Merge tag 'devicetree-for-6.2' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/robh...
[platform/kernel/linux-starfive.git] / Documentation / dev-tools / kmsan.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2 .. Copyright (C) 2022, Google LLC.
3
4 ===================================
5 The Kernel Memory Sanitizer (KMSAN)
6 ===================================
7
8 KMSAN is a dynamic error detector aimed at finding uses of uninitialized
9 values. It is based on compiler instrumentation, and is quite similar to the
10 userspace `MemorySanitizer tool`_.
11
12 An important note is that KMSAN is not intended for production use, because it
13 drastically increases kernel memory footprint and slows the whole system down.
14
15 Usage
16 =====
17
18 Building the kernel
19 -------------------
20
21 In order to build a kernel with KMSAN you will need a fresh Clang (14.0.6+).
22 Please refer to `LLVM documentation`_ for the instructions on how to build Clang.
23
24 Now configure and build the kernel with CONFIG_KMSAN enabled.
25
26 Example report
27 --------------
28
29 Here is an example of a KMSAN report::
30
31   =====================================================
32   BUG: KMSAN: uninit-value in test_uninit_kmsan_check_memory+0x1be/0x380 [kmsan_test]
33    test_uninit_kmsan_check_memory+0x1be/0x380 mm/kmsan/kmsan_test.c:273
34    kunit_run_case_internal lib/kunit/test.c:333
35    kunit_try_run_case+0x206/0x420 lib/kunit/test.c:374
36    kunit_generic_run_threadfn_adapter+0x6d/0xc0 lib/kunit/try-catch.c:28
37    kthread+0x721/0x850 kernel/kthread.c:327
38    ret_from_fork+0x1f/0x30 ??:?
39
40   Uninit was stored to memory at:
41    do_uninit_local_array+0xfa/0x110 mm/kmsan/kmsan_test.c:260
42    test_uninit_kmsan_check_memory+0x1a2/0x380 mm/kmsan/kmsan_test.c:271
43    kunit_run_case_internal lib/kunit/test.c:333
44    kunit_try_run_case+0x206/0x420 lib/kunit/test.c:374
45    kunit_generic_run_threadfn_adapter+0x6d/0xc0 lib/kunit/try-catch.c:28
46    kthread+0x721/0x850 kernel/kthread.c:327
47    ret_from_fork+0x1f/0x30 ??:?
48
49   Local variable uninit created at:
50    do_uninit_local_array+0x4a/0x110 mm/kmsan/kmsan_test.c:256
51    test_uninit_kmsan_check_memory+0x1a2/0x380 mm/kmsan/kmsan_test.c:271
52
53   Bytes 4-7 of 8 are uninitialized
54   Memory access of size 8 starts at ffff888083fe3da0
55
56   CPU: 0 PID: 6731 Comm: kunit_try_catch Tainted: G    B       E     5.16.0-rc3+ #104
57   Hardware name: QEMU Standard PC (i440FX + PIIX, 1996), BIOS 1.14.0-2 04/01/2014
58   =====================================================
59
60 The report says that the local variable ``uninit`` was created uninitialized in
61 ``do_uninit_local_array()``. The third stack trace corresponds to the place
62 where this variable was created.
63
64 The first stack trace shows where the uninit value was used (in
65 ``test_uninit_kmsan_check_memory()``). The tool shows the bytes which were left
66 uninitialized in the local variable, as well as the stack where the value was
67 copied to another memory location before use.
68
69 A use of uninitialized value ``v`` is reported by KMSAN in the following cases:
70
71  - in a condition, e.g. ``if (v) { ... }``;
72  - in an indexing or pointer dereferencing, e.g. ``array[v]`` or ``*v``;
73  - when it is copied to userspace or hardware, e.g. ``copy_to_user(..., &v, ...)``;
74  - when it is passed as an argument to a function, and
75    ``CONFIG_KMSAN_CHECK_PARAM_RETVAL`` is enabled (see below).
76
77 The mentioned cases (apart from copying data to userspace or hardware, which is
78 a security issue) are considered undefined behavior from the C11 Standard point
79 of view.
80
81 Disabling the instrumentation
82 -----------------------------
83
84 A function can be marked with ``__no_kmsan_checks``. Doing so makes KMSAN
85 ignore uninitialized values in that function and mark its output as initialized.
