm_region *create_vmr(struct proc *p, uintptr_t va, size_t len)
50 {
51         struct vm_region *vmr = 0, *vm_i, *vm_next;
52         uintptr_t gap_end;
53
54         assert(!PGOFF(va));
55         assert(!PGOFF(len));
56         assert(va + len <= UMAPTOP);
57         /* Is there room before the first one: */
58         vm_i = TAILQ_FIRST(&p->vm_regions);
59         /* This works for now, but if all we have is BRK_END ones, we'll start
60          * growing backwards (TODO) */
61         if (!vm_i || (va + len < vm_i->vm_base)) {
62                 vmr = kmem_cache_alloc(vmr_kcache, 0);
63                 if (!vmr)
64                         panic("EOM!");
65                 memset(vmr, 0, sizeof(struct vm_region));
66                 vmr->vm_base = va;
67                 TAILQ_INSERT_HEAD(&p->vm_regions, vmr, vm_link);
68         } else {
69                 TAILQ_FOREACH(vm_i, &p->vm_regions, vm_link) {
70                         vm_next = TAILQ_NEXT(vm_i, vm_link);
71                         gap_end = vm_next ? vm_next->vm_base : UMAPTOP;
72                         /* skip til we get past the 'hint' va */
73                         if (va >= gap_end)
74                                 continue;
75                         /* Find a gap that is big enough */
76                         if (gap_end - vm_i->vm_end >= len) {
77                                 vmr = kmem_cache_alloc(vmr_kcache, 0);
78                                 if (!vmr)
79                                         panic("EOM!");
80                                 memset(vmr, 0, sizeof(struct vm_region));
81                                 /* if we can put it at va, let's do that.  o/w, put it so it
82                                  * fits */
83                                 if ((gap_end >= va + len) && (va >= vm_i->vm_end))
84                                         vmr->vm_base = va;
85                                 else
86                                         vmr->vm_base = vm_i->vm_end;
87                                 TAILQ_INSERT_AFTER(&p->vm_regions, vm_i, vmr, vm_link);
88                                 break;
89                         }
90                 }
91         }
92         /* Finalize the creation, if we got one */
93         if (vmr) {
94                 vmr->vm_proc = p;
95                 vmr->vm_end = vmr->vm_base + len;
96         }
97         if (!vmr)
98                 warn("Not making a VMR, wanted %p, + %p = %p", va, len, va + len);
99         return vmr;
100 }
101
102 /* Split a VMR at va, returning the new VMR.  It is set up the same way, with
103  * file offsets fixed accordingly.  'va' is the beginning of the new one, and
104  * must be page aligned. */
105 struct vm_region *split_vmr(struct vm_region *old_vmr, uintptr_t va)
106 {
107         struct vm_region *new_vmr;
108
109         assert(!PGOFF(va));
110         if ((old_vmr->vm_base >= va) || (old_vmr->vm_end <= va))
111                 return 0;
112         new_vmr = kmem_cache_alloc(vmr_kcache, 0);
113         TAILQ_INSERT_AFTER(&old_vmr->vm_proc->vm_regions, old_vmr, new_vmr,
114                            vm_link);
115         new_vmr->vm_proc = old_vmr->vm_proc;
116         new_vmr->vm_base = va;
117         new_vmr->vm_end = old_vmr->vm_end;
118         old_vmr->vm_end = va;
119         new_vmr->vm_prot = old_vmr->vm_prot;
120         new_vmr->vm_flags = old_vmr->vm_flags;
121         if (old_vmr->vm_file) {
122                 kref_get(&old_vmr->vm_file->f_kref, 1);
123                 new_vmr->vm_file = old_vmr->vm_file;
124                 new_vmr->vm_foff = old_vmr->vm_foff +
125                                       old_vmr->vm_end - old_vmr->vm_base;
126                 pm_add_vmr(file2pm(old_vmr->vm_file), new_vmr);
127         } else {
128                 new_vmr->vm_file = 0;
129                 new_vmr->vm_foff = 0;
130         }
131         return new_vmr;
132 }
133
134 /* Merges two vm regions.  For now, it will check to make sure they are the
135  * same.  The second one will be destroyed. */
136 int merge_vmr(struct vm_region *first, struct vm_region *second)
137 {
138         assert(first->vm_proc == second->vm_proc);
139         if ((first->vm_end != second->vm_base) ||
140             (first->vm_prot != second->vm_prot) ||
141             (first->vm_flags != second->vm_flags) ||
142             (first->vm_file != second->vm_file))
143                 return -1;
144         if ((first->vm_file) && (second->vm_foff != first->vm_foff +
145                                  first->vm_end - first->vm_base))
146                 return -1;
147         first->vm_end = second->vm_end;
148         destroy_vmr(second);
149         return 0;
150 }
151
152 /* Attempts to merge vmr with adjacent VMRs, returning a ptr to be used for vmr.
