9e9f096ee92155395847a5f1fe4bbdfc0ff0b56e
[platform/upstream/llvm.git] / clang / docs / SanitizerCoverage.rst
1 =================
2 SanitizerCoverage
3 =================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 Introduction
9 ============
10
11 LLVM has a simple code coverage instrumentation built in (SanitizerCoverage).
12 It inserts calls to user-defined functions on function-, basic-block-, and edge- levels.
13 Default implementations of those callbacks are provided and implement
14 simple coverage reporting and visualization,
15 however if you need *just* coverage visualization you may want to use
16 :doc:`SourceBasedCodeCoverage <SourceBasedCodeCoverage>` instead.
17
18 Tracing PCs with guards
19 =======================
20
21 With ``-fsanitize-coverage=trace-pc-guard`` the compiler will insert the following code
22 on every edge:
23
24 .. code-block:: none
25
26    __sanitizer_cov_trace_pc_guard(&guard_variable)
27
28 Every edge will have its own `guard_variable` (uint32_t).
29
30 The compiler will also insert calls to a module constructor:
31
32 .. code-block:: c++
33
34    // The guards are [start, stop).
35    // This function will be called at least once per DSO and may be called
36    // more than once with the same values of start/stop.
37    __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start, uint32_t *stop);
38
39 With an additional ``...=trace-pc,indirect-calls`` flag
40 ``__sanitizer_cov_trace_pc_indirect(void *callee)`` will be inserted on every indirect call.
41
42 The functions `__sanitizer_cov_trace_pc_*` should be defined by the user.
43
44 Example: 
45
46 .. code-block:: c++
47
48   // trace-pc-guard-cb.cc
49   #include <stdint.h>
50   #include <stdio.h>
51   #include <sanitizer/coverage_interface.h>
52
53   // This callback is inserted by the compiler as a module constructor
54   // into every DSO. 'start' and 'stop' correspond to the
55   // beginning and end of the section with the guards for the entire
56   // binary (executable or DSO). The callback will be called at least
57   // once per DSO and may be called multiple times with the same parameters.
58   extern "C" void __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init(uint32_t *start,
59                                                       uint32_t *stop) {
60     static uint64_t N;  // Counter for the guards.
61     if (start == stop || *start) return;  // Initialize only once.
62     printf("INIT: %p %p\n", start, stop);
63     for (uint32_t *x = start; x < stop; x++)
64       *x = ++N;  // Guards should start from 1.
65   }
66
67   // This callback is inserted by the compiler on every edge in the
68   // control flow (some optimizations apply).
69   // Typically, the compiler will emit the code like this:
70   //    if(*guard)
71   //      __sanitizer_cov_trace_pc_guard(guard);
72   // But for large functions it will emit a simple call:
73   //    __sanitizer_cov_trace_pc_guard(guard);
74   extern "C" void __sanitizer_cov_trace_pc_guard(uint32_t *guard) {
75     if (!*guard) return;  // Duplicate the guard check.
76     // If you set *guard to 0 this code will not be called again for this edge.
77     // Now you can get the PC and do whatever you want: 
78     //   store it somewhere or symbolize it and print right away.
79     // The values of `*guard` are as you set them in
80     // __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init and so you can make them consecutive
81     // and use them to dereference an array or a bit vector.
82     void *PC = __builtin_return_address(0);
83     char PcDescr[1024];
84     // This function is a part of the sanitizer run-time.
85     // To use it, link with AddressSanitizer or other sanitizer.