86 As a result, the user will not get KMSAN reports related to that function.
87
88 Another function attribute supported by KMSAN is ``__no_sanitize_memory``.
89 Applying this attribute to a function will result in KMSAN not instrumenting
90 it, which can be helpful if we do not want the compiler to interfere with some
91 low-level code (e.g. that marked with ``noinstr`` which implicitly adds
92 ``__no_sanitize_memory``).
93
94 This however comes at a cost: stack allocations from such functions will have
95 incorrect shadow/origin values, likely leading to false positives. Functions
96 called from non-instrumented code may also receive incorrect metadata for their
97 parameters.
98
99 As a rule of thumb, avoid using ``__no_sanitize_memory`` explicitly.
100
101 It is also possible to disable KMSAN for a single file (e.g. main.o)::
102
103   KMSAN_SANITIZE_main.o := n
104
105 or for the whole directory::
106
107   KMSAN_SANITIZE := n
108
109 in the Makefile. Think of this as applying ``__no_sanitize_memory`` to every
110 function in the file or directory. Most users won't need KMSAN_SANITIZE, unless
111 their code gets broken by KMSAN (e.g. runs at early boot time).
112
113 Support
114 =======
115
116 In order for KMSAN to work the kernel must be built with Clang, which so far is
117 the only compiler that has KMSAN support. The kernel instrumentation pass is
118 based on the userspace `MemorySanitizer tool`_.
119
120 The runtime library only supports x86_64 at the moment.
121
122 How KMSAN works
123 ===============
124
125 KMSAN shadow memory
126 -------------------
127
128 KMSAN associates a metadata byte (also called shadow byte) with every byte of
129 kernel memory. A bit in the shadow byte is set iff the corresponding bit of the
130 kernel memory byte is uninitialized. Marking the memory uninitialized (i.e.
131 setting its shadow bytes to ``0xff``) is called poisoning, marking it
132 initialized (setting the shadow bytes to ``0x00``) is called unpoisoning.
133
134 When a new variable is allocated on the stack, it is poisoned by default by
135 instrumentation code inserted by the compiler (unless it is a stack variable
136 that is immediately initialized). Any new heap allocation done without
137 ``__GFP_ZERO`` is also poisoned.
138
139 Compiler instrumentation also tracks the shadow values as they are used along
140 the code. When needed, instrumentation code invokes the runtime library in
141 ``mm/kmsan/`` to persist shadow values.
142
143 The shadow value of a basic or compound type is an array of bytes of the same
144 length. When a constant value is written into memory, that memory is unpoisoned.
145 When a value is read from memory, its shadow memory is also obtained and
146 propagated into all the operations which use that value. For every instruction
147 that takes one or more values the compiler generates code that calculates the
148 shadow of the result depending on those values and their shadows.
149
150 Example::
151
152   int a = 0xff;  // i.e. 0x000000ff
153   int b;
154   int c = a | b;
155
156 In this case the shadow of ``a`` is ``0``, shadow of ``b`` is ``0xffffffff``,
157 shadow of ``c`` is ``0xffffff00``. This means that the upper three bytes of
158 ``c`` are uninitialized, while the lower byte is initialized.
159
160 Origin tracking
161 ---------------
162
163 Every four bytes of kernel memory also have a so-called origin mapped to them.
164 This origin describes the point in program execution at which the uninitialized
165 value was created. Every origin is associated with either the full allocation
166 stack (for heap-allocated memory), or the function containing the uninitialized
167 variable (for locals).
168
169 When an uninitialized variable is allocated on stack or heap, a new origin
170 value is created, and that variable's origin is filled with that value. When a
171 value is read from memory, its origin is also read and kept together with the
172 shadow. For every instruction that takes one or more values, the origin of the
173 result is one of the origins corresponding to any of the uninitialized inputs.
174 If a poisoned value is written into memory, its origin is written to the
175 corresponding storage as well.
176
177 Example 1::
178
179   int a = 42;
180   int b;
181   int c = a + b;
182
183 In this case the origin of ``b`` is generated upon function entry, and is
184 stored to the origin of ``c`` right before the addition result is written into
185 memory.
186
187 Several variables may share the same origin address, if they are stored in the
188 same four-byte chunk. In this case every write to either variable updates the
189 origin for all of them. We have to sacrifice precision in this case, because
190 storing origins for individual bits (and even bytes) would be too costly.
191
192 Example 2::
193
194   int combine(short a, short b) {
195     union ret_t {
196       int i;
197       short s[2];
198     } ret;
199     ret.s[0] = a;
200     ret.s[1] = b;
201     return ret.i;
202   }
203
204 If ``a`` is initialized and ``b`` is not, the shadow of the result would be
205 0xffff0000, and the origin of the result would be the origin of ``b``.