153  * It could be the same struct vmr, or possibly another one (usually lower in
154  * the address space. */
155 struct vm_region *merge_me(struct vm_region *vmr)
156 {
157         struct vm_region *vmr_temp;
158         /* Merge will fail if it cannot do it.  If it succeeds, the second VMR is
159          * destroyed, so we need to be a bit careful. */
160         vmr_temp = TAILQ_PREV(vmr, vmr_tailq, vm_link);
161         if (vmr_temp)
162                 if (!merge_vmr(vmr_temp, vmr))
163                         vmr = vmr_temp;
164         vmr_temp = TAILQ_NEXT(vmr, vm_link);
165         if (vmr_temp)
166                 merge_vmr(vmr, vmr_temp);
167         return vmr;
168 }
169
170 /* Grows the vm region up to (and not including) va.  Fails if another is in the
171  * way, etc. */
172 int grow_vmr(struct vm_region *vmr, uintptr_t va)
173 {
174         assert(!PGOFF(va));
175         struct vm_region *next = TAILQ_NEXT(vmr, vm_link);
176         if (next && next->vm_base < va)
177                 return -1;
178         if (va <= vmr->vm_end)
179                 return -1;
180         vmr->vm_end = va;
181         return 0;
182 }
183
184 /* Shrinks the vm region down to (and not including) va.  Whoever calls this
185  * will need to sort out the page table entries. */
186 int shrink_vmr(struct vm_region *vmr, uintptr_t va)
187 {
188         assert(!PGOFF(va));
189         if ((va < vmr->vm_base) || (va > vmr->vm_end))
190                 return -1;
191         vmr->vm_end = va;
192         return 0;
193 }
194
195 /* Called by the unmapper, just cleans up.  Whoever calls this will need to sort
196  * out the page table entries. */
197 void destroy_vmr(struct vm_region *vmr)
198 {
199         if (vmr->vm_file) {
200                 pm_remove_vmr(file2pm(vmr->vm_file), vmr);
201                 kref_put(&vmr->vm_file->f_kref);
202         }
203         TAILQ_REMOVE(&vmr->vm_proc->vm_regions, vmr, vm_link);
204         kmem_cache_free(vmr_kcache, vmr);
205 }
206
207 /* Given a va and a proc (later an mm, possibly), returns the owning vmr, or 0
208  * if there is none. */
209 struct vm_region *find_vmr(struct proc *p, uintptr_t va)
210 {
211         struct vm_region *vmr;
212         /* ugly linear seach */
213         TAILQ_FOREACH(vmr, &p->vm_regions, vm_link) {
214                 if ((vmr->vm_base <= va) && (vmr->vm_end > va))
215                         return vmr;
216         }
217         return 0;
218 }
219
220 /* Finds the first vmr after va (including the one holding va), or 0 if there is
221  * none. */
222 struct vm_region *find_first_vmr(struct proc *p, uintptr_t va)
223 {
224         struct vm_region *vmr;
225         /* ugly linear seach */
226         TAILQ_FOREACH(vmr, &p->vm_regions, vm_link) {
227                 if ((vmr->vm_base <= va) && (vmr->vm_end > va))
228                         return vmr;
229                 if (vmr->vm_base > va)
230                         return vmr;
231         }
232         return 0;
233 }
234
235 /* Makes sure that no VMRs cross either the start or end of the given region
236  * [va, va + len), splitting any VMRs that are on the endpoints. */
237 void isolate_vmrs(struct proc *p, uintptr_t va, size_t len)
238 {
239         struct vm_region *vmr;
240         if ((vmr = find_vmr(p, va)))
241                 split_vmr(vmr, va);
242         /* TODO: don't want to do another find (linear search) */
243         if ((vmr = find_vmr(p, va + len)))
244                 split_vmr(vmr, va + len);
245 }
246
247 void unmap_and_destroy_vmrs(struct proc *p)
248 {
249         struct vm_region *vmr_i, *vmr_temp;
250         /* this only gets called from __proc_free, so there should be no sync
251          * concerns.  still, better safe than sorry. */
252         spin_lock(&p->vmr_lock);
253         spin_lock(&p->pte_lock);
254         TAILQ_FOREACH(vmr_i, &p->vm_regions, vm_link) {
255                 /* note this CB sets the PTE = 0, regardless of if it was P or not */
256                 env_user_mem_walk(p, (void*)vmr_i->vm_base,
257                                   vmr_i->vm_end - vmr_i->vm_base, __vmr_free_pgs, 0);
258         }
259         spin_unlock(&p->pte_lock);
260         /* need the safe style, since destroy_vmr modifies the list.  also, we want
261          * to do this outside the pte lock, since it grabs the pm lock. */
262         TAILQ_FOREACH_SAFE(vmr_i, &p->vm_regions, vm_link, vmr_temp)
263                 destroy_vmr(vmr_i);
264         spin_unlock(&p->vmr_lock);
265 }
266
267 /* Helper: copies the contents of pages from p to new p.  For pages that aren't
268  * present, once we support swapping or CoW, we can do something more
269  * intelligent.  0 on success, -ERROR on failure. */
270 static int copy_pages(struct proc *p, struct proc *new_p, uintptr_t va_start,
271                       uintptr_t va_end)
272 {
273         /* Sanity checks.  If these fail, we had a screwed up VMR.
274          * Check for: alignment, wraparound, or userspace addresses */
275         if ((PGOFF(va_start)) ||
276             (PGOFF(va_end)) ||
277             (va_end < va_start) ||      /* now, start > UMAPTOP -> end > UMAPTOP */
278             (va_end > UMAPTOP)) {
279                 warn("VMR mapping is probably screwed up (%p - %p)", va_start,
280                      va_end);
281                 return -EINVAL;
282         }
283         int copy_page(struct proc *p, pte_t *pte, void *va, void *arg) {
284                 struct proc *new_p = (struct proc*)arg;
285                 struct page *pp;
286                 if (PAGE_UNMAPPED(*pte))
287                         return 0;
288                 /* pages could be !P, but right now that's only for file backed VMRs
289                  * undergoing page removal, which isn't the caller of copy_pages. */
290                 if (PAGE_PRESENT(*pte)) {
291                         /* TODO: check for jumbos */
292                         if (upage_alloc(new_p, &pp, 0))
293                                 return -ENOMEM;
294                         if (page_insert(new_p->env_pgdir, pp, va, *pte & PTE_PERM)) {
295                                 page_decref(pp);
296                                 return -ENOMEM;
297                         }
298                         memcpy(page2kva(pp), ppn2kva(PTE2PPN(*pte)), PGSIZE);
299                         page_decref(pp);
300                 } else if (PAGE_PAGED_OUT(*pte)) {
301                         /* TODO: (SWAP) will need to either make a copy or CoW/refcnt the
302                          * backend store.  For now, this PTE will be the same as the
303                          * original PTE */
304                         panic("Swapping not supported!");
305                 } else {
306                         panic("Weird PTE %p in %s!", *pte, __FUNCTION__);
307                 }
308                 return 0;
309         }
310         return env_user_mem_walk(p, (void*)va_start, va_end - va_start, &copy_page,
311                                  new_p);
312 }
313
314 /* This will make new_p have the same VMRs as p, and it will make sure all
315  * physical pages are copied over, with the exception of MAP_SHARED files.
316  * This is used by fork().
