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x86/pv: Fix consistency of 64bit segment bases
authorAndrew Cooper <andrew.cooper3@citrix.com>
Tue, 11 Aug 2020 15:05:06 +0000 (16:05 +0100)
committerAndrew Cooper <andrew.cooper3@citrix.com>
Mon, 7 Sep 2020 10:32:34 +0000 (11:32 +0100)
The comments in save_segments(), _toggle_guest_pt() and write_cr() are false.
The %fs and %gs bases can be updated at any time by the guest.

As a consequence, Xen's fs_base/etc tracking state is always stale when the
vcpu is in context, and must not be used to complete MSR_{FS,GS}_BASE reads, etc.

In particular, a sequence such as:

  wrmsr(MSR_FS_BASE, 0x1ull << 32);
  write_fs(__USER_DS);
  base = rdmsr(MSR_FS_BASE);

will return the stale base, not the new base.  This may cause guest a guest
kernel's context switching of userspace to malfunction.

Therefore:
 * Update save_segments(), _toggle_guest_pt() and read_msr() to always read
   the segment bases from hardware.
 * Update write_cr(), write_msr() and do_set_segment_base() to not not waste
   time caching data which is instantly going to become stale again.
 * Provide comments explaining when the tracking state is and isn't stale.

This bug has been present for 14 years, but several bugfixes since have built
on and extended the original flawed logic.

Fixes: ba9adb737ba ("Apply stricter checking to RDMSR/WRMSR emulations.")
Fixes: c42494acb2f ("x86: fix FS/GS base handling when using the fsgsbase feature")
Fixed: eccc170053e ("x86/pv: Don't have %cr4.fsgsbase active behind a guest kernels back")
Signed-off-by: Andrew Cooper <andrew.cooper3@citrix.com>
Reviewed-by: Jan Beulich <jbeulich@suse.com>
xen/arch/x86/domain.c
xen/arch/x86/pv/domain.c
xen/arch/x86/pv/emul-priv-op.c
xen/arch/x86/x86_64/mm.c
xen/include/asm-x86/domain.h

index 66975d5f2c3cd34cceea8abdec5b94a98bd0b4eb..f479bc6857b4a4fc6a9167bd9a93e2ab0bdef25f 100644 (file)
@@ -1728,6 +1728,16 @@ static void load_segments(struct vcpu *n)
     }
 }
 
+/*
+ * Record all guest segment state.  The guest can load segment selectors
+ * without trapping, which will also alter the 64bit FS/GS bases.  Arbitrary
+ * changes to bases can also be made with the WR{FS,GS}BASE instructions, when
+ * enabled.
+ *
+ * Guests however cannot use SWAPGS, so there is no mechanism to modify the
+ * inactive GS base behind Xen's back.  Therefore, Xen's copy of the inactive
+ * GS base is still accurate, and doesn't need reading back from hardware.
+ */
 static void save_segments(struct vcpu *v)
 {
     struct cpu_user_regs *regs = &v->arch.user_regs;
@@ -1738,14 +1748,15 @@ static void save_segments(struct vcpu *v)
     regs->fs = read_sreg(fs);
     regs->gs = read_sreg(gs);
 
-    /* %fs/%gs bases can only be stale if WR{FS,GS}BASE are usable. */
-    if ( (read_cr4() & X86_CR4_FSGSBASE) && !is_pv_32bit_vcpu(v) )
+    if ( !is_pv_32bit_vcpu(v) )
     {
-        v->arch.pv.fs_base = __rdfsbase();
+        unsigned long gs_base = rdgsbase();
+
+        v->arch.pv.fs_base = rdfsbase();
         if ( v->arch.flags & TF_kernel_mode )
-            v->arch.pv.gs_base_kernel = __rdgsbase();
+            v->arch.pv.gs_base_kernel = gs_base;
         else
-            v->arch.pv.gs_base_user = __rdgsbase();
+            v->arch.pv.gs_base_user = gs_base;
     }
 
     if ( regs->ds )
index ec5a7d2dcae7d80235d65322e96a8332bf14ac48..44e4ea2582701a3446d5fe218b11ec02819ea257 100644 (file)
@@ -444,17 +444,19 @@ static void _toggle_guest_pt(struct vcpu *v)
 void toggle_guest_mode(struct vcpu *v)
 {
     const struct domain *d = v->domain;
+    unsigned long gs_base;
 
     ASSERT(!is_pv_32bit_vcpu(v));
 
-    /* %fs/%gs bases can only be stale if WR{FS,GS}BASE are usable. */
-    if ( read_cr4() & X86_CR4_FSGSBASE )
-    {
-        if ( v->arch.flags & TF_kernel_mode )
-            v->arch.pv.gs_base_kernel = __rdgsbase();
-        else
-            v->arch.pv.gs_base_user = __rdgsbase();
-    }
+    /*
+     * Update the cached value of the GS base about to become inactive, as a
+     * subsequent context switch won't bother re-reading it.
+     */
+    gs_base = rdgsbase();
+    if ( v->arch.flags & TF_kernel_mode )
+        v->arch.pv.gs_base_kernel = gs_base;
+    else
+        v->arch.pv.gs_base_user = gs_base;
     asm volatile ( "swapgs" );
 
