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arm64: Add support for relocating the kernel with RELR relocations
authorPeter Collingbourne <pcc@google.com>
Thu, 1 Aug 2019 01:18:42 +0000 (18:18 -0700)
committerWill Deacon <will@kernel.org>
Mon, 5 Aug 2019 11:35:35 +0000 (12:35 +0100)
RELR is a relocation packing format for relative relocations.
The format is described in a generic-abi proposal:
https://groups.google.com/d/topic/generic-abi/bX460iggiKg/discussion

The LLD linker can be instructed to pack relocations in the RELR
format by passing the flag --pack-dyn-relocs=relr.

This patch adds a new config option, CONFIG_RELR. Enabling this option
instructs the linker to pack vmlinux's relative relocations in the RELR
format, and causes the kernel to apply the relocations at startup along
with the RELA relocations. RELA relocations still need to be applied
because the linker will emit RELA relative relocations if they are
unrepresentable in the RELR format (i.e. address not a multiple of 2).

Enabling CONFIG_RELR reduces the size of a defconfig kernel image
with CONFIG_RANDOMIZE_BASE by 3.5MB/16% uncompressed, or 550KB/5%
compressed (lz4).

Signed-off-by: Peter Collingbourne <pcc@google.com>
Tested-by: Nick Desaulniers <ndesaulniers@google.com>
Reviewed-by: Nick Desaulniers <ndesaulniers@google.com>
Signed-off-by: Will Deacon <will@kernel.org>
Makefile
arch/Kconfig
arch/arm64/Kconfig
arch/arm64/kernel/head.S
arch/arm64/kernel/vmlinux.lds.S
init/Kconfig
scripts/tools-support-relr.sh [new file with mode: 0755]

index 23cdf1f4136468e78053a488306a0c7024384ad7..9e6ec0c9962cd18ab866ae3b7275bba1549c828c 100644 (file)
--- a/Makefile
+++ b/Makefile
@@ -912,6 +912,10 @@ ifeq ($(CONFIG_STRIP_ASM_SYMS),y)
 LDFLAGS_vmlinux        += $(call ld-option, -X,)
 endif
 
+ifeq ($(CONFIG_RELR),y)
+LDFLAGS_vmlinux        += --pack-dyn-relocs=relr
+endif
+
 # insure the checker run with the right endianness
 CHECKFLAGS += $(if $(CONFIG_CPU_BIG_ENDIAN),-mbig-endian,-mlittle-endian)
 
index a7b57dd42c26698b319430ac65cd81610ba08b71..aa6bdb3df5c172bd1a63de57420e8a04241d7d55 100644 (file)
@@ -925,6 +925,20 @@ config LOCK_EVENT_COUNTS
          the chance of application behavior change because of timing
          differences. The counts are reported via debugfs.
 
+# Select if the architecture has support for applying RELR relocations.
+config ARCH_HAS_RELR
+       bool
+
+config RELR
+       bool "Use RELR relocation packing"
+       depends on ARCH_HAS_RELR && TOOLS_SUPPORT_RELR
+       default y
+       help
+         Store the kernel's dynamic relocations in the RELR relocation packing
+         format. Requires a compatible linker (LLD supports this feature), as
+         well as compatible NM and OBJCOPY utilities (llvm-nm and llvm-objcopy
+         are compatible).
+
 source "kernel/gcov/Kconfig"
 
 source "scripts/gcc-plugins/Kconfig"
index 3adcec05b1f672d7ff3356e0eaf13d2667a64b6a..2681eb79c40b3f86d626ae34cc3c5a283df4613e 100644 (file)
@@ -1467,6 +1467,7 @@ endif
 
 config RELOCATABLE
        bool
+       select ARCH_HAS_RELR
        help
          This builds the kernel as a Position Independent Executable (PIE),
          which retains all relocation metadata required to relocate the
index 2cdacd1c141b97295192e9685ffca9ef32765939..cc23302e9d95e0de75d545accc85706032e6056e 100644 (file)
@@ -102,6 +102,8 @@ pe_header:
         *  x23        stext() .. start_kernel()  physical misalignment/KASLR offset
         *  x28        __create_page_tables()     callee preserved temp register
         *  x19/x20    __primary_switch()         callee preserved temp registers
+        *  x24        __primary_switch() .. relocate_kernel()
+        *                                        current RELR displacement
         */
 ENTRY(stext)
        bl      preserve_boot_args
@@ -834,14 +836,93 @@ __relocate_kernel:
 
