selftests/x86: Test the FSBASE/GSBASE API and context switching
authorAndy Lutomirski <luto@kernel.org>
Fri, 8 Apr 2016 00:31:44 +0000 (17:31 -0700)
committerIngo Molnar <mingo@kernel.org>
Wed, 13 Apr 2016 08:20:41 +0000 (10:20 +0200)
This catches two distinct bugs in the current code.  I'll fix them.

Signed-off-by: Andy Lutomirski <luto@kernel.org>
Reviewed-by: Borislav Petkov <bp@suse.de>
Cc: Andy Lutomirski <luto@amacapital.net>
Cc: Borislav Petkov <bp@alien8.de>
Cc: Brian Gerst <brgerst@gmail.com>
Cc: Denys Vlasenko <dvlasenk@redhat.com>
Cc: H. Peter Anvin <hpa@zytor.com>
Cc: Linus Torvalds <torvalds@linux-foundation.org>
Cc: Peter Zijlstra <peterz@infradead.org>
Cc: Rudolf Marek <r.marek@assembler.cz>
Cc: Thomas Gleixner <tglx@linutronix.de>
Link: http://lkml.kernel.org/r/7e5941148d1e2199f070dadcdf7355959f5f8e85.1460075211.git.luto@kernel.org
Signed-off-by: Ingo Molnar <mingo@kernel.org>
tools/testing/selftests/x86/Makefile
tools/testing/selftests/x86/fsgsbase.c [new file with mode: 0644]

index b47ebd1..c73425d 100644 (file)
@@ -9,6 +9,7 @@ TARGETS_C_BOTHBITS := single_step_syscall sysret_ss_attrs syscall_nt ptrace_sysc
 TARGETS_C_32BIT_ONLY := entry_from_vm86 syscall_arg_fault test_syscall_vdso unwind_vdso \
                        test_FCMOV test_FCOMI test_FISTTP \
                        vdso_restorer
+TARGETS_C_64BIT_ONLY := fsgsbase
 
 TARGETS_C_32BIT_ALL := $(TARGETS_C_BOTHBITS) $(TARGETS_C_32BIT_ONLY)
 TARGETS_C_64BIT_ALL := $(TARGETS_C_BOTHBITS) $(TARGETS_C_64BIT_ONLY)
diff --git a/tools/testing/selftests/x86/fsgsbase.c b/tools/testing/selftests/x86/fsgsbase.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..5b2b4b3
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,398 @@
+/*
+ * fsgsbase.c, an fsgsbase test
+ * Copyright (c) 2014-2016 Andy Lutomirski
+ * GPL v2
+ */
+
+#define _GNU_SOURCE
+#include <stdio.h>
+#include <stdlib.h>
+#include <stdbool.h>
+#include <string.h>
+#include <sys/syscall.h>
+#include <unistd.h>
+#include <err.h>
+#include <sys/user.h>
+#include <asm/prctl.h>
+#include <sys/prctl.h>
+#include <signal.h>
+#include <limits.h>
+#include <sys/ucontext.h>
+#include <sched.h>
+#include <linux/futex.h>
+#include <pthread.h>
+#include <asm/ldt.h>
+#include <sys/mman.h>
+
+#ifndef __x86_64__
+# error This test is 64-bit only
+#endif
+
+static volatile sig_atomic_t want_segv;
+static volatile unsigned long segv_addr;
+
+static int nerrs;
+
+static void sethandler(int sig, void (*handler)(int, siginfo_t *, void *),
+                      int flags)
+{
+       struct sigaction sa;
+       memset(&sa, 0, sizeof(sa));
+       sa.sa_sigaction = handler;
+       sa.sa_flags = SA_SIGINFO | flags;
+       sigemptyset(&sa.sa_mask);
+       if (sigaction(sig, &sa, 0))
+               err(1, "sigaction");
+}
+
+static void clearhandler(int sig)
+{
+       struct sigaction sa;
+       memset(&sa, 0, sizeof(sa));
+       sa.sa_handler = SIG_DFL;
+       sigemptyset(&sa.sa_mask);
+       if (sigaction(sig, &sa, 0))
+               err(1, "sigaction");
+}
+
+static void sigsegv(int sig, siginfo_t *si, void *ctx_void)
+{
+       ucontext_t *ctx = (ucontext_t*)ctx_void;
+
+       if (!want_segv) {
+               clearhandler(SIGSEGV);
+               return;  /* Crash cleanly. */
+       }
+
+       want_segv = false;
+       segv_addr = (unsigned long)si->si_addr;
+
+       ctx->uc_mcontext.gregs[REG_RIP] += 4;   /* Skip the faulting mov */
+
+}
+
+enum which_base { FS, GS };
+
+static unsigned long read_base(enum which_base which)
+{
+       unsigned long offset;
+       /*
+        * Unless we have FSGSBASE, there's no direct way to do this from
+        * user mode.  We can get at it indirectly using signals, though.