317  *
318  * Note that if you are working on a VMR that is a file, you'll want to be
319  * careful about how it is mapped (SHARED, PRIVATE, etc). */
320 int duplicate_vmrs(struct proc *p, struct proc *new_p)
321 {
322         int ret = 0;
323         struct vm_region *vmr, *vm_i;
324         TAILQ_FOREACH(vm_i, &p->vm_regions, vm_link) {
325                 vmr = kmem_cache_alloc(vmr_kcache, 0);
326                 if (!vmr)
327                         return -ENOMEM;
328                 vmr->vm_proc = new_p;
329                 vmr->vm_base = vm_i->vm_base;
330                 vmr->vm_end = vm_i->vm_end;
331                 vmr->vm_prot = vm_i->vm_prot;   
332                 vmr->vm_flags = vm_i->vm_flags; 
333                 vmr->vm_file = vm_i->vm_file;
334                 vmr->vm_foff = vm_i->vm_foff;
335                 if (vm_i->vm_file) {
336                         kref_get(&vm_i->vm_file->f_kref, 1);
337                         pm_add_vmr(file2pm(vm_i->vm_file), vmr);
338                 }
339                 if (!vmr->vm_file || vmr->vm_flags & MAP_PRIVATE) {
340                         assert(!(vmr->vm_flags & MAP_SHARED));
341                         /* Copy over the memory from one VMR to the other */
342                         if ((ret = copy_pages(p, new_p, vmr->vm_base, vmr->vm_end)))
343                                 return ret;
344                 }
345                 TAILQ_INSERT_TAIL(&new_p->vm_regions, vmr, vm_link);
346         }
347         return 0;
348 }
349
350 void print_vmrs(struct proc *p)
351 {
352         int count = 0;
353         struct vm_region *vmr;
354         printk("VM Regions for proc %d\n", p->pid);
355         TAILQ_FOREACH(vmr, &p->vm_regions, vm_link)
356                 printk("%02d: (%p - %p): 0x%08x, 0x%08x, %p, %p\n", count++,
357                        vmr->vm_base, vmr->vm_end, vmr->vm_prot, vmr->vm_flags,
358                        vmr->vm_file, vmr->vm_foff);
359 }
360
361 /* Helper: returns the number of pages required to hold nr_bytes */
362 static unsigned long nr_pages(unsigned long nr_bytes)
363 {
364         return (nr_bytes >> PGSHIFT) + (PGOFF(nr_bytes) ? 1 : 0);
365 }
366
367 /* Error values aren't quite comprehensive - check man mmap() once we do better
368  * with the FS.
369  *
370  * The mmap call's offset is in units of PGSIZE (like Linux's mmap2()), but
371  * internally, the offset is tracked in bytes.  The reason for the PGSIZE is for
372  * 32bit apps to enumerate large files, but a full 64bit system won't need that.
373  * We track things internally in bytes since that is how file pointers work, vmr
374  * bases and ends, and similar math.  While it's not a hard change, there's no
375  * need for it, and ideally we'll be a fully 64bit system before we deal with
376  * files that large. */
377 void *mmap(struct proc *p, uintptr_t addr, size_t len, int prot, int flags,
378            int fd, size_t offset)
379 {
380         struct file *file = NULL;
381         offset <<= PGSHIFT;
382         printd("mmap(addr %x, len %x, prot %x, flags %x, fd %x, off %x)\n", addr,
383                len, prot, flags, fd, offset);
384         if (fd >= 0 && (flags & MAP_ANON)) {
385                 set_errno(EBADF);
386                 return MAP_FAILED;
387         }
388         if (!len) {
389                 set_errno(EINVAL);
390                 return MAP_FAILED;
391         }
392         if (fd != -1) {
393                 file = get_file_from_fd(&p->open_files, fd);
394                 if (!file) {
395                         set_errno(EBADF);
396                         return MAP_FAILED;
397                 }
398         }
399         /* If they don't care where to put it, we'll start looking after the break.
400          * We could just have userspace handle this (in glibc's mmap), so we don't
401          * need to know about BRK_END, but this will work for now (and may avoid
402          * bugs).  Note that this limits mmap(0) a bit.  Keep this in sync with
403          * __do_mmap()'s check.  (Both are necessary).  */
404         if (addr == 0)
405                 addr = BRK_END;
406         /* Still need to enforce this: */
407         addr = MAX(addr, MMAP_LOWEST_VA);
408         /* Need to check addr + len, after we do our addr adjustments */
409         if ((addr + len > UMAPTOP) || (PGOFF(addr))) {
410                 set_errno(EINVAL);
411                 return MAP_FAILED;
412         }
413         void *result = do_mmap(p, addr, len, prot, flags, file, offset);
414         if (file)
415                 kref_put(&file->f_kref);
416         return result;
417 }
418
419 /* Helper: returns TRUE if the VMR is allowed to access the file with prot.