86     __sanitizer_symbolize_pc(PC, "%p %F %L", PcDescr, sizeof(PcDescr));
87     printf("guard: %p %x PC %s\n", guard, *guard, PcDescr);
88   }
89
90 .. code-block:: c++
91
92   // trace-pc-guard-example.cc
93   void foo() { }
94   int main(int argc, char **argv) {
95     if (argc > 1) foo();
96   }
97
98 .. code-block:: console
99   
100   clang++ -g  -fsanitize-coverage=trace-pc-guard trace-pc-guard-example.cc -c
101   clang++ trace-pc-guard-cb.cc trace-pc-guard-example.o -fsanitize=address
102   ASAN_OPTIONS=strip_path_prefix=`pwd`/ ./a.out
103
104 .. code-block:: console
105
106   INIT: 0x71bcd0 0x71bce0
107   guard: 0x71bcd4 2 PC 0x4ecd5b in main trace-pc-guard-example.cc:2
108   guard: 0x71bcd8 3 PC 0x4ecd9e in main trace-pc-guard-example.cc:3:7
109
110 .. code-block:: console
111
112   ASAN_OPTIONS=strip_path_prefix=`pwd`/ ./a.out with-foo
113
114
115 .. code-block:: console
116
117   INIT: 0x71bcd0 0x71bce0
118   guard: 0x71bcd4 2 PC 0x4ecd5b in main trace-pc-guard-example.cc:3
119   guard: 0x71bcdc 4 PC 0x4ecdc7 in main trace-pc-guard-example.cc:4:17
120   guard: 0x71bcd0 1 PC 0x4ecd20 in foo() trace-pc-guard-example.cc:2:14
121
122 Inline 8bit-counters
123 ====================
124
125 **Experimental, may change or disappear in future**
126
127 With ``-fsanitize-coverage=inline-8bit-counters`` the compiler will insert
128 inline counter increments on every edge.
129 This is similar to ``-fsanitize-coverage=trace-pc-guard`` but instead of a
130 callback the instrumentation simply increments a counter.
131
132 Users need to implement a single function to capture the counters at startup.
133
134 .. code-block:: c++
135
136   extern "C"
137   void __sanitizer_cov_8bit_counters_init(char *start, char *end) {
138     // [start,end) is the array of 8-bit counters created for the current DSO.
139     // Capture this array in order to read/modify the counters.
140   }
141
142
143 Inline bool-flag
144 ================
145
146 **Experimental, may change or disappear in future**
147
148 With ``-fsanitize-coverage=inline-bool-flag`` the compiler will insert
149 setting an inline boolean to true on every edge.
150 This is similar to ``-fsanitize-coverage=inline-8bit-counter`` but instead of
151 an increment of a counter, it just sets a boolean to true.
152
153 Users need to implement a single function to capture the flags at startup.
154
155 .. code-block:: c++
156
157   extern "C"
158   void __sanitizer_cov_bool_flag_init(bool *start, bool *end) {
159     // [start,end) is the array of boolean flags created for the current DSO.
160     // Capture this array in order to read/modify the flags.
161   }
162
163
164 PC-Table
165 ========
166
167 **Experimental, may change or disappear in future**
168
169 **Note:** this instrumentation might be incompatible with dead code stripping
170 (``-Wl,-gc-sections``) for linkers other than LLD, thus resulting in a
171 significant binary size overhead. For more information, see
172 `Bug 34636 <https://bugs.llvm.org/show_bug.cgi?id=34636>`_.
173
174 With ``-fsanitize-coverage=pc-table`` the compiler will create a table of
175 instrumented PCs. Requires either ``-fsanitize-coverage=inline-8bit-counters``,
176 or ``-fsanitize-coverage=inline-bool-flag``, or ``-fsanitize-coverage=trace-pc-guard``.
177
178 Users need to implement a single function to capture the PC table at startup:
179
180 .. code-block:: c++
181
182   extern "C"
183   void __sanitizer_cov_pcs_init(const uintptr_t *pcs_beg,
184                                 const uintptr_t *pcs_end) {
185     // [pcs_beg,pcs_end) is the array of ptr-sized integers representing
186     // pairs [PC,PCFlags] for every instrumented block in the current DSO.
187     // Capture this array in order to read the PCs and their Flags.
188     // The number of PCs and PCFlags for a given DSO is the same as the number
189     // of 8-bit counters (-fsanitize-coverage=inline-8bit-counters), or
190     // boolean flags (-fsanitize-coverage=inline=bool-flags), or trace_pc_guard
191     // callbacks (-fsanitize-coverage=trace-pc-guard).
192     // A PCFlags describes the basic block:
193     //  * bit0: 1 if the block is the function entry block, 0 otherwise.
194   }
195
196
197 Tracing PCs
198 ===========
199
200 With ``-fsanitize-coverage=trace-pc`` the compiler will insert
201 ``__sanitizer_cov_trace_pc()`` on every edge.
