]> git.ipfire.org Git - thirdparty/kernel/linux.git/commitdiff
x86/mm: Add global ASID allocation helper functions
authorRik van Riel <riel@surriel.com>
Wed, 26 Feb 2025 03:00:42 +0000 (22:00 -0500)
committerIngo Molnar <mingo@kernel.org>
Wed, 19 Mar 2025 10:12:29 +0000 (11:12 +0100)
Add functions to manage global ASID space. Multithreaded processes that are
simultaneously active on 4 or more CPUs can get a global ASID, resulting in the
same PCID being used for that process on every CPU.

This in turn will allow the kernel to use hardware-assisted TLB flushing
through AMD INVLPGB or Intel RAR for these processes.

  [ bp:
   - Extend use_global_asid() comment
   - s/X86_BROADCAST_TLB_FLUSH/BROADCAST_TLB_FLUSH/g
   - other touchups ]

Signed-off-by: Rik van Riel <riel@surriel.com>
Signed-off-by: Borislav Petkov (AMD) <bp@alien8.de>
Signed-off-by: Ingo Molnar <mingo@kernel.org>
Link: https://lore.kernel.org/r/20250226030129.530345-8-riel@surriel.com
arch/x86/include/asm/mmu.h
arch/x86/include/asm/mmu_context.h
arch/x86/include/asm/tlbflush.h
arch/x86/mm/tlb.c

index 3b496cdcb74b3c628b07045a24d6983bd52c6a7a..8b8055a8eb9ee5a76a0625cdf992f1cd3a2db55a 100644 (file)
@@ -69,6 +69,18 @@ typedef struct {
        u16 pkey_allocation_map;
        s16 execute_only_pkey;
 #endif
+
+#ifdef CONFIG_BROADCAST_TLB_FLUSH
+       /*
+        * The global ASID will be a non-zero value when the process has
+        * the same ASID across all CPUs, allowing it to make use of
+        * hardware-assisted remote TLB invalidation like AMD INVLPGB.
+        */
+       u16 global_asid;
+
+       /* The process is transitioning to a new global ASID number. */
+       bool asid_transition;
+#endif
 } mm_context_t;
 
 #define INIT_MM_CONTEXT(mm)                                            \
index 795fdd53bd0a6d587499e564fe23bc472be525d3..a2c70e495b1b184fdc925f793fdabf877e751b7b 100644 (file)
@@ -139,6 +139,8 @@ static inline void mm_reset_untag_mask(struct mm_struct *mm)
 #define enter_lazy_tlb enter_lazy_tlb
 extern void enter_lazy_tlb(struct mm_struct *mm, struct task_struct *tsk);
 
+extern void mm_free_global_asid(struct mm_struct *mm);
+
 /*
  * Init a new mm.  Used on mm copies, like at fork()
  * and on mm's that are brand-new, like at execve().
index 855c13da2045a71f18f33875c6c790171d74de8f..f7b374bcdc0b5d7ca273971848a689682df439c7 100644 (file)
@@ -6,6 +6,7 @@
 #include <linux/mmu_notifier.h>
 #include <linux/sched.h>
 
+#include <asm/barrier.h>
 #include <asm/processor.h>
 #include <asm/cpufeature.h>
 #include <asm/special_insns.h>
@@ -234,6 +235,42 @@ void flush_tlb_one_kernel(unsigned long addr);
 void flush_tlb_multi(const struct cpumask *cpumask,
                      const struct flush_tlb_info *info);
 
+static inline bool is_dyn_asid(u16 asid)
+{
+       return asid < TLB_NR_DYN_ASIDS;
+}
+
+#ifdef CONFIG_BROADCAST_TLB_FLUSH
+static inline u16 mm_global_asid(struct mm_struct *mm)
+{
+       u16 asid;
+
+       if (!cpu_feature_enabled(X86_FEATURE_INVLPGB))
+               return 0;
+
+       asid = smp_load_acquire(&mm->context.global_asid);
+
+       /* mm->context.global_asid is either 0, or a global ASID */
+       VM_WARN_ON_ONCE(asid && is_dyn_asid(asid));
+
+       return asid;
+}
+
+static inline void mm_assign_global_asid(struct mm_struct *mm, u16 asid)
+{
+       /*
+        * Notably flush_tlb_mm_range() -> broadcast_tlb_flush() ->
+        * finish_asid_transition() needs to observe asid_transition = true
+        * once it observes global_asid.
+        */
+       mm->context.asid_transition = true;
+       smp_store_release(&mm->context.global_asid, asid);
+}
+#else
+static inline u16 mm_global_asid(struct mm_struct *mm) { return 0; }
+static inline void mm_assign_global_asid(struct mm_struct *mm, u16 asid) { }
+#endif /* CONFIG_BROADCAST_TLB_FLUSH */
+
 #ifdef CONFIG_PARAVIRT
 #include <asm/paravirt.h>
 #endif
index 76b4a88afb56390936b24b90096a212714068211..6c24d967b77d3e99042e8bd467efc4b670a1dc10 100644 (file)
  * use different names for each of them:
  *
  * ASID  - [0, TLB_NR_DYN_ASIDS-1]
- *         the canonical identifier for an mm
+ *         the canonical identifier for an mm, dynamically allocated on each CPU
+ *         [TLB_NR_DYN_ASIDS, MAX_ASID_AVAILABLE-1]
+ *         the canonical, global identifier for an mm, identical across all CPUs
  *
- * kPCID - [1, TLB_NR_DYN_ASIDS]
+ * kPCID - [1, MAX_ASID_AVAILABLE]
  *         the value we write into the PCID part of CR3; corresponds to the
  *         ASID+1, because PCID 0 is special.
  *
- * uPCID - [2048 + 1, 2048 + TLB_NR_DYN_ASIDS]
+ * uPCID - [2048 + 1, 2048 + MAX_ASID_AVAILABLE]
  *         for KPTI each mm has two address spaces and thus needs two
  *         PCID values, but we can still do with a single ASID denomination
  *         for each mm. Corresponds to kPCID + 2048.
@@ -251,6 +253,152 @@ static void choose_new_asid(struct mm_struct *next, u64 next_tlb_gen,
        *need_flush = true;
 }
 