+        */
+
+       want_segv = true;
+
+       offset = 0;
+       if (which == FS) {
+               /* Use a constant-length instruction here. */
+               asm volatile ("mov %%fs:(%%rcx), %%rax" : : "c" (offset) : "rax");
+       } else {
+               asm volatile ("mov %%gs:(%%rcx), %%rax" : : "c" (offset) : "rax");
+       }
+       if (!want_segv)
+               return segv_addr + offset;
+
+       /*
+        * If that didn't segfault, try the other end of the address space.
+        * Unless we get really unlucky and run into the vsyscall page, this
+        * is guaranteed to segfault.
+        */
+
+       offset = (ULONG_MAX >> 1) + 1;
+       if (which == FS) {
+               asm volatile ("mov %%fs:(%%rcx), %%rax"
+                             : : "c" (offset) : "rax");
+       } else {
+               asm volatile ("mov %%gs:(%%rcx), %%rax"
+                             : : "c" (offset) : "rax");
+       }
+       if (!want_segv)
+               return segv_addr + offset;
+
+       abort();
+}
+
+static void check_gs_value(unsigned long value)
+{
+       unsigned long base;
+       unsigned short sel;
+
+       printf("[RUN]\tARCH_SET_GS to 0x%lx\n", value);
+       if (syscall(SYS_arch_prctl, ARCH_SET_GS, value) != 0)
+               err(1, "ARCH_SET_GS");
+
+       asm volatile ("mov %%gs, %0" : "=rm" (sel));
+       base = read_base(GS);
+       if (base == value) {
+               printf("[OK]\tGSBASE was set as expected (selector 0x%hx)\n",
+                      sel);
+       } else {
+               nerrs++;
+               printf("[FAIL]\tGSBASE was not as expected: got 0x%lx (selector 0x%hx)\n",
+                      base, sel);
+       }
+
+       if (syscall(SYS_arch_prctl, ARCH_GET_GS, &base) != 0)
+               err(1, "ARCH_GET_GS");
+       if (base == value) {
+               printf("[OK]\tARCH_GET_GS worked as expected (selector 0x%hx)\n",
+                      sel);
+       } else {
+               nerrs++;
+               printf("[FAIL]\tARCH_GET_GS was not as expected: got 0x%lx (selector 0x%hx)\n",
+                      base, sel);
+       }
+}
+
+static void mov_0_gs(unsigned long initial_base, bool schedule)
+{
+       unsigned long base, arch_base;
+
+       printf("[RUN]\tARCH_SET_GS to 0x%lx then mov 0 to %%gs%s\n", initial_base, schedule ? " and schedule " : "");
+       if (syscall(SYS_arch_prctl, ARCH_SET_GS, initial_base) != 0)
+               err(1, "ARCH_SET_GS");
+
+       if (schedule)
+               usleep(10);
+
+       asm volatile ("mov %0, %%gs" : : "rm" (0));
+       base = read_base(GS);
+       if (syscall(SYS_arch_prctl, ARCH_GET_GS, &arch_base) != 0)
+               err(1, "ARCH_GET_GS");
+       if (base == arch_base) {
+               printf("[OK]\tGSBASE is 0x%lx\n", base);
+       } else {
+               nerrs++;
+               printf("[FAIL]\tGSBASE changed to 0x%lx but kernel reports 0x%lx\n", base, arch_base);
+       }
+}
+
+static volatile unsigned long remote_base;
+static volatile bool remote_hard_zero;
+static volatile unsigned int ftx;
+
+/*
+ * ARCH_SET_FS/GS(0) may or may not program a selector of zero.  HARD_ZERO
+ * means to force the selector to zero to improve test coverage.
