--- /dev/null
+/*
+ * single_step_syscall.c - single-steps various x86 syscalls
+ * Copyright (c) 2014-2015 Andrew Lutomirski
+ *
+ * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
+ * it under the terms and conditions of the GNU General Public License,
+ * version 2, as published by the Free Software Foundation.
+ *
+ * This program is distributed in the hope it will be useful, but
+ * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+ * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
+ * General Public License for more details.
+ *
+ * This is a very simple series of tests that makes system calls with
+ * the TF flag set.  This exercises some nasty kernel code in the
+ * SYSENTER case: SYSENTER does not clear TF, so SYSENTER with TF set
+ * immediately issues #DB from CPL 0.  This requires special handling in
+ * the kernel.
+ */
+
+#define _GNU_SOURCE
+
+#include <sys/time.h>
+#include <time.h>
+#include <stdlib.h>
+#include <sys/syscall.h>
+#include <unistd.h>
+#include <stdio.h>
+#include <string.h>
+#include <inttypes.h>
+#include <sys/mman.h>
+#include <sys/signal.h>
+#include <sys/ucontext.h>
+#include <asm/ldt.h>
+#include <err.h>
+#include <setjmp.h>
+#include <stddef.h>
+#include <stdbool.h>
+#include <sys/ptrace.h>
+#include <sys/user.h>
+
+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 volatile sig_atomic_t sig_traps;
+
+#ifdef __x86_64__
+# define REG_IP REG_RIP
+# define WIDTH "q"
+#else
+# define REG_IP REG_EIP
+# define WIDTH "l"
+#endif
+
+static unsigned long get_eflags(void)
+{
+       unsigned long eflags;
+       asm volatile ("pushf" WIDTH "\n\tpop" WIDTH " %0" : "=rm" (eflags));
+       return eflags;
+}
+
+static void set_eflags(unsigned long eflags)
+{
+       asm volatile ("push" WIDTH " %0\n\tpopf" WIDTH
+                     : : "rm" (eflags) : "flags");
+}
+
+#define X86_EFLAGS_TF (1UL << 8)
+
+static void sigtrap(int sig, siginfo_t *info, void *ctx_void)
+{
+       ucontext_t *ctx = (ucontext_t*)ctx_void;
+
+       if (get_eflags() & X86_EFLAGS_TF) {
+               set_eflags(get_eflags() & ~X86_EFLAGS_TF);
+               printf("[WARN]\tSIGTRAP handler had TF set\n");
+               _exit(1);
+       }
+
+       sig_traps++;
+
+       if (sig_traps == 10000 || sig_traps == 10001) {
+               printf("[WARN]\tHit %d SIGTRAPs with si_addr 0x%lx, ip 0x%lx\n",
+                      (int)sig_traps,
+                      (unsigned long)info->si_addr,
+                      (unsigned long)ctx->uc_mcontext.gregs[REG_IP]);
+       }
+}
+
+static void check_result(void)
+{
+       unsigned long new_eflags = get_eflags();
+       set_eflags(new_eflags & ~X86_EFLAGS_TF);
+
+       if (!sig_traps) {
+               printf("[FAIL]\tNo SIGTRAP\n");
+               exit(1);
+       }
+
+       if (!(new_eflags & X86_EFLAGS_TF)) {
+               printf("[FAIL]\tTF was cleared\n");
+               exit(1);
+       }
+
+       printf("[OK]\tSurvived with TF set and %d traps\n", (int)sig_traps);
+       sig_traps = 0;
+}
+
+int main()
+{
+       int tmp;
+
+       sethandler(SIGTRAP, sigtrap, 0);
+
+       printf("[RUN]\tSet TF and check nop\n");
+       set_eflags(get_eflags() | X86_EFLAGS_TF);
+       asm volatile ("nop");
+       check_result();
+
+#ifdef __x86_64__
+       printf("[RUN]\tSet TF and check syscall-less opportunistic sysret\n");
+       set_eflags(get_eflags() | X86_EFLAGS_TF);
+       extern unsigned char post_nop[];
+       asm volatile ("pushf" WIDTH "\n\t"
+                     "pop" WIDTH " %%r11\n\t"
+                     "nop\n\t"
+                     "post_nop:"
+                     : : "c" (post_nop) : "r11");
+       check_result();
+#endif
+
+       printf("[RUN]\tSet TF and check int80\n");
+       set_eflags(get_eflags() | X86_EFLAGS_TF);
+       asm volatile ("int $0x80" : "=a" (tmp) : "a" (SYS_getpid));
+       check_result();
+
+       /*
+        * This test is particularly interesting if fast syscalls use
+        * SYSENTER: it triggers a nasty design flaw in SYSENTER.
+        * Specifically, SYSENTER does not clear TF, so either SYSENTER
+        * or the next instruction traps at CPL0.  (Of course, Intel
+        * mostly forgot to document exactly what happens here.)  So we
+        * get a CPL0 fault with usergs (on 64-bit kernels) and possibly
+        * no stack.  The only sane way the kernel can possibly handle
+        * it is to clear TF on return from the #DB handler, but this
+        * happens way too early to set TF in the saved pt_regs, so the
+        * kernel has to do something clever to avoid losing track of
+        * the TF bit.
+        *
+        * Needless to say, we've had bugs in this area.
+        */
+       syscall(SYS_getpid);  /* Force symbol binding without TF set. */
+       printf("[RUN]\tSet TF and check a fast syscall\n");
+       set_eflags(get_eflags() | X86_EFLAGS_TF);
+       syscall(SYS_getpid);
+       check_result();
+
+       /* Now make sure that another fast syscall doesn't set TF again. */
+       printf("[RUN]\tFast syscall with TF cleared\n");
+       fflush(stdout);  /* Force a syscall */
+       if (get_eflags() & X86_EFLAGS_TF) {
+               printf("[FAIL]\tTF is now set\n");
+               exit(1);
+       }
+       if (sig_traps) {
+               printf("[FAIL]\tGot SIGTRAP\n");
+               exit(1);
+       }
+       printf("[OK]\tNothing unexpected happened\n");
+
+       return 0;
+}