202 With an additional ``...=trace-pc,indirect-calls`` flag
203 ``__sanitizer_cov_trace_pc_indirect(void *callee)`` will be inserted on every indirect call.
204 These callbacks are not implemented in the Sanitizer run-time and should be defined
205 by the user.
206 This mechanism is used for fuzzing the Linux kernel
207 (https://github.com/google/syzkaller).
208
209 Instrumentation points
210 ======================
211 Sanitizer Coverage offers different levels of instrumentation.
212
213 * ``edge`` (default): edges are instrumented (see below).
214 * ``bb``: basic blocks are instrumented.
215 * ``func``: only the entry block of every function will be instrumented.
216
217 Use these flags together with ``trace-pc-guard`` or ``trace-pc``,
218 like this: ``-fsanitize-coverage=func,trace-pc-guard``.
219
220 When ``edge`` or ``bb`` is used, some of the edges/blocks may still be left
221 uninstrumented (pruned) if such instrumentation is considered redundant.
222 Use ``no-prune`` (e.g. ``-fsanitize-coverage=bb,no-prune,trace-pc-guard``)
223 to disable pruning. This could be useful for better coverage visualization.
224
225
226 Edge coverage
227 -------------
228
229 Consider this code:
230
231 .. code-block:: c++
232
233     void foo(int *a) {
234       if (a)
235         *a = 0;
236     }
237
238 It contains 3 basic blocks, let's name them A, B, C:
239
240 .. code-block:: none
241
242     A
243     |\
244     | \
245     |  B
246     | /
247     |/
248     C
249
250 If blocks A, B, and C are all covered we know for certain that the edges A=>B
251 and B=>C were executed, but we still don't know if the edge A=>C was executed.
252 Such edges of control flow graph are called
253 `critical <https://en.wikipedia.org/wiki/Control_flow_graph#Special_edges>`_.
254 The edge-level coverage simply splits all critical edges by introducing new
255 dummy blocks and then instruments those blocks:
256
257 .. code-block:: none
258
259     A
260     |\
261     | \
262     D  B
263     | /
264     |/
265     C
266
267 Tracing data flow
268 =================
269
270 Support for data-flow-guided fuzzing.
271 With ``-fsanitize-coverage=trace-cmp`` the compiler will insert extra instrumentation
272 around comparison instructions and switch statements.
273 Similarly, with ``-fsanitize-coverage=trace-div`` the compiler will instrument
274 integer division instructions (to capture the right argument of division)
275 and with  ``-fsanitize-coverage=trace-gep`` --
276 the `LLVM GEP instructions <https://llvm.org/docs/GetElementPtr.html>`_
277 (to capture array indices).
278 Similarly, with ``-fsanitize-coverage=trace-loads`` and ``-fsanitize-coverage=trace-stores``
279 the compiler will instrument loads and stores, respectively.
280
281 Currently, these flags do not work by themselves - they require one
282 of ``-fsanitize-coverage={trace-pc,inline-8bit-counters,inline-bool}``
283 flags to work.
284
285 Unless ``no-prune`` option is provided, some of the comparison instructions
286 will not be instrumented.
287
288 .. code-block:: c++
289
290   // Called before a comparison instruction.
291   // Arg1 and Arg2 are arguments of the comparison.
292   void __sanitizer_cov_trace_cmp1(uint8_t Arg1, uint8_t Arg2);
293   void __sanitizer_cov_trace_cmp2(uint16_t Arg1, uint16_t Arg2);
294   void __sanitizer_cov_trace_cmp4(uint32_t Arg1, uint32_t Arg2);
295   void __sanitizer_cov_trace_cmp8(uint64_t Arg1, uint64_t Arg2);
296
297   // Called before a comparison instruction if exactly one of the arguments is constant.
298   // Arg1 and Arg2 are arguments of the comparison, Arg1 is a compile-time constant. 