206 ``ret.s[0]`` would have the same origin, but it will never be used, because
207 that variable is initialized.
208
209 If both function arguments are uninitialized, only the origin of the second
210 argument is preserved.
211
212 Origin chaining
213 ~~~~~~~~~~~~~~~
214
215 To ease debugging, KMSAN creates a new origin for every store of an
216 uninitialized value to memory. The new origin references both its creation stack
217 and the previous origin the value had. This may cause increased memory
218 consumption, so we limit the length of origin chains in the runtime.
219
220 Clang instrumentation API
221 -------------------------
222
223 Clang instrumentation pass inserts calls to functions defined in
224 ``mm/kmsan/nstrumentation.c`` into the kernel code.
225
226 Shadow manipulation
227 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
228
229 For every memory access the compiler emits a call to a function that returns a
230 pair of pointers to the shadow and origin addresses of the given memory::
231
232   typedef struct {
233     void *shadow, *origin;
234   } shadow_origin_ptr_t
235
236   shadow_origin_ptr_t __msan_metadata_ptr_for_load_{1,2,4,8}(void *addr)
237   shadow_origin_ptr_t __msan_metadata_ptr_for_store_{1,2,4,8}(void *addr)
238   shadow_origin_ptr_t __msan_metadata_ptr_for_load_n(void *addr, uintptr_t size)
239   shadow_origin_ptr_t __msan_metadata_ptr_for_store_n(void *addr, uintptr_t size)
240
241 The function name depends on the memory access size.
242
243 The compiler makes sure that for every loaded value its shadow and origin
244 values are read from memory. When a value is stored to memory, its shadow and
245 origin are also stored using the metadata pointers.
246
247 Handling locals
248 ~~~~~~~~~~~~~~~
249
250 A special function is used to create a new origin value for a local variable and
251 set the origin of that variable to that value::
252
253   void __msan_poison_alloca(void *addr, uintptr_t size, char *descr)
254
255 Access to per-task data
256 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
257
258 At the beginning of every instrumented function KMSAN inserts a call to
259 ``__msan_get_context_state()``::
260
261   kmsan_context_state *__msan_get_context_state(void)
262
263 ``kmsan_context_state`` is declared in ``include/linux/kmsan.h``::
264
265   struct kmsan_context_state {
266     char param_tls[KMSAN_PARAM_SIZE];
267     char retval_tls[KMSAN_RETVAL_SIZE];
268     char va_arg_tls[KMSAN_PARAM_SIZE];
269     char va_arg_origin_tls[KMSAN_PARAM_SIZE];
270     u64 va_arg_overflow_size_tls;
271     char param_origin_tls[KMSAN_PARAM_SIZE];
272     depot_stack_handle_t retval_origin_tls;
273   };
274
275 This structure is used by KMSAN to pass parameter shadows and origins between
276 instrumented functions (unless the parameters are checked immediately by
277 ``CONFIG_KMSAN_CHECK_PARAM_RETVAL``).
278
279 Passing uninitialized values to functions
280 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
281
282 Clang's MemorySanitizer instrumentation has an option,
283 ``-fsanitize-memory-param-retval``, which makes the compiler check function
284 parameters passed by value, as well as function return values.
285
286 The option is controlled by ``CONFIG_KMSAN_CHECK_PARAM_RETVAL``, which is
287 enabled by default to let KMSAN report uninitialized values earlier.
288 Please refer to the `LKML discussion`_ for more details.
289
290 Because of the way the checks are implemented in LLVM (they are only applied to
291 parameters marked as ``noundef``), not all parameters are guaranteed to be
292 checked, so we cannot give up the metadata storage in ``kmsan_context_state``.
293
294 String functions
295 ~~~~~~~~~~~~~~~~
296
297 The compiler replaces calls to ``memcpy()``/``memmove()``/``memset()`` with the
298 following functions. These functions are also called when data structures are
299 initialized or copied, making sure shadow and origin values are copied alongside
300 with the data::
301
302   void *__msan_memcpy(void *dst, void *src, uintptr_t n)
303   void *__msan_memmove(void *dst, void *src, uintptr_t n)
304   void *__msan_memset(void *dst, int c, uintptr_t n)
305
306 Error reporting
307 ~~~~~~~~~~~~~~~
308
309 For each use of a value the compiler emits a shadow check that calls
310 ``__msan_warning()`` in the case that value is poisoned::
311
312   void __msan_warning(u32 origin)
313
314 ``__msan_warning()`` causes KMSAN runtime to print an error report.