420  * This is a bit ghetto still: messes with the file mode and assumes it can walk
421  * the dentry/inode paths without locking.  It also ignores the CoW stuff we'll
422  * need to do eventually. */
423 static bool check_file_perms(struct vm_region *vmr, struct file *file, int prot)
424 {
425         assert(file);
426         if (prot & PROT_READ) {
427                 if (check_perms(file->f_dentry->d_inode, S_IRUSR))
428                         goto out_error;
429         }
430         if (prot & PROT_WRITE) {
431                 /* if vmr maps a file as MAP_SHARED, then we need to make sure the
432                  * protection change is in compliance with the open mode of the
433                  * file. */
434                 if (vmr->vm_flags & MAP_SHARED) {
435                         if (!(file->f_mode & S_IWUSR)) {
436                                 /* at this point, we have a file opened in the wrong mode,
437                                  * but we may be allowed to access it still. */
438                                 if (check_perms(file->f_dentry->d_inode, S_IWUSR)) {
439                                         goto out_error;
440                                 } else {
441                                         /* it is okay, though we need to change the file mode. (note
442                                          * the lack of a lock/protection (TODO) */
443                                         file->f_mode |= S_IWUSR;
444                                 }
445                         }
446                 } else {        /* PRIVATE mapping */
447                         /* TODO: we want a CoW mapping (like we want in handle_page_fault()),
448                          * since there is a concern of a process having the page already
449                          * mapped in to a file it does not have permissions to, and then
450                          * mprotecting it so it can access it.  So we can't just change
451                          * the prot, and we don't know yet if a page is mapped in.  To
452                          * handle this, we ought to sort out the CoW bit, and then this
453                          * will be easy.  Til then, just do a permissions check.  If we
454                          * start having weird issues with libc overwriting itself (since
455                          * procs mprotect that W), then change this. */
456                         if (check_perms(file->f_dentry->d_inode, S_IWUSR))
457                                 goto out_error;
458                 }
459         }
460         return TRUE;
461 out_error:      /* for debugging */
462         printk("[kernel] mmap perm check failed for %s for access %d\n",
463                file_name(file), prot);
464         return FALSE;
465 }
466
467 /* Helper, maps in page at addr, but only if nothing is present there.  Returns
468  * 0 on success.  If this is called by non-PM code, we'll store your ref in the
469  * PTE. */
470 static int map_page_at_addr(struct proc *p, struct page *page, uintptr_t addr,
471                             int prot)
472 {
473         pte_t *pte;
474         spin_lock(&p->pte_lock);        /* walking and changing PTEs */
475         /* find offending PTE (prob don't read this in).  This might alloc an
476          * intermediate page table page. */
477         pte = pgdir_walk(p->env_pgdir, (void*)addr, TRUE);
478         if (!pte) {
479                 spin_unlock(&p->pte_lock);
480                 return -ENOMEM;
481         }
482         /* a spurious, valid PF is possible due to a legit race: the page might have
483          * been faulted in by another core already (and raced on the memory lock),
484          * in which case we should just return. */
485         if (PAGE_PRESENT(*pte)) {
486                 spin_unlock(&p->pte_lock);
487                 return 0;
488         }
489         /* preserve the dirty bit - pm removal could be looking concurrently */
490         prot |= (*pte & PTE_D ? PTE_D : 0);
491         /* We have a ref to page, which we are storing in the PTE */
492         *pte = PTE(page2ppn(page), PTE_P | prot);
493         spin_unlock(&p->pte_lock);
494         return 0;
495 }
496
497 /* Helper: copies *pp's contents to a new page, replacing your page pointer.  If
498  * this succeeds, you'll have a non-PM page, which matters for how you put it.*/
499 static int __copy_and_swap_pmpg(struct proc *p, struct page **pp)
500 {
501         struct page *new_page, *old_page = *pp;
502         if (upage_alloc(p, &new_page, FALSE))
503                 return -ENOMEM;
504         memcpy(page2kva(new_page), page2kva(old_page), PGSIZE);
505         pm_put_page(old_page);
506         *pp = new_page;
507         return 0;
508 }
509
510 void *do_mmap(struct proc *p, uintptr_t addr, size_t len, int prot, int flags,
511               struct file *file, size_t offset)
512 {
513         len = ROUNDUP(len, PGSIZE);
514         struct vm_region *vmr, *vmr_temp;
515
516         /* read/write vmr lock (will change the tree) */
517         spin_lock(&p->vmr_lock);
518         /* Sanity check, for callers that bypass mmap().  We want addr for anon
519          * memory to start above the break limit (BRK_END), but not 0.  Keep this in
520          * sync with BRK_END in mmap(). */
521         if (addr == 0)
522                 addr = BRK_END;
523         assert(!PGOFF(offset));
524
525         /* MCPs will need their code and data pinned.  This check will start to fail
526          * after uthread_slim_init(), at which point userspace should have enough
527          * control over its mmaps (i.e. no longer done by LD or load_elf) that it
528          * can ask for pinned and populated pages.  Except for dl_opens(). */
529         struct preempt_data *vcpd = &p->procdata->vcore_preempt_data[0];
530         if (file && (atomic_read(&vcpd->flags) & VC_SCP_NOVCCTX))
531                 flags |= MAP_POPULATE | MAP_LOCKED;
532         /* Need to make sure nothing is in our way when we want a FIXED location.
533          * We just need to split on the end points (if they exist), and then remove
534          * everything in between.  __do_munmap() will do this.  Careful, this means
535          * an mmap can be an implied munmap() (not my call...). */
536         if (flags & MAP_FIXED)
537                 __do_munmap(p, addr, len);
538         vmr = create_vmr(p, addr, len);
539         if (!vmr) {
540                 printk("[kernel] do_mmap() aborted for %p + %d!\n", addr, len);
541                 set_errno(ENOMEM);
542                 spin_unlock(&p->vmr_lock);
543                 return MAP_FAILED;
544         }
545         addr = vmr->vm_base;
546         vmr->vm_prot = prot;
547         vmr->vm_flags = flags;
548         if (file) {
549                 if (!check_file_perms(vmr, file, prot)) {
550                         assert(!vmr->vm_file);
551                         destroy_vmr(vmr);
552                         set_errno(EACCES);
553                         spin_unlock(&p->vmr_lock);
554                         return MAP_FAILED;
555                 }
556                 /* TODO: consider locking the file while checking (not as manadatory as
557                  * in handle_page_fault() */
558                 if (nr_pages(offset + len) > nr_pages(file->f_dentry->d_inode->i_size)) {
559                         /* We're allowing them to set up the VMR, though if they attempt to
560                          * fault in any pages beyond the file's limit, they'll fail.  Since
561                          * they might not access the region, we need to make sure POPULATE
562                          * is off.  FYI, 64 bit glibc shared libs map in an extra 2MB of
563                          * unaligned space between their RO and RW sections, but then
564                          * immediately mprotect it to PROT_NONE. */
565                         flags &= ~MAP_POPULATE;
