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x86-64/Linuxに独自メモリ空間を勝手増設
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x86-64/Linuxに独自メモリ空間を勝手増設
1.
第七回 カーネル/VM探検隊発表 x86-64/Linuxに独自メモリ空間を勝手増設
中村 実 nminoru1975@gmail.com Twitter @nminoru_jp http://www.nminoru.jp/~nminoru/ 1
2.
自己紹介 • 某電機メーカーのサラリーマンです。 • 01~05
Java VM • 06~10 メインフレームのソフトエミュ レータ • 11 ファイルシステム 2
3.
エミュレータを高速化するに
は? • ゲストとホストでCPUが異なる計算機を想 定 – ARM、MIPS、SPARC、Alphaをx86-64上で実行 • ゲストの仮想メモリがネック – ソフトウェアでエミュレーションすると絶対 的に遅い – ホストのMMUを使ってゲストのメモリ空間を エミュレーションしましょう。 3
4.
ホストMMUをどうやって使う
か? • どうすればいい? 1. OSを自前で作る 2. OSから一部のCPUを切り離して独自コードで ブート 3. 既存のOSを改造 このLTではx86-64/Linux上で32ビットCPUを エミュレーションする勝手改造を紹介しま す 4
5.
オレオレVM • Linux仮想メモリ(VM)中に自分専用のVMを!
– https://github.com/nminoru/oleolevm/ x86風の2段のページテーブルを持つCPUを仮定 • 使い方 – /proc/oleolevm を mmap – CPU 命令のインタプリータがロード・ストア – TLB ミスフォルト・保護違反フォルトは SIGSEGV シグナル で通知 Memory Load/Store mmap CPU Interpreter /proc/oleolevm oleolevm SIGSEGV ioctol or syscall 5
6.
どのように改造するか? • Hugetlb を参考に
(`・ω・´) • vm_area_structのvm_flagsを勝手に追加 – /include/linux/mm.h #define VM_HUGETLB 0x00400000 #define VM_OLEOLETLB 0x100000000UL • VM_HUGETLBとis_vm_hugetlb_pageを手掛 かりに追加 if (is_vm_hugetlb_page(vma)) return copy_hugetlb_page_range(dst_mm, src_mm, vma); if (is_vm_oleoletlb_page(vma)) return -ENOMEM; 6
7.
Shadow Page Table(SPT)
• ゲストの仮想メモリ空間をホストのページテーブルに 組み込む。 CR3 oleolevm 0x3,000,000 Guest Virt Space PGD Page 512GB 0x2,000,000 PUD 空き4GB 1GB 写像 0x1,000,000 PMD Guest Phy Space 2MB Page PTE gCR3 ST PT 4KB 0x0,000,000 Page 7
8.
サンプルはここまでで力尽きま
した 8
9.
ゲストCR3を切り替え対応 • ゲストのコンテキストスイッチに応じてSPTの書き換
えが必要 • 毎回破棄するとコスト高なので過去のSPTも保存 – PUDをゲスト仮想空間1つに割り当てると効率がイイ!! CR3 PGD PMD PMD PMD PMD CR3が変更され たら入れ替え PUD PTE PTE PTE PTE 1GB PMD PMD PMD PMD PMD PMD PMD PMD PTE PTE PTE PTE PTE PTE PTE PTE 9
10.
ゲストモード対応 • ゲストにもuser modeとsupervisor
modeがあり アクセス禁止領域が違う • User mode用とsupervisor mode用の空間を分 けてしまえば解決 Guest Virt Space (Supervisor) 空き CPU Interpreter Guest Virt Space (User) 空き Guest Phy Space 10
11.
JITコンパイラ対応 • 高速化のためのJIT Compilation
– Dynamic Binary Translationとも言う • 分岐回数テーブル – 普通はハッシュテーブル Branch Counter Table – オレオレVMならMMUで用意 • 翻訳コードへのlookup table Page カウン タ – これもMMUで用意できる • 翻訳元コードの書込み保護 空き – 書込み保護違反が起きた時、 Guest Virt Space カーネル側で翻訳コードの破棄 が可能 Page 命令 11
12.