315
316 Inline assembly instrumentation
317 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
318
319 KMSAN instruments every inline assembly output with a call to::
320
321   void __msan_instrument_asm_store(void *addr, uintptr_t size)
322
323 , which unpoisons the memory region.
324
325 This approach may mask certain errors, but it also helps to avoid a lot of
326 false positives in bitwise operations, atomics etc.
327
328 Sometimes the pointers passed into inline assembly do not point to valid memory.
329 In such cases they are ignored at runtime.
330
331
332 Runtime library
333 ---------------
334
335 The code is located in ``mm/kmsan/``.
336
337 Per-task KMSAN state
338 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
339
340 Every task_struct has an associated KMSAN task state that holds the KMSAN
341 context (see above) and a per-task flag disallowing KMSAN reports::
342
343   struct kmsan_context {
344     ...
345     bool allow_reporting;
346     struct kmsan_context_state cstate;
347     ...
348   }
349
350   struct task_struct {
351     ...
352     struct kmsan_context kmsan;
353     ...
354   }
355
356 KMSAN contexts
357 ~~~~~~~~~~~~~~
358
359 When running in a kernel task context, KMSAN uses ``current->kmsan.cstate`` to
360 hold the metadata for function parameters and return values.
361
362 But in the case the kernel is running in the interrupt, softirq or NMI context,
363 where ``current`` is unavailable, KMSAN switches to per-cpu interrupt state::
364
365   DEFINE_PER_CPU(struct kmsan_ctx, kmsan_percpu_ctx);
366
367 Metadata allocation
368 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
369
370 There are several places in the kernel for which the metadata is stored.
371
372 1. Each ``struct page`` instance contains two pointers to its shadow and
373 origin pages::
374
375   struct page {
376     ...
377     struct page *shadow, *origin;
378     ...
379   };
380
381 At boot-time, the kernel allocates shadow and origin pages for every available
382 kernel page. This is done quite late, when the kernel address space is already
383 fragmented, so normal data pages may arbitrarily interleave with the metadata
384 pages.
385
386 This means that in general for two contiguous memory pages their shadow/origin
387 pages may not be contiguous. Consequently, if a memory access crosses the
388 boundary of a memory block, accesses to shadow/origin memory may potentially
389 corrupt other pages or read incorrect values from them.
390
391 In practice, contiguous memory pages returned by the same ``alloc_pages()``
392 call will have contiguous metadata, whereas if these pages belong to two
393 different allocations their metadata pages can be fragmented.
394
395 For the kernel data (``.data``, ``.bss`` etc.) and percpu memory regions
396 there also are no guarantees on metadata contiguity.
397
398 In the case ``__msan_metadata_ptr_for_XXX_YYY()`` hits the border between two
399 pages with non-contiguous metadata, it returns pointers to fake shadow/origin regions::
400
401   char dummy_load_page[PAGE_SIZE] __attribute__((aligned(PAGE_SIZE)));
402   char dummy_store_page[PAGE_SIZE] __attribute__((aligned(PAGE_SIZE)));
403
404 ``dummy_load_page`` is zero-initialized, so reads from it always yield zeroes.
405 All stores to ``dummy_store_page`` are ignored.
406
407 2. For vmalloc memory and modules, there is a direct mapping between the memory
408 range, its shadow and origin. KMSAN reduces the vmalloc area by 3/4, making only
409 the first quarter available to ``vmalloc()``. The second quarter of the vmalloc
410 area contains shadow memory for the first quarter, the third one holds the
411 origins. A small part of the fourth quarter contains shadow and origins for the
412 kernel modules. Please refer to ``arch/x86/include/asm/pgtable_64_types.h`` for
413 more details.
414
415 When an array of pages is mapped into a contiguous virtual memory space, their
416 shadow and origin pages are similarly mapped into contiguous regions.
417
418 References
419 ==========
420
421 E. Stepanov, K. Serebryany. `MemorySanitizer: fast detector of uninitialized
422 memory use in C++
423 <https://static.googleusercontent.com/media/research.google.com/en//pubs/archive/43308.pdf>`_.
424 In Proceedings of CGO 2015.
425
426 .. _MemorySanitizer tool: https://clang.llvm.org/docs/MemorySanitizer.html
427 .. _LLVM documentation: https://llvm.org/docs/GettingStarted.html
428 .. _LKML discussion: https://lore.kernel.org/all/20220614144853.3693273-1-glider@google.com/