566                 }
567                 /* Prep the FS to make sure it can mmap the file.  Slightly weird
568                  * semantics: if we fail and had munmapped the space, they will have a
569                  * hole in their VM now. */
570                 if (file->f_op->mmap(file, vmr)) {
571                         assert(!vmr->vm_file);
572                         destroy_vmr(vmr);
573                         set_errno(EACCES);      /* not quite */
574                         spin_unlock(&p->vmr_lock);
575                         return MAP_FAILED;
576                 }
577                 kref_get(&file->f_kref, 1);
578                 pm_add_vmr(file2pm(file), vmr);
579         }
580         vmr->vm_file = file;
581         vmr->vm_foff = offset;
582         vmr = merge_me(vmr);            /* attempts to merge with neighbors */
583
584         if (flags & MAP_POPULATE && prot != PROT_NONE) {
585                 int pte_prot = (prot & PROT_WRITE) ? PTE_USER_RW :
586                            (prot & (PROT_READ|PROT_EXEC)) ? PTE_USER_RO : 0;
587                 int num_pages = len / PGSIZE;
588                 int ret = 0;
589                 struct page *a_page;
590                 if (!file) {
591                         for (int i = 0; i < num_pages; i++) {
592                                 if (upage_alloc(p, &a_page, TRUE)) {
593                                         ret = -ENOMEM;
594                                         break;
595                                 }
596                                 a_page->pg_tree_slot = 0;
597                                 /* could imagine doing a memwalk instead of a for loop */
598                                 ret = map_page_at_addr(p, a_page, addr + i * PGSIZE, pte_prot);
599                                 if (ret) {
600                                         page_decref(a_page);
601                                         break;
602                                 }
603                         }
604                 } else {
605                         /* our refcnt on the file keeps the pm alive when we unlock */
606                         struct page_map *pm = file->f_mapping;
607                         unsigned long pm_idx0 = offset >> PGSHIFT;
608                         struct vm_region vmr_copy;
609                         memcpy(&vmr_copy, vmr, sizeof(struct vm_region));
610                         for (int i = 0; i < num_pages; i++) {
611                                 ret = pm_load_page_nowait(pm, pm_idx0 + i, &a_page);
612                                 if (ret) {
613                                         if (ret != -EAGAIN)
614                                                 break;
615                                         spin_unlock(&p->vmr_lock);
616                                         /* might block here, can't hold the spinlock */
617                                         ret = pm_load_page(pm, pm_idx0 + i, &a_page);
618                                         spin_lock(&p->vmr_lock);
619                                         if (ret)
620                                                 break;
621                                         /* ugly - while we were sleeping, our VMR could have changed
622                                          * on us.  should be okay with weird ABA races too. */
623                                         vmr = find_vmr(p, addr + i * PGSIZE);
624                                         if (memcmp(&vmr_copy, vmr, sizeof(struct vm_region))) {
625                                                 pm_put_page(a_page);
626                                                 printk("[kernel] FYI: VMR changed during populate\n");
627                                                 break;
628                                         }
629                                 }
630                                 if (flags & MAP_PRIVATE) {
631                                         ret = __copy_and_swap_pmpg(p, &a_page);
632                                         if (ret) {
633                                                 pm_put_page(a_page);
634                                                 break;
635                                         }
636                                 }
637                                 /* if this is an executable page, we might have to flush the
638                                  * instruction cache if our HW requires it.
639                                  * TODO: is this still needed?  andrew put this in a while ago*/
640                                 if (prot & PROT_EXEC)
641                                         icache_flush_page(0, page2kva(a_page));
642                                 ret = map_page_at_addr(p, a_page, addr + i * PGSIZE, pte_prot);
643                                 if (atomic_read(&a_page->pg_flags) & PG_PAGEMAP)
644                                         pm_put_page(a_page);
645                                 if (ret)
646                                         break;
647                         }
648                 }
649                 if (ret == -ENOMEM) {
650                         spin_unlock(&p->vmr_lock);
651                         printk("[kernel] ENOMEM, killing %d\n", p->pid);
652                         proc_destroy(p);
653                         return MAP_FAILED;      /* will never make it back to userspace */
654                 }
655         }
656         spin_unlock(&p->vmr_lock);
657         return (void*)addr;
658 }
659
660 int mprotect(struct proc *p, uintptr_t addr, size_t len, int prot)
661 {
662         printd("mprotect: (addr %p, len %p, prot 0x%x)\n", addr, len, prot);
663         if (!len)
664                 return 0;
665         if ((addr % PGSIZE) || (addr < MMAP_LOWEST_VA)) {
666                 set_errno(EINVAL);
667                 return -1;
668         }
669         uintptr_t end = ROUNDUP(addr + len, PGSIZE);
670         if (end > UMAPTOP || addr > end) {
671                 set_errno(ENOMEM);
672                 return -1;
673         }
674         /* read/write lock, will probably change the tree and settings */
675         spin_lock(&p->vmr_lock);
676         int ret = __do_mprotect(p, addr, len, prot);
677         spin_unlock(&p->vmr_lock);
678         return ret;
679 }
680
681 /* This does not care if the region is not mapped.  POSIX says you should return
682  * ENOMEM if any part of it is unmapped.  Can do this later if we care, based on
683  * the VMRs, not the actual page residency. */
684 int __do_mprotect(struct proc *p, uintptr_t addr, size_t len, int prot)
685 {
686         struct vm_region *vmr, *next_vmr;
687         pte_t *pte;
688         bool shootdown_needed = FALSE;
689         int pte_prot = (prot & PROT_WRITE) ? PTE_USER_RW :
690                        (prot & (PROT_READ|PROT_EXEC)) ? PTE_USER_RO : 0;
691         /* TODO: this is aggressively splitting, when we might not need to if the
692          * prots are the same as the previous.  Plus, there are three excessive
693          * scans.  Finally, we might be able to merge when we are done. */
694         isolate_vmrs(p, addr, len);
695         vmr = find_first_vmr(p, addr);
696         while (vmr && vmr->vm_base < addr + len) {
697                 if (vmr->vm_prot == prot)
698                         continue;
699                 if (vmr->vm_file && !check_file_perms(vmr, vmr->vm_file, prot)) {
700                         set_errno(EACCES);
701                         return -1;
702                 }
703                 vmr->vm_prot = prot;
704                 spin_lock(&p->pte_lock);        /* walking and changing PTEs */
705                 /* TODO: use a memwalk */
706                 for (uintptr_t va = vmr->vm_base; va < vmr->vm_end; va += PGSIZE) { 
707                         pte = pgdir_walk(p->env_pgdir, (void*)va, 0);
708                         if (pte && PAGE_PRESENT(*pte)) {
