AArch64 标记地址 ABI¶

作者：Vincenzo Frascino <vincenzo.frascino@arm.com>: Catalin Marinas <catalin.marinas@arm.com>

日期：2019 年 8 月 21 日

本文档介绍了 AArch64 Linux 上标记地址 ABI 的用法和语义。

1. 简介¶

在 AArch64 上，默认情况下设置 TCR_EL1.TBI0 位，允许用户空间 (EL0) 通过具有非零顶字节的 64 位指针执行内存访问。本文档介绍了 syscall ABI 的放宽，允许用户空间将某些标记指针传递给内核 syscall。

2. AArch64 标记地址 ABI¶

从内核 syscall 接口的角度以及本文档的目的来看，“有效标记指针”是指具有潜在非零顶字节的指针，该指针引用以以下方式之一获得的用户进程地址空间中的地址

mmap() syscall，其中
- 标志具有 MAP_ANONYMOUS 位设置或
- 文件描述符引用常规文件（包括 memfd_create() 返回的文件）或 /dev/zero
brk() syscall（即程序中断初始位置（在进程创建时）和其当前位置之间的堆区域）。
内核在进程创建期间在进程地址空间中映射的任何内存，并具有与上述 mmap() 相同的限制（例如，数据、bss、堆栈）。

AArch64 标记地址 ABI 有两个阶段的放宽，具体取决于内核如何使用用户地址

内核未访问但用于地址空间管理的用户地址（例如，mprotect(), madvise()）。在此上下文中允许使用有效标记指针，但存在以下例外
- brk(), mmap() 和 mremap() 的 new_address 参数，因为它们有可能与现有用户地址别名。
  
  注意：此行为在 v5.6 中发生了更改，因此一些早期的内核可能会错误地接受 brk()、mmap() 和 mremap() 系统调用的有效标记指针。
- UFFDIO_* ioctl()``s 的 range.start、start 和 dst 参数用于从 userfaultfd() 获得的文件描述符，因为随后通过读取文件描述符获得的故障地址将取消标记，否则可能会使不识别标记的程序感到困惑。
  
  注意：此行为在 v5.14 中发生了更改，因此一些早期的内核可能会错误地接受此系统调用的有效标记指针。
内核访问的用户地址（例如 write()）。此 ABI 放宽默认情况下处于禁用状态，应用程序线程需要通过 prctl() 显式启用它，如下所示
- PR_SET_TAGGED_ADDR_CTRL：为调用线程启用或禁用 AArch64 标记地址 ABI。
  
  (unsigned int) arg2 参数是一个位掩码，描述了使用的控制模式
  - PR_TAGGED_ADDR_ENABLE：启用 AArch64 标记地址 ABI。默认状态为禁用。
  参数 arg3、arg4 和 arg5 必须为 0。
- PR_GET_TAGGED_ADDR_CTRL：获取调用线程的 AArch64 标记地址 ABI 的状态。
  
  参数 arg2、arg3、arg4 和 arg5 必须为 0。
上面描述的 ABI 属性是线程范围的，在 clone() 和 fork() 上继承，并在 exec() 上清除。

如果通过 sysctl abi.tagged_addr_disabled=1 全局禁用 AArch64 标记地址 ABI，则调用 prctl(PR_SET_TAGGED_ADDR_CTRL, PR_TAGGED_ADDR_ENABLE, 0, 0, 0) 返回 -EINVAL。默认的 sysctl abi.tagged_addr_disabled 配置为 0。

当为线程启用 AArch64 标记地址 ABI 时，保证以下行为

除第 3 节中提到的情况外，所有 syscall 都可以接受任何有效标记指针。
无效标记指针的 syscall 行为未定义：它可能会导致返回错误代码，引发（致命）信号或其他故障模式。
有效标记指针的 syscall 行为与相应的未标记指针相同。

有关 AArch64 上标记指针含义的定义，请参见AArch64 Linux 中的标记虚拟地址。

3. AArch64 标记地址 ABI 异常¶

无论 ABI 是否放宽，以下系统调用参数都必须未标记

prctl() 除了直接或间接作为参数传递给内核访问的用户数据指针。
ioctl() 除了直接或间接作为参数传递给内核访问的用户数据指针。
shmat() 和 shmdt()。
brk()（自内核 v5.6 起）。
mmap()（自内核 v5.6 起）。
mremap()，new_address 参数（自内核 v5.6 起）。

任何使用非零标记指针的尝试都可能导致返回错误代码，引发（致命）信号或其他故障模式。

4. 正确用法示例¶

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/prctl.h>

#define PR_SET_TAGGED_ADDR_CTRL      55
#define PR_TAGGED_ADDR_ENABLE        (1UL << 0)

#define TAG_SHIFT            56

int main(void)
{
     int tbi_enabled = 0;
     unsigned long tag = 0;
     char *ptr;

     /* check/enable the tagged address ABI */
     if (!prctl(PR_SET_TAGGED_ADDR_CTRL, PR_TAGGED_ADDR_ENABLE, 0, 0, 0))
             tbi_enabled = 1;

     /* memory allocation */
     ptr = mmap(NULL, sysconf(_SC_PAGE_SIZE), PROT_READ | PROT_WRITE,
                MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
     if (ptr == MAP_FAILED)
             return 1;

     /* set a non-zero tag if the ABI is available */
     if (tbi_enabled)
             tag = rand() & 0xff;
     ptr = (char *)((unsigned long)ptr | (tag << TAG_SHIFT));

     /* memory access to a tagged address */
     strcpy(ptr, "tagged pointer\n");

     /* syscall with a tagged pointer */
     write(1, ptr, strlen(ptr));

     return 0;
}

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2. AArch64 标记地址 ABI¶

3. AArch64 标记地址 ABI 异常¶

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