 0:     cmp     x9, x10
        b.hs    1f
-       ldp     x11, x12, [x9], #24
-       ldr     x13, [x9, #-8]
-       cmp     w12, #R_AARCH64_RELATIVE
+       ldp     x12, x13, [x9], #24
+       ldr     x14, [x9, #-8]
+       cmp     w13, #R_AARCH64_RELATIVE
        b.ne    0b
-       add     x13, x13, x23                   // relocate
-       str     x13, [x11, x23]
+       add     x14, x14, x23                   // relocate
+       str     x14, [x12, x23]
        b       0b
-1:     ret
+
+1:
+#ifdef CONFIG_RELR
+       /*
+        * Apply RELR relocations.
+        *
+        * RELR is a compressed format for storing relative relocations. The
+        * encoded sequence of entries looks like:
+        * [ AAAAAAAA BBBBBBB1 BBBBBBB1 ... AAAAAAAA BBBBBB1 ... ]
+        *
+        * i.e. start with an address, followed by any number of bitmaps. The
+        * address entry encodes 1 relocation. The subsequent bitmap entries
+        * encode up to 63 relocations each, at subsequent offsets following
+        * the last address entry.
+        *
+        * The bitmap entries must have 1 in the least significant bit. The
+        * assumption here is that an address cannot have 1 in lsb. Odd
+        * addresses are not supported. Any odd addresses are stored in the RELA
+        * section, which is handled above.
+        *
+        * Excluding the least significant bit in the bitmap, each non-zero
+        * bit in the bitmap represents a relocation to be applied to
+        * a corresponding machine word that follows the base address
+        * word. The second least significant bit represents the machine
+        * word immediately following the initial address, and each bit
+        * that follows represents the next word, in linear order. As such,
+        * a single bitmap can encode up to 63 relocations in a 64-bit object.
+        *
+        * In this implementation we store the address of the next RELR table
+        * entry in x9, the address being relocated by the current address or
+        * bitmap entry in x13 and the address being relocated by the current
+        * bit in x14.
+        *
+        * Because addends are stored in place in the binary, RELR relocations
+        * cannot be applied idempotently. We use x24 to keep track of the
+        * currently applied displacement so that we can correctly relocate if
+        * __relocate_kernel is called twice with non-zero displacements (i.e.
+        * if there is both a physical misalignment and a KASLR displacement).
+        */
+       ldr     w9, =__relr_offset              // offset to reloc table
+       ldr     w10, =__relr_size               // size of reloc table
+       add     x9, x9, x11                     // __va(.relr)
+       add     x10, x9, x10                    // __va(.relr) + sizeof(.relr)
+
+       sub     x15, x23, x24                   // delta from previous offset
+       cbz     x15, 7f                         // nothing to do if unchanged
+       mov     x24, x23                        // save new offset
+
+2:     cmp     x9, x10
+       b.hs    7f
+       ldr     x11, [x9], #8
+       tbnz    x11, #0, 3f                     // branch to handle bitmaps
+       add     x13, x11, x23
+       ldr     x12, [x13]                      // relocate address entry
+       add     x12, x12, x15
+       str     x12, [x13], #8                  // adjust to start of bitmap
+       b       2b
+
+3:     mov     x14, x13
+4:     lsr     x11, x11, #1
+       cbz     x11, 6f
+       tbz     x11, #0, 5f                     // skip bit if not set
+       ldr     x12, [x14]                      // relocate bit
+       add     x12, x12, x15
+       str     x12, [x14]
+
+5:     add     x14, x14, #8                    // move to next bit's address
+       b       4b
+
+6:     /*
+        * Move to the next bitmap's address. 8 is the word size, and 63 is the
+        * number of significant bits in a bitmap entry.
+        */
+       add     x13, x13, #(8 * 63)
+       b       2b
+
+7:
+#endif
+       ret
+
 ENDPROC(__relocate_kernel)
 #endif
 
@@ -854,6 +935,9 @@ __primary_switch:
        adrp    x1, init_pg_dir
        bl      __enable_mmu
 #ifdef CONFIG_RELOCATABLE
+#ifdef CONFIG_RELR
+       mov     x24, #0                         // no RELR displacement yet
+#endif
        bl      __relocate_kernel
 #ifdef CONFIG_RANDOMIZE_BASE
        ldr     x8, =__primary_switched
index 7fa00837490787c35a5554430f01812418d76dcc..31716afa30f65e83a2180eace1e7ab9b44f3efde 100644 (file)
@@ -200,6 +200,15 @@ SECTIONS
        __rela_offset   = ABSOLUTE(ADDR(.rela.dyn) - KIMAGE_VADDR);
        __rela_size     = SIZEOF(.rela.dyn);
 
+#ifdef CONFIG_RELR
+       .relr.dyn : ALIGN(8) {
+               *(.relr.dyn)
+       }
+
+       __relr_offset   = ABSOLUTE(ADDR(.relr.dyn) - KIMAGE_VADDR);
+       __relr_size     = SIZEOF(.relr.dyn);
+#endif
+
        . = ALIGN(SEGMENT_ALIGN);
        __initdata_end = .;
        __init_end = .;
index bd7d650d4a996c7c10d2349a340f52c1f99c1e49..d96127ebc44e08526f0be1586098d2ecd52e7104 100644 (file)
@@ -30,6 +30,9 @@ config CC_CAN_LINK
 config CC_HAS_ASM_GOTO
        def_bool $(success,$(srctree)/scripts/gcc-goto.sh $(CC))
 
+config TOOLS_SUPPORT_RELR
+       def_bool $(success,env "CC=$(CC)" "LD=$(LD)" "NM=$(NM)" "OBJCOPY=$(OBJCOPY)" $(srctree)/scripts/tools-support-relr.sh)
+
 config CC_HAS_WARN_MAYBE_UNINITIALIZED
        def_bool $(cc-option,-Wmaybe-uninitialized)
        help
diff --git a/scripts/tools-support-relr.sh b/scripts/tools-support-relr.sh
new file mode 100755 (executable)
index 0000000..97a2c84
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,16 @@
+#!/bin/sh -eu
+# SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
+
+tmp_file=$(mktemp)
+trap "rm -f $tmp_file.o $tmp_file $tmp_file.bin" EXIT
+
+cat << "END" | "$CC" -c -x c - -o $tmp_file.o >/dev/null 2>&1
+void *p = &p;
+END
+"$LD" $tmp_file.o -shared -Bsymbolic --pack-dyn-relocs=relr -o $tmp_file
+
+# Despite printing an error message, GNU nm still exits with exit code 0 if it
+# sees a relr section. So we need to check that nothing is printed to stderr.
+test -z "$("$NM" $tmp_file 2>&1 >/dev/null)"
+
+"$OBJCOPY" -O binary $tmp_file $tmp_file.bin