709                                 *pte = (*pte & ~PTE_PERM) | pte_prot;
710                                 shootdown_needed = TRUE;
711                         }
712                 }
713                 spin_unlock(&p->pte_lock);
714                 next_vmr = TAILQ_NEXT(vmr, vm_link);
715                 vmr = next_vmr;
716         }
717         if (shootdown_needed)
718                 proc_tlbshootdown(p, addr, addr + len);
719         return 0;
720 }
721
722 int munmap(struct proc *p, uintptr_t addr, size_t len)
723 {
724         printd("munmap(addr %x, len %x)\n", addr, len);
725         if (!len)
726                 return 0;
727         if ((addr % PGSIZE) || (addr < MMAP_LOWEST_VA)) {
728                 set_errno(EINVAL);
729                 return -1;
730         }
731         uintptr_t end = ROUNDUP(addr + len, PGSIZE);
732         if (end > UMAPTOP || addr > end) {
733                 set_errno(EINVAL);
734                 return -1;
735         }
736         /* read/write: changing the vmrs (trees, properties, and whatnot) */
737         spin_lock(&p->vmr_lock);
738         int ret = __do_munmap(p, addr, len);
739         spin_unlock(&p->vmr_lock);
740         return ret;
741 }
742
743 static int __munmap_mark_not_present(struct proc *p, pte_t *pte, void *va,
744                                      void *arg)
745 {
746         bool *shootdown_needed = (bool*)arg;
747         struct page *page;
748         /* could put in some checks here for !P and also !0 */
749         if (!PAGE_PRESENT(*pte))        /* unmapped (== 0) *ptes are also not PTE_P */
750                 return 0;
751         page = ppn2page(PTE2PPN(*pte));
752         *pte &= ~PTE_P;
753         *shootdown_needed = TRUE;
754         return 0;
755 }
756
757 /* If our page is actually in the PM, we don't do anything.  All a page map
758  * really needs is for our VMR to no longer track it (vmr being in the pm's
759  * list) and to not point at its pages (mark it 0, dude).
760  *
761  * But private mappings mess with that a bit.  Luckily, we can tell by looking
762  * at a page whether the specific page is in the PM or not.  If it isn't, we
763  * still need to free our "VMR local" copy.
764  *
765  * For pages in a PM, we're racing with PM removers.  Both of us sync with the
766  * mm lock, so once we hold the lock, it's a matter of whether or not the PTE is
767  * 0 or not.  If it isn't, then we're still okay to look at the page.  Consider
768  * the PTE a weak ref on the page.  So long as you hold the mm lock, you can
769  * look at the PTE and know the page isn't being freed. */
770 static int __vmr_free_pgs(struct proc *p, pte_t *pte, void *va, void *arg)
771 {
772         struct page *page;
773         if (!*pte)
774                 return 0;
775         page = ppn2page(PTE2PPN(*pte));
776         *pte = 0;
777         if (!(atomic_read(&page->pg_flags) & PG_PAGEMAP))
778                 page_decref(page);
779         return 0;
780 }
781
782 int __do_munmap(struct proc *p, uintptr_t addr, size_t len)
783 {
784         struct vm_region *vmr, *next_vmr, *first_vmr;
785         pte_t *pte;
786         bool shootdown_needed = FALSE;
787
788         /* TODO: this will be a bit slow, since we end up doing three linear
789          * searches (two in isolate, one in find_first). */
790         isolate_vmrs(p, addr, len);
791         first_vmr = find_first_vmr(p, addr);
792         vmr = first_vmr;
793         spin_lock(&p->pte_lock);        /* changing PTEs */
794         while (vmr && vmr->vm_base < addr + len) {
795                 env_user_mem_walk(p, (void*)vmr->vm_base, vmr->vm_end - vmr->vm_base,
796                                   __munmap_mark_not_present, &shootdown_needed);
797                 vmr = TAILQ_NEXT(vmr, vm_link);
798         }
799         spin_unlock(&p->pte_lock);
800         /* we haven't freed the pages yet; still using the PTEs to store the them.
801          * There should be no races with inserts/faults, since we still hold the mm
802          * lock since the previous CB. */
803         if (shootdown_needed)
804                 proc_tlbshootdown(p, addr, addr + len);
805         vmr = first_vmr;
806         while (vmr && vmr->vm_base < addr + len) {
807                 /* there is rarely more than one VMR in this loop.  o/w, we'll need to
808                  * gather up the vmrs and destroy outside the pte_lock. */
809                 spin_lock(&p->pte_lock);        /* changing PTEs */
810                 env_user_mem_walk(p, (void*)vmr->vm_base, vmr->vm_end - vmr->vm_base,
811                                       __vmr_free_pgs, 0);
812                 spin_unlock(&p->pte_lock);
813                 next_vmr = TAILQ_NEXT(vmr, vm_link);
814                 destroy_vmr(vmr);
815                 vmr = next_vmr;
816         }
817         return 0;
818 }
819
820 /* Helper - drop the page differently based on where it is from */
821 static void __put_page(struct page *page)
822 {
823         if (atomic_read(&page->pg_flags) & PG_PAGEMAP)
824                 pm_put_page(page);
825         else
826                 page_decref(page);
827 }
828
829 static int __hpf_load_page(struct proc *p, struct page_map *pm,
830                            unsigned long idx, struct page **page, bool first)
831 {
832         int ret = 0;
833         int coreid = core_id();
834         struct per_cpu_info *pcpui = &per_cpu_info[coreid];
835         bool wake_scp = FALSE;
836         spin_lock(&p->proc_lock);
837         switch (p->state) {
838                 case (PROC_RUNNING_S):
839                         wake_scp = TRUE;
840                         __proc_set_state(p, PROC_WAITING);
841                         /* it's possible for HPF to loop a few times; we can only save the
842                          * first time, o/w we could clobber. */
843                         if (first) {
844                                 __proc_save_context_s(p, pcpui->cur_ctx);
845                                 __proc_save_fpu_s(p);
846                                 /* We clear the owner, since userspace doesn't run here
847                                  * anymore, but we won't abandon since the fault handler
848                                  * still runs in our process. */
849                                 clear_owning_proc(coreid);
850                         }
851                         /* other notes: we don't currently need to tell the ksched
852                          * we switched from running to waiting, though we probably
853                          * will later for more generic scheds. */
854                         break;
855                 case (PROC_RUNNABLE_M):
856                 case (PROC_RUNNING_M):
857                         spin_unlock(&p->proc_lock);
858                         return -EAGAIN; /* will get reflected back to userspace */
859                 case (PROC_DYING):
860                         spin_unlock(&p->proc_lock);
861                         return -EINVAL;
862                 default:
863                         /* shouldn't have any waitings, under the current yield style.  if
864                          * this becomes an issue, we can branch on is_mcp(). */
865                         printk("HPF unexpectecd state(%s)", procstate2str(p->state));
866                         spin_unlock(&p->proc_lock);
867                         return -EINVAL;
868         }
869         spin_unlock(&p->proc_lock);
870         ret = pm_load_page(pm, idx, page);
871         if (wake_scp)
872                 proc_wakeup(p);
873         if (ret) {
874                 printk("load failed with ret %d\n", ret);
875                 return ret;
876         }
877         /* need to put our old ref, next time around HPF will get another. */
878         pm_put_page(*page);
879         return 0;
880 }
881
882 /* Returns 0 on success, or an appropriate -error code. 