+/*
+ * Global ASIDs are allocated for multi-threaded processes that are
+ * active on multiple CPUs simultaneously, giving each of those
+ * processes the same PCID on every CPU, for use with hardware-assisted
+ * TLB shootdown on remote CPUs, like AMD INVLPGB or Intel RAR.
+ *
+ * These global ASIDs are held for the lifetime of the process.
+ */
+static DEFINE_RAW_SPINLOCK(global_asid_lock);
+static u16 last_global_asid = MAX_ASID_AVAILABLE;
+static DECLARE_BITMAP(global_asid_used, MAX_ASID_AVAILABLE);
+static DECLARE_BITMAP(global_asid_freed, MAX_ASID_AVAILABLE);
+static int global_asid_available = MAX_ASID_AVAILABLE - TLB_NR_DYN_ASIDS - 1;
+
+/*
+ * When the search for a free ASID in the global ASID space reaches
+ * MAX_ASID_AVAILABLE, a global TLB flush guarantees that previously
+ * freed global ASIDs are safe to re-use.
+ *
+ * This way the global flush only needs to happen at ASID rollover
+ * time, and not at ASID allocation time.
+ */
+static void reset_global_asid_space(void)
+{
+       lockdep_assert_held(&global_asid_lock);
+
+       invlpgb_flush_all_nonglobals();
+
+       /*
+        * The TLB flush above makes it safe to re-use the previously
+        * freed global ASIDs.
+        */
+       bitmap_andnot(global_asid_used, global_asid_used,
+                       global_asid_freed, MAX_ASID_AVAILABLE);
+       bitmap_clear(global_asid_freed, 0, MAX_ASID_AVAILABLE);
+
+       /* Restart the search from the start of global ASID space. */
+       last_global_asid = TLB_NR_DYN_ASIDS;
+}
+
+static u16 allocate_global_asid(void)
+{
+       u16 asid;
+
+       lockdep_assert_held(&global_asid_lock);
+
+       /* The previous allocation hit the edge of available address space */
+       if (last_global_asid >= MAX_ASID_AVAILABLE - 1)
+               reset_global_asid_space();
+
+       asid = find_next_zero_bit(global_asid_used, MAX_ASID_AVAILABLE, last_global_asid);
+
+       if (asid >= MAX_ASID_AVAILABLE && !global_asid_available) {
+               /* This should never happen. */
+               VM_WARN_ONCE(1, "Unable to allocate global ASID despite %d available\n",
+                               global_asid_available);
+               return 0;
+       }
+
+       /* Claim this global ASID. */
+       __set_bit(asid, global_asid_used);
+       last_global_asid = asid;
+       global_asid_available--;
+       return asid;
+}
+
+/*
+ * Check whether a process is currently active on more than @threshold CPUs.
+ * This is a cheap estimation on whether or not it may make sense to assign
+ * a global ASID to this process, and use broadcast TLB invalidation.
+ */
+static bool mm_active_cpus_exceeds(struct mm_struct *mm, int threshold)
+{
+       int count = 0;
+       int cpu;
+
+       /* This quick check should eliminate most single threaded programs. */
+       if (cpumask_weight(mm_cpumask(mm)) <= threshold)
+               return false;
+
+       /* Slower check to make sure. */
+       for_each_cpu(cpu, mm_cpumask(mm)) {
+               /* Skip the CPUs that aren't really running this process. */
+               if (per_cpu(cpu_tlbstate.loaded_mm, cpu) != mm)
+                       continue;
+
+               if (per_cpu(cpu_tlbstate_shared.is_lazy, cpu))
+                       continue;
+
+               if (++count > threshold)
+                       return true;
+       }
+       return false;
+}
+
+/*
+ * Assign a global ASID to the current process, protecting against
+ * races between multiple threads in the process.
+ */
+static void use_global_asid(struct mm_struct *mm)
+{
+       u16 asid;
+
+       guard(raw_spinlock_irqsave)(&global_asid_lock);
+
+       /* This process is already using broadcast TLB invalidation. */
+       if (mm_global_asid(mm))
+               return;
+
+       /*
+        * The last global ASID was consumed while waiting for the lock.
+        *
+        * If this fires, a more aggressive ASID reuse scheme might be
+        * needed.
+        */
+       if (!global_asid_available) {
+               VM_WARN_ONCE(1, "Ran out of global ASIDs\n");
+               return;
+       }
+
+       asid = allocate_global_asid();
+       if (!asid)
+               return;
+
+       mm_assign_global_asid(mm, asid);
+}
+
+void mm_free_global_asid(struct mm_struct *mm)
+{
+       if (!cpu_feature_enabled(X86_FEATURE_INVLPGB))
+               return;
+
+       if (!mm_global_asid(mm))
+               return;
+
+       guard(raw_spinlock_irqsave)(&global_asid_lock);
+
+       /* The global ASID can be re-used only after flush at wrap-around. */
+#ifdef CONFIG_BROADCAST_TLB_FLUSH
+       __set_bit(mm->context.global_asid, global_asid_freed);
+
+       mm->context.global_asid = 0;
+       global_asid_available++;
+#endif
+}
+
 /*
  * Given an ASID, flush the corresponding user ASID.  We can delay this
  * until the next time we switch to it.