299   // These callbacks are emitted by -fsanitize-coverage=trace-cmp since 2017-08-11
300   void __sanitizer_cov_trace_const_cmp1(uint8_t Arg1, uint8_t Arg2);
301   void __sanitizer_cov_trace_const_cmp2(uint16_t Arg1, uint16_t Arg2);
302   void __sanitizer_cov_trace_const_cmp4(uint32_t Arg1, uint32_t Arg2);
303   void __sanitizer_cov_trace_const_cmp8(uint64_t Arg1, uint64_t Arg2);
304
305   // Called before a switch statement.
306   // Val is the switch operand.
307   // Cases[0] is the number of case constants.
308   // Cases[1] is the size of Val in bits.
309   // Cases[2:] are the case constants.
310   void __sanitizer_cov_trace_switch(uint64_t Val, uint64_t *Cases);
311
312   // Called before a division statement.
313   // Val is the second argument of division.
314   void __sanitizer_cov_trace_div4(uint32_t Val);
315   void __sanitizer_cov_trace_div8(uint64_t Val);
316
317   // Called before a GetElemementPtr (GEP) instruction
318   // for every non-constant array index.
319   void __sanitizer_cov_trace_gep(uintptr_t Idx);
320
321   // Called before a load of appropriate size. Addr is the address of the load.
322   void __sanitizer_cov_load1(uint8_t *addr);
323   void __sanitizer_cov_load2(uint16_t *addr);
324   void __sanitizer_cov_load4(uint32_t *addr);
325   void __sanitizer_cov_load8(uint64_t *addr);
326   void __sanitizer_cov_load16(__int128 *addr);
327   // Called before a store of appropriate size. Addr is the address of the store.
328   void __sanitizer_cov_store1(uint8_t *addr);
329   void __sanitizer_cov_store2(uint16_t *addr);
330   void __sanitizer_cov_store4(uint32_t *addr);
331   void __sanitizer_cov_store8(uint64_t *addr);
332   void __sanitizer_cov_store16(__int128 *addr);
333
334 Disabling instrumentation with ``__attribute__((no_sanitize("coverage")))``
335 ===========================================================================
336
337 It is possible to disable coverage instrumentation for select functions via the
338 function attribute ``__attribute__((no_sanitize("coverage")))``. Because this
339 attribute may not be supported by other compilers, it is recommended to use it
340 together with ``__has_feature(coverage_sanitizer)``.
341
342 Disabling instrumentation without source modification
343 =====================================================
344
345 It is sometimes useful to tell SanitizerCoverage to instrument only a subset of the
346 functions in your target without modifying source files.
347 With ``-fsanitize-coverage-allowlist=allowlist.txt``
348 and ``-fsanitize-coverage-ignorelist=blocklist.txt``,
349 you can specify such a subset through the combination of an allowlist and a blocklist.
350
351 SanitizerCoverage will only instrument functions that satisfy two conditions.
352 First, the function should belong to a source file with a path that is both allowlisted
353 and not blocklisted.
354 Second, the function should have a mangled name that is both allowlisted and not blocklisted.
355
356 The allowlist and blocklist format is similar to that of the sanitizer blocklist format.
357 The default allowlist will match every source file and every function.
358 The default blocklist will match no source file and no function.
359
360 A common use case is to have the allowlist list folders or source files for which you want
361 instrumentation and allow all function names, while the blocklist will opt out some specific
362 files or functions that the allowlist loosely allowed.
363
364 Here is an example allowlist:
365
366 .. code-block:: none
367
368   # Enable instrumentation for a whole folder
369   src:bar/*
370   # Enable instrumentation for a specific source file
371   src:foo/a.cpp
372   # Enable instrumentation for all functions in those files
373   fun:*
374
375 And an example blocklist:
376
377 .. code-block:: none
378
379   # Disable instrumentation for a specific source file that the allowlist allowed
380   src:bar/b.cpp
381   # Disable instrumentation for a specific function that the allowlist allowed
382   fun:*myFunc*
383
384 The use of ``*`` wildcards above is required because function names are matched after mangling.
385 Without the wildcards, one would have to write the whole mangled name.
386
387 Be careful that the paths of source files are matched exactly as they are provided on the clang
388 command line.
389 For example, the allowlist above would include file ``bar/b.cpp`` if the path was provided
390 exactly like this, but would it would fail to include it with other ways to refer to the same
391 file such as ``./bar/b.cpp``, or ``bar\b.cpp`` on Windows.