883  *
884  * Notes: if your TLB caches negative results, you'll need to flush the
885  * appropriate tlb entry.  Also, you could have a weird race where a present PTE
886  * faulted for a different reason (was mprotected on another core), and the
887  * shootdown is on its way.  Userspace should have waited for the mprotect to
888  * return before trying to write (or whatever), so we don't care and will fault
889  * them. */
890 int handle_page_fault(struct proc *p, uintptr_t va, int prot)
891 {
892         struct vm_region *vmr;
893         struct page *a_page;
894         unsigned int f_idx;     /* index of the missing page in the file */
895         pte_t *pte;
896         int ret = 0;
897         bool first = TRUE;
898         va = ROUNDDOWN(va,PGSIZE);
899
900         if (prot != PROT_READ && prot != PROT_WRITE && prot != PROT_EXEC)
901                 panic("bad prot!");
902 refault:
903         /* read access to the VMRs TODO: RCU */
904         spin_lock(&p->vmr_lock);
905         /* Check the vmr's protection */
906         vmr = find_vmr(p, va);
907         if (!vmr) {                                                     /* not mapped at all */
908                 ret = -EFAULT;
909                 goto out;
910         }
911         if (!(vmr->vm_prot & prot)) {           /* wrong prots for this vmr */
912                 ret = -EPERM;
913                 goto out;
914         }
915         if (!vmr->vm_file) {
916                 /* No file - just want anonymous memory */
917                 if (upage_alloc(p, &a_page, TRUE)) {
918                         ret = -ENOMEM;
919                         goto out;
920                 }
921         } else {
922                 /* If this fails, either something got screwed up with the VMR, or the
923                  * permissions changed after mmap/mprotect.  Either way, I want to know
924                  * (though it's not critical). */
925                 if (!check_file_perms(vmr, vmr->vm_file, prot))
926                         printk("[kernel] possible issue with VMR prots on file %s!\n",
927                                file_name(vmr->vm_file));
928                 /* Load the file's page in the page cache.
929                  * TODO: (BLK) Note, we are holding the mem lock!  We need to rewrite
930                  * this stuff so we aren't hold the lock as excessively as we are, and
931                  * such that we can block and resume later. */
932                 assert(!PGOFF(va - vmr->vm_base + vmr->vm_foff));
933                 f_idx = (va - vmr->vm_base + vmr->vm_foff) >> PGSHIFT;
934                 /* TODO: need some sort of lock on the file to deal with someone
935                  * concurrently shrinking it.  Adding 1 to f_idx, since it is
936                  * zero-indexed */
937                 if (f_idx + 1 > nr_pages(vmr->vm_file->f_dentry->d_inode->i_size)) {
938                         /* We're asking for pages that don't exist in the file */
939                         /* TODO: unlock the file */
940                         ret = -ESPIPE; /* linux sends a SIGBUS at access time */
941                         goto out;
942                 }
943                 ret = pm_load_page_nowait(vmr->vm_file->f_mapping, f_idx, &a_page);
944                 if (ret) {
945                         if (ret != -EAGAIN)
946                                 goto out;
947                         /* keep the file alive after we unlock */
948                         kref_get(&vmr->vm_file->f_kref, 1);
949                         spin_unlock(&p->vmr_lock);
950                         ret = __hpf_load_page(p, vmr->vm_file->f_mapping, f_idx, &a_page,
951                                               first);
952                         first = FALSE;
953                         kref_put(&vmr->vm_file->f_kref);
954                         if (ret)
955                                 return ret;
956                         goto refault;
957                 }
958                 /* If we want a private map, we'll preemptively give you a new page.  We
959                  * used to just care if it was private and writable, but were running
960                  * into issues with libc changing its mapping (map private, then
961                  * mprotect to writable...)  In the future, we want to CoW this anyway,
962                  * so it's not a big deal. */
963                 if ((vmr->vm_flags & MAP_PRIVATE)) {
964                         ret = __copy_and_swap_pmpg(p, &a_page);
965                         if (ret)
966                                 goto out_put_pg;
967                 }
968                 /* if this is an executable page, we might have to flush the instruction
969                  * cache if our HW requires it. */
970                 if (vmr->vm_prot & PROT_EXEC)
971                         icache_flush_page((void*)va, page2kva(a_page));
972         }
973         /* update the page table TODO: careful with MAP_PRIVATE etc.  might do this
974          * separately (file, no file) */
975         int pte_prot = (vmr->vm_prot & PROT_WRITE) ? PTE_USER_RW :
976                        (vmr->vm_prot & (PROT_READ|PROT_EXEC)) ? PTE_USER_RO : 0;
977         ret = map_page_at_addr(p, a_page, va, pte_prot);
978         /* fall through, even for errors */
979 out_put_pg:
980         /* the VMR's existence in the PM (via the mmap) allows us to have PTE point
