RISC-V Linux 并发修改和执行指令 (CMODX)¶

CMODX 是一种编程技术，程序执行由程序本身修改的指令。在 RISC-V 硬件上，指令存储和指令缓存 (icache) 不保证同步。因此，程序必须使用非特权 fence.i 指令强制执行自己的同步。

但是，默认的 Linux ABI 禁止在用户空间应用程序中使用 fence.i。在任何时候，调度器都可能将任务迁移到新的 hart 上。如果在用户空间使用 fence.i 同步 icache 和指令存储后发生迁移，则新 hart 上的 icache 将不再干净。这是因为 fence.i 的行为仅影响调用它的 hart。因此，任务迁移到的 hart 可能没有同步的指令存储和 icache。

有两种方法可以解决这个问题：使用 riscv_flush_icache() 系统调用，或使用 PR_RISCV_SET_ICACHE_FLUSH_CTX prctl() 并在用户空间中发出 fence.i。系统调用执行一次性 icache 刷新操作。prctl 会更改 Linux ABI 以允许用户空间发出 icache 刷新操作。

顺便提一下，内核中有时可以触发“延迟” icache 刷新。在编写本文时，这种情况仅在 riscv_flush_icache() 系统调用和内核使用 copy_to_user_page() 时发生。这些延迟刷新仅在 hart 使用的内存映射更改时才会发生。如果 prctl() 上下文导致 icache 刷新，则此延迟的 icache 刷新将被跳过，因为它是冗余的。因此，在 prctl() 上下文中使用 riscv_flush_icache() 系统调用时，不会有额外的刷新。

prctl() 接口¶

调用 prctl() 并将 PR_RISCV_SET_ICACHE_FLUSH_CTX 作为第一个参数。其余参数将委托给下面详述的 riscv_set_icache_flush_ctx 函数。

int riscv_set_icache_flush_ctx(unsigned long ctx, unsigned long scope)¶: 启用/禁用用户空间中的 icache 刷新指令。

参数

unsigned long ctx: 设置用户空间中允许/禁止的 icache 刷新指令的类型。下面描述了支持的值。
unsigned long scope: 设置允许发出 icache 刷新指令的范围。下面描述了支持的值。

描述

ctx 支持的值

PR_RISCV_CTX_SW_FENCEI_ON：允许在用户空间中使用 fence.i。
PR_RISCV_CTX_SW_FENCEI_OFF：禁止在用户空间中使用 fence.i。当 scope == PR_RISCV_SCOPE_PER_PROCESS 时，进程中的所有线程都将受到影响。因此，必须小心；仅当您可以保证进程中没有线程会从此刻开始发出 fence.i 时才使用此标志。

scope 支持的值

PR_RISCV_SCOPE_PER_PROCESS：确保此进程中任何线程的 icache
在迁移时与指令存储保持一致。
PR_RISCV_SCOPE_PER_THREAD：确保当前线程的 icache
在迁移时与指令存储保持一致。

当 scope == PR_RISCV_SCOPE_PER_PROCESS 时，进程中的所有线程都允许发出 icache 刷新指令。每当进程中的任何线程被迁移时，都会保证相应的 hart 的 icache 与指令存储保持一致。这不会强制执行迁移之外的任何保证。如果一个线程修改了另一个线程可能尝试执行的指令，则另一个线程在尝试执行可能被修改的指令之前，仍必须发出 icache 刷新指令。这必须由用户空间程序执行。

在每个线程的上下文中（例如 scope == PR_RISCV_SCOPE_PER_THREAD），仅允许调用此函数的线程发出 icache 刷新指令。当线程迁移时，会保证相应的 hart 的 icache 与指令存储保持一致。

在没有配置 SMP 的内核上，此函数是空操作，因为不会发生跨 hart 的迁移。

用法示例

以下文件旨在相互编译和链接。modify_instruction() 函数将 add with 0 替换为 add with one，导致 get_value() 中的指令序列从返回零变为返回一。

cmodx.c

#include <stdio.h>
#include <sys/prctl.h>

extern int get_value();
extern void modify_instruction();

int main()
{
        int value = get_value();
        printf("Value before cmodx: %d\n", value);

        // Call prctl before first fence.i is called inside modify_instruction
        prctl(PR_RISCV_SET_ICACHE_FLUSH_CTX, PR_RISCV_CTX_SW_FENCEI_ON, PR_RISCV_SCOPE_PER_PROCESS);
        modify_instruction();
        // Call prctl after final fence.i is called in process
        prctl(PR_RISCV_SET_ICACHE_FLUSH_CTX, PR_RISCV_CTX_SW_FENCEI_OFF, PR_RISCV_SCOPE_PER_PROCESS);

        value = get_value();
        printf("Value after cmodx: %d\n", value);
        return 0;
}

cmodx.S

.option norvc

.text
.global modify_instruction
modify_instruction:
lw a0, new_insn
lui a5,%hi(old_insn)
sw  a0,%lo(old_insn)(a5)
fence.i
ret

.section modifiable, "awx"
.global get_value
get_value:
li a0, 0
old_insn:
addi a0, a0, 0
ret

.data
new_insn:
addi a0, a0, 1

Linux 内核

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