+ */
+#define HARD_ZERO 0xa1fa5f343cb85fa4
+
+static void do_remote_base()
+{
+       unsigned long to_set = remote_base;
+       bool hard_zero = false;
+       if (to_set == HARD_ZERO) {
+               to_set = 0;
+               hard_zero = true;
+       }
+
+       if (syscall(SYS_arch_prctl, ARCH_SET_GS, to_set) != 0)
+               err(1, "ARCH_SET_GS");
+
+       if (hard_zero)
+               asm volatile ("mov %0, %%gs" : : "rm" ((unsigned short)0));
+
+       unsigned short sel;
+       asm volatile ("mov %%gs, %0" : "=rm" (sel));
+       printf("\tother thread: ARCH_SET_GS(0x%lx)%s -- sel is 0x%hx\n",
+              to_set, hard_zero ? " and clear gs" : "", sel);
+}
+
+void do_unexpected_base(void)
+{
+       /*
+        * The goal here is to try to arrange for GS == 0, GSBASE !=
+        * 0, and for the the kernel the think that GSBASE == 0.
+        *
+        * To make the test as reliable as possible, this uses
+        * explicit descriptorss.  (This is not the only way.  This
+        * could use ARCH_SET_GS with a low, nonzero base, but the
+        * relevant side effect of ARCH_SET_GS could change.)
+        */
+
+       /* Step 1: tell the kernel that we have GSBASE == 0. */
+       if (syscall(SYS_arch_prctl, ARCH_SET_GS, 0) != 0)
+               err(1, "ARCH_SET_GS");
+
+       /* Step 2: change GSBASE without telling the kernel. */
+       struct user_desc desc = {
+               .entry_number    = 0,
+               .base_addr       = 0xBAADF00D,
+               .limit           = 0xfffff,
+               .seg_32bit       = 1,
+               .contents        = 0, /* Data, grow-up */
+               .read_exec_only  = 0,
+               .limit_in_pages  = 1,
+               .seg_not_present = 0,
+               .useable         = 0
+       };
+       if (syscall(SYS_modify_ldt, 1, &desc, sizeof(desc)) == 0) {
+               printf("\tother thread: using LDT slot 0\n");
+               asm volatile ("mov %0, %%gs" : : "rm" ((unsigned short)0x7));
+       } else {
+               /* No modify_ldt for us (configured out, perhaps) */
+
+               struct user_desc *low_desc = mmap(
+                       NULL, sizeof(desc),
+                       PROT_READ | PROT_WRITE,
+                       MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS | MAP_32BIT, -1, 0);
+               memcpy(low_desc, &desc, sizeof(desc));
+
+               low_desc->entry_number = -1;
+
+               /* 32-bit set_thread_area */
+               long ret;
+               asm volatile ("int $0x80"
+                             : "=a" (ret) : "a" (243), "b" (low_desc)
+                             : "flags");
+               memcpy(&desc, low_desc, sizeof(desc));
+               munmap(low_desc, sizeof(desc));
+
+               if (ret != 0) {
+                       printf("[NOTE]\tcould not create a segment -- test won't do anything\n");
+                       return;
+               }
+               printf("\tother thread: using GDT slot %d\n", desc.entry_number);
+               asm volatile ("mov %0, %%gs" : : "rm" ((unsigned short)((desc.entry_number << 3) | 0x3)));
+       }
+
+       /*
+        * Step 3: set the selector back to zero.  On AMD chips, this will
+        * preserve GSBASE.