ゲストデバッグ機能対応 • Watchpoint Debug
– 指定したメモリ範囲にアクセスがあったことを検 出 • 問題 – アクセスの補足方法 • x86のdebug registerはエミュは使い辛い • ゲストのwatchpoint範囲をカバーするようにSPTのペー ジにプロテクションを付ける – アドレスの判定 – Watchpointに引っかかったx86命令の再実行方法 12
13.
アドレス判定 • #PF例外はCR2に例外を起こしたメモリアドレ
スを返すが不正確 – movq %rax, [0x0FFE] で #PF 例外が出る場合、CR2 は0x1000になるかも。 • x86命令をデコードしてアドレスを判定 – struct pt_regsに#PFが起きた時点のレジスタが格納 されている – %ripから16バイトを読み込んで命令をデコード – でもオペコードレベルで400命令以上のデコード が必要 (´;ω;`) 13
14.
再実行 • ゲストのLOAD/STOREは#PF例外補足後に再実
行できないとダメ – でもSPTにプロテクションをかけているよ • x86を1命令エミュレーション – #PFを起こしたx86命令をカーネルランドで1命令 エミュし、pt_regsに結果を書き戻す。%ripも1命 令分続ける。 • x86のSingle Step実行を使う 1. #PFハンドラでSPTのプロテクションを解除し、 EFLAGSにTFを立ててユーザランドに戻る 2. 1命令を実行したら#DB例外が発生 3. SPTのプロテクションを元に戻す 14
15.
まとめ • オレオレVMを使えばx86-64のMMUを全部
使える (`・ω・´) • でもカーネルのリベースが大変 (´;ω;`) • なにかうまい手はありませんか? 15
16.
参考文献 • Jim Smith,
Ravi Nair, Virtual Machines: Versatile Platforms for Systems and Processes 16
17.
清聴ありがとうございました。
17
18.
ここから未使用
18
19.
予約領域を使う • x86/x86-64は#PF例外の種類が少ない • #PF例外時のエラーコード
– Present bit – W/R bit – U/S bit • そうだ!! 予約領域を使おう – RSVD 19
20.
SPTの一貫性(1/2) • ゲストのページテーブルとSPTの一貫性の維
持するには? 1. ゲストのページテーブル領域に書込み保護をか ける 2. 毎回SPTを破棄 3. 毎回SPTをゲストのページテーブルとチェック • x86-64の予約領域を使ってSPTのチェックを 遅延させる方法があるよ – 特許4897578「仮想計算機の制御プログラムおよ び仮想計算機システム」服部 直也ほか 20
21.
SPTの一貫性(2/2) • 予約領域へビットを打った場合「SPTを
チェックしろ」という意味 • RSVD=1の#PF例外をハンドルして検査 • 最初はPGDのreserved bitを打つ。 • #PF例外があがるとPGDのreserved bitを解除し て直下のPUDの512エントリにresreved bitを打 つ。 • 中位のエントリのreserved bitを下位のテーブ ルに写してゆく。 • 最後のPTEのreserved bitを解除する時にゲス トPTEとチェックを行う 21
22.
改造なしで独自メモリ管理 • vm_area_structにvm_opsを設定 static
int foo_vm_fault(struct vm_area_struct *vma, struct vm_fault *vmf) { vmf->page = page; // ここにロジックを入れる } static struct vm_operations_struct foo_vm_ops = { .fault = foo_vm_fault, }; static int foo_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma) { vma->vm_ops = &foo_vm_ops; } static struct file_operations foo_fops = { .mmap = foo_mmap, }; 22
23.
X86-64の仮想メモリは将来拡張さ
れるか? • U.S. Patent 6,671,791 Processor including a translation unit for selectively translating virtual addresses of different sizes using a plurality of paging tables and mapping mechanisms 23
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