392 So, please make sure to always double check that your lists are correctly applied.
393
394 Default implementation
395 ======================
396
397 The sanitizer run-time (AddressSanitizer, MemorySanitizer, etc) provide a
398 default implementations of some of the coverage callbacks.
399 You may use this implementation to dump the coverage on disk at the process
400 exit.
401
402 Example:
403
404 .. code-block:: console
405
406     % cat -n cov.cc
407          1  #include <stdio.h>
408          2  __attribute__((noinline))
409          3  void foo() { printf("foo\n"); }
410          4
411          5  int main(int argc, char **argv) {
412          6    if (argc == 2)
413          7      foo();
414          8    printf("main\n");
415          9  }
416     % clang++ -g cov.cc -fsanitize=address -fsanitize-coverage=trace-pc-guard
417     % ASAN_OPTIONS=coverage=1 ./a.out; wc -c *.sancov
418     main
419     SanitizerCoverage: ./a.out.7312.sancov 2 PCs written
420     24 a.out.7312.sancov
421     % ASAN_OPTIONS=coverage=1 ./a.out foo ; wc -c *.sancov
422     foo
423     main
424     SanitizerCoverage: ./a.out.7316.sancov 3 PCs written
425     24 a.out.7312.sancov
426     32 a.out.7316.sancov
427
428 Every time you run an executable instrumented with SanitizerCoverage
429 one ``*.sancov`` file is created during the process shutdown.
430 If the executable is dynamically linked against instrumented DSOs,
431 one ``*.sancov`` file will be also created for every DSO.
432
433 Sancov data format
434 ------------------
435
436 The format of ``*.sancov`` files is very simple: the first 8 bytes is the magic,
437 one of ``0xC0BFFFFFFFFFFF64`` and ``0xC0BFFFFFFFFFFF32``. The last byte of the
438 magic defines the size of the following offsets. The rest of the data is the
439 offsets in the corresponding binary/DSO that were executed during the run.
440
441 Sancov Tool
442 -----------
443
444 An simple ``sancov`` tool is provided to process coverage files.
445 The tool is part of LLVM project and is currently supported only on Linux.
446 It can handle symbolization tasks autonomously without any extra support
447 from the environment. You need to pass .sancov files (named 
448 ``<module_name>.<pid>.sancov`` and paths to all corresponding binary elf files. 
449 Sancov matches these files using module names and binaries file names.
450
451 .. code-block:: console
452
453     USAGE: sancov [options] <action> (<binary file>|<.sancov file>)...
454
455     Action (required)
456       -print                    - Print coverage addresses
457       -covered-functions        - Print all covered functions.
458       -not-covered-functions    - Print all not covered functions.
459       -symbolize                - Symbolizes the report.
460
461     Options
462       -blocklist=<string>         - Blocklist file (sanitizer blocklist format).
463       -demangle                   - Print demangled function name.
464       -strip_path_prefix=<string> - Strip this prefix from file paths in reports
465
466
467 Coverage Reports
468 ----------------
469
470 **Experimental**
471
472 ``.sancov`` files do not contain enough information to generate a source-level
473 coverage report. The missing information is contained
474 in debug info of the binary. Thus the ``.sancov`` has to be symbolized
475 to produce a ``.symcov`` file first:
476
477 .. code-block:: console
478
479     sancov -symbolize my_program.123.sancov my_program > my_program.123.symcov
480
481 The ``.symcov`` file can be browsed overlaid over the source code by
482 running ``tools/sancov/coverage-report-server.py`` script that will start
483 an HTTP server.
484
485 Output directory
486 ----------------
487
488 By default, .sancov files are created in the current working directory.
489 This can be changed with ``ASAN_OPTIONS=coverage_dir=/path``:
490
491 .. code-block:: console
492
493     % ASAN_OPTIONS="coverage=1:coverage_dir=/tmp/cov" ./a.out foo
494     % ls -l /tmp/cov/*sancov
495     -rw-r----- 1 kcc eng 4 Nov 27 12:21 a.out.22673.sancov
496     -rw-r----- 1 kcc eng 8 Nov 27 12:21 a.out.22679.sancov