+        */
+
+       asm volatile ("mov %0, %%gs" : : "rm" ((unsigned short)0));
+}
+
+static void *threadproc(void *ctx)
+{
+       while (1) {
+               while (ftx == 0)
+                       syscall(SYS_futex, &ftx, FUTEX_WAIT, 0, NULL, NULL, 0);
+               if (ftx == 3)
+                       return NULL;
+
+               if (ftx == 1)
+                       do_remote_base();
+               else if (ftx == 2)
+                       do_unexpected_base();
+               else
+                       errx(1, "helper thread got bad command");
+
+               ftx = 0;
+               syscall(SYS_futex, &ftx, FUTEX_WAKE, 0, NULL, NULL, 0);
+       }
+}
+
+static void set_gs_and_switch_to(unsigned long local, unsigned long remote)
+{
+       unsigned long base;
+
+       bool hard_zero = false;
+       if (local == HARD_ZERO) {
+               hard_zero = true;
+               local = 0;
+       }
+
+       printf("[RUN]\tARCH_SET_GS(0x%lx)%s, then schedule to 0x%lx\n",
+              local, hard_zero ? " and clear gs" : "", remote);
+       if (syscall(SYS_arch_prctl, ARCH_SET_GS, local) != 0)
+               err(1, "ARCH_SET_GS");
+       if (hard_zero)
+               asm volatile ("mov %0, %%gs" : : "rm" ((unsigned short)0));
+
+       if (read_base(GS) != local) {
+               nerrs++;
+               printf("[FAIL]\tGSBASE wasn't set as expected\n");
+       }
+
+       remote_base = remote;
+       ftx = 1;
+       syscall(SYS_futex, &ftx, FUTEX_WAKE, 0, NULL, NULL, 0);
+       while (ftx != 0)
+               syscall(SYS_futex, &ftx, FUTEX_WAIT, 1, NULL, NULL, 0);
+
+       base = read_base(GS);
+       if (base == local) {
+               printf("[OK]\tGSBASE remained 0x%lx\n", local);
+       } else {
+               nerrs++;
+               printf("[FAIL]\tGSBASE changed to 0x%lx\n", base);
+       }
+}
+
+static void test_unexpected_base(void)
+{
+       unsigned long base;
+
+       printf("[RUN]\tARCH_SET_GS(0), clear gs, then manipulate GSBASE in a different thread\n");
+       if (syscall(SYS_arch_prctl, ARCH_SET_GS, 0) != 0)
+               err(1, "ARCH_SET_GS");
+       asm volatile ("mov %0, %%gs" : : "rm" ((unsigned short)0));
+
+       ftx = 2;
+       syscall(SYS_futex, &ftx, FUTEX_WAKE, 0, NULL, NULL, 0);
+       while (ftx != 0)
+               syscall(SYS_futex, &ftx, FUTEX_WAIT, 1, NULL, NULL, 0);
+
+       base = read_base(GS);
+       if (base == 0) {
+               printf("[OK]\tGSBASE remained 0\n");
+       } else {
+               nerrs++;
+               printf("[FAIL]\tGSBASE changed to 0x%lx\n", base);
+       }
+}
+
+int main()
+{
+       pthread_t thread;
+
+       sethandler(SIGSEGV, sigsegv, 0);
+
+       check_gs_value(0);
+       check_gs_value(1);
+       check_gs_value(0x200000000);
+       check_gs_value(0);
+       check_gs_value(0x200000000);
+       check_gs_value(1);
+
+       for (int sched = 0; sched < 2; sched++) {
+               mov_0_gs(0, !!sched);
+               mov_0_gs(1, !!sched);
+               mov_0_gs(0x200000000, !!sched);
+       }
+
+       /* Set up for multithreading. */
+
+       cpu_set_t cpuset;
+       CPU_ZERO(&cpuset);
+       CPU_SET(0, &cpuset);
+       if (sched_setaffinity(0, sizeof(cpuset), &cpuset) != 0)
+               err(1, "sched_setaffinity to CPU 0");   /* should never fail */
+
+       if (pthread_create(&thread, 0, threadproc, 0) != 0)
+               err(1, "pthread_create");
+
+       static unsigned long bases_with_hard_zero[] = {
+               0, HARD_ZERO, 1, 0x200000000,
+       };
+
+       for (int local = 0; local < 4; local++) {
+               for (int remote = 0; remote < 4; remote++) {
+                       set_gs_and_switch_to(bases_with_hard_zero[local],
+                                            bases_with_hard_zero[remote]);
+               }
+       }
+
+       test_unexpected_base();
+
+       ftx = 3;  /* Kill the thread. */
+       syscall(SYS_futex, &ftx, FUTEX_WAKE, 0, NULL, NULL, 0);
+
+       if (pthread_join(thread, NULL) != 0)
+               err(1, "pthread_join");
+
+       return nerrs == 0 ? 0 : 1;
+}