981          * to a_page without it magically being reallocated.  For non-PM memory
982          * (anon memory or private pages) we transferred the ref to the PTE. */
983         if (atomic_read(&a_page->pg_flags) & PG_PAGEMAP)
984                 pm_put_page(a_page);
985 out:
986         spin_unlock(&p->vmr_lock);
987         return ret;
988 }
989
990 /* Kernel Dynamic Memory Mappings */
991 uintptr_t dyn_vmap_llim = KERN_DYN_TOP;
992 spinlock_t dyn_vmap_lock = SPINLOCK_INITIALIZER;
993
994 /* Reserve space in the kernel dynamic memory map area */
995 uintptr_t get_vmap_segment(unsigned long num_pages)
996 {
997         uintptr_t retval;
998         spin_lock(&dyn_vmap_lock);
999         retval = dyn_vmap_llim - num_pages * PGSIZE;
1000         if ((retval > ULIM) && (retval < KERN_DYN_TOP)) {
1001                 dyn_vmap_llim = retval;
1002         } else {
1003                 warn("[kernel] dynamic mapping failed!");
1004                 retval = 0;
1005         }
1006         spin_unlock(&dyn_vmap_lock);
1007         return retval;
1008 }
1009
1010 /* Give up your space.  Note this isn't supported yet */
1011 uintptr_t put_vmap_segment(uintptr_t vaddr, unsigned long num_pages)
1012 {
1013         /* TODO: use vmem regions for adjustable vmap segments */
1014         warn("Not implemented, leaking vmem space.\n");
1015         return 0;
1016 }
1017
1018 /* Map a virtual address chunk to physical addresses.  Make sure you got a vmap
1019  * segment before actually trying to do the mapping.
1020  *
1021  * Careful with more than one 'page', since it will assume your physical pages
1022  * are also contiguous.  Most callers will only use one page.
1023  *
1024  * Finally, note that this does not care whether or not there are real pages
1025  * being mapped, and will not attempt to incref your page (if there is such a
1026  * thing).  Handle your own refcnting for pages. */
1027 int map_vmap_segment(uintptr_t vaddr, uintptr_t paddr, unsigned long num_pages,
1028                      int perm)
1029 {
1030         /* For now, we only handle the root pgdir, and not any of the other ones
1031          * (like for processes).  To do so, we'll need to insert into every pgdir,
1032          * and send tlb shootdowns to those that are active (which we don't track
1033          * yet). */
1034         extern int booting;
1035         assert(booting);
1036
1037         /* TODO: (MM) you should lock on boot pgdir modifications.  A vm region lock
1038          * isn't enough, since there might be a race on outer levels of page tables.
1039          * For now, we'll just use the dyn_vmap_lock (which technically works). */
1040         spin_lock(&dyn_vmap_lock);
1041         pte_t *pte;
1042 #ifdef CONFIG_X86
1043         perm |= PTE_G;
1044 #endif
1045         for (int i = 0; i < num_pages; i++) {
1046                 pte = pgdir_walk(boot_pgdir, (void*)(vaddr + i * PGSIZE), 1);
1047                 if (!pte) {
1048                         spin_unlock(&dyn_vmap_lock);
1049                         return -ENOMEM;
1050                 }
1051                 /* You probably should have unmapped first */
1052                 if (*pte)
1053                         warn("Existing PTE value %p\n", *pte);
1054                 *pte = PTE(pa2ppn(paddr + i * PGSIZE), perm);
1055         }
1056         spin_unlock(&dyn_vmap_lock);
1057         return 0;
1058 }
1059
1060 /* Unmaps / 0's the PTEs of a chunk of vaddr space */
1061 int unmap_vmap_segment(uintptr_t vaddr, unsigned long num_pages)
1062 {
1063         /* Not a big deal - won't need this til we do something with kthreads */
1064         warn("Incomplete, don't call this yet.");
1065         spin_lock(&dyn_vmap_lock);
1066         /* TODO: For all pgdirs */
1067         pte_t *pte;
1068         for (int i = 0; i < num_pages; i++) {
1069                 pte = pgdir_walk(boot_pgdir, (void*)(vaddr + i * PGSIZE), 1);
1070                 *pte = 0;
1071         }
1072         /* TODO: TLB shootdown.  Also note that the global flag is set on the PTE
1073          * (for x86 for now), which requires a global shootdown.  bigger issue is
1074          * the TLB shootdowns for multiple pgdirs.  We'll need to remove from every
1075          * pgdir, and send tlb shootdowns to those that are active (which we don't
1076          * track yet). */
1077         spin_unlock(&dyn_vmap_lock);
1078         return 0;
1079 }
1080
1081 uintptr_t vmap_pmem(uintptr_t paddr, size_t nr_bytes)
1082 {
1083         uintptr_t vaddr;
1084         unsigned long nr_pages = ROUNDUP(nr_bytes, PGSIZE) >> PGSHIFT;
1085         assert(nr_bytes && paddr);
1086         vaddr = get_vmap_segment(nr_pages);
1087         if (!vaddr) {
1088                 warn("Unable to get a vmap segment");   /* probably a bug */
1089                 return 0;
1090         }
1091         if (map_vmap_segment(vaddr, paddr, nr_pages, PTE_P | PTE_KERN_RW)) {
1092                 warn("Unable to map a vmap segment");   /* probably a bug */
1093                 return 0;
1094         }
1095         return vaddr;
1096 }
1097
1098 int vunmap_vmem(uintptr_t vaddr, size_t nr_bytes)
1099 {
1100         unsigned long nr_pages = ROUNDUP(nr_bytes, PGSIZE) >> PGSHIFT;
1101         unmap_vmap_segment(vaddr, nr_pages);
1102         put_vmap_segment(vaddr, nr_pages);
1103         return 0;
1104 }