     _toggle_guest_pt(v);
index bcc1188f6a164d7effdb290ea7cb9c8bbad8d568..a192160f847e86a27076bfabb73bb9f3f9bb2dee 100644 (file)
@@ -801,17 +801,6 @@ static int write_cr(unsigned int reg, unsigned long val,
     }
 
     case 4: /* Write CR4 */
-        /*
-         * If this write will disable FSGSBASE, refresh Xen's idea of the
-         * guest bases now that they can no longer change.
-         */
-        if ( (curr->arch.pv.ctrlreg[4] & X86_CR4_FSGSBASE) &&
-             !(val & X86_CR4_FSGSBASE) )
-        {
-            curr->arch.pv.fs_base = __rdfsbase();
-            curr->arch.pv.gs_base_kernel = __rdgsbase();
-        }
-
         curr->arch.pv.ctrlreg[4] = pv_fixup_guest_cr4(curr, val);
         write_cr4(pv_make_cr4(curr));
         ctxt_switch_levelling(curr);
@@ -882,15 +871,13 @@ static int read_msr(unsigned int reg, uint64_t *val,
     case MSR_FS_BASE:
         if ( is_pv_32bit_domain(currd) )
             break;
-        *val = (read_cr4() & X86_CR4_FSGSBASE) ? __rdfsbase()
-                                               : curr->arch.pv.fs_base;
+        *val = rdfsbase();
         return X86EMUL_OKAY;
 
     case MSR_GS_BASE:
         if ( is_pv_32bit_domain(currd) )
             break;
-        *val = (read_cr4() & X86_CR4_FSGSBASE) ? __rdgsbase()
-                                               : curr->arch.pv.gs_base_kernel;
+        *val = rdgsbase();
         return X86EMUL_OKAY;
 
     case MSR_SHADOW_GS_BASE:
@@ -1007,14 +994,12 @@ static int write_msr(unsigned int reg, uint64_t val,
         if ( is_pv_32bit_domain(currd) || !is_canonical_address(val) )
             break;
         wrfsbase(val);
-        curr->arch.pv.fs_base = val;
         return X86EMUL_OKAY;
 
     case MSR_GS_BASE:
         if ( is_pv_32bit_domain(currd) || !is_canonical_address(val) )
             break;
         wrgsbase(val);
-        curr->arch.pv.gs_base_kernel = val;
         return X86EMUL_OKAY;
 
     case MSR_SHADOW_GS_BASE:
index 28bc98f8f2dcbe465a31e9b4d847eb3ae8e3595a..b69cf2dc4fb7c15fa124a96c809c61fb99f39112 100644 (file)
@@ -1030,10 +1030,7 @@ long do_set_segment_base(unsigned int which, unsigned long base)
     {
     case SEGBASE_FS:
         if ( is_canonical_address(base) )
-        {
             wrfsbase(base);
-            v->arch.pv.fs_base = base;
-        }
         else
             ret = -EINVAL;
         break;
@@ -1050,10 +1047,7 @@ long do_set_segment_base(unsigned int which, unsigned long base)
 
     case SEGBASE_GS_KERNEL:
         if ( is_canonical_address(base) )
-        {
             wrgsbase(base);
-            v->arch.pv.gs_base_kernel = base;
-        }
         else
             ret = -EINVAL;
         break;
index 5fb347a94ceb9b096abbd62105724470373b8b6f..df657dc69f86062a5b686a1da4fef29dd1816546 100644 (file)
@@ -527,7 +527,24 @@ struct pv_vcpu
     bool_t syscall32_disables_events;
     bool_t sysenter_disables_events;
 
-    /* Segment base addresses. */
+    /*
+     * 64bit segment bases.
+     *
+     * FS and the active GS are always stale when the vCPU is in context, as
+     * the guest can change them behind Xen's back with MOV SREG, or
+     * WR{FS,GS}BASE on capable hardware.
+     *
+     * The inactive GS base is never stale, as guests can't use SWAPGS to
+     * access it - all modification is performed by Xen either directly
+     * (hypercall, #GP emulation), or indirectly (toggle_guest_mode()).
+     *
+     * The vCPU context switch path is optimised based on this fact, so any
+     * path updating or swapping the inactive base must update the cached
+     * value as well.
+     *
+     * Which GS base is active and inactive depends on whether the vCPU is in
+     * user or kernel context.
+     */
     unsigned long fs_base;
     unsigned long gs_base_kernel;
     unsigned long gs_base_user;