kbuild: list sub-directories in ./Kbuild
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / dev-tools / kasan.rst
1 The Kernel Address Sanitizer (KASAN)
2 ====================================
3
4 Overview
5 --------
6
7 Kernel Address Sanitizer (KASAN) is a dynamic memory safety error detector
8 designed to find out-of-bounds and use-after-free bugs.
9
10 KASAN has three modes:
11
12 1. Generic KASAN
13 2. Software Tag-Based KASAN
14 3. Hardware Tag-Based KASAN
15
16 Generic KASAN, enabled with CONFIG_KASAN_GENERIC, is the mode intended for
17 debugging, similar to userspace ASan. This mode is supported on many CPU
18 architectures, but it has significant performance and memory overheads.
19
20 Software Tag-Based KASAN or SW_TAGS KASAN, enabled with CONFIG_KASAN_SW_TAGS,
21 can be used for both debugging and dogfood testing, similar to userspace HWASan.
22 This mode is only supported for arm64, but its moderate memory overhead allows
23 using it for testing on memory-restricted devices with real workloads.
24
25 Hardware Tag-Based KASAN or HW_TAGS KASAN, enabled with CONFIG_KASAN_HW_TAGS,
26 is the mode intended to be used as an in-field memory bug detector or as a
27 security mitigation. This mode only works on arm64 CPUs that support MTE
28 (Memory Tagging Extension), but it has low memory and performance overheads and
29 thus can be used in production.
30
31 For details about the memory and performance impact of each KASAN mode, see the
32 descriptions of the corresponding Kconfig options.
33
34 The Generic and the Software Tag-Based modes are commonly referred to as the
35 software modes. The Software Tag-Based and the Hardware Tag-Based modes are
36 referred to as the tag-based modes.
37
38 Support
39 -------
40
41 Architectures
42 ~~~~~~~~~~~~~
43
44 Generic KASAN is supported on x86_64, arm, arm64, powerpc, riscv, s390, and
45 xtensa, and the tag-based KASAN modes are supported only on arm64.
46
47 Compilers
48 ~~~~~~~~~
49
50 Software KASAN modes use compile-time instrumentation to insert validity checks
51 before every memory access and thus require a compiler version that provides
52 support for that. The Hardware Tag-Based mode relies on hardware to perform
53 these checks but still requires a compiler version that supports the memory
54 tagging instructions.
55
56 Generic KASAN requires GCC version 8.3.0 or later
57 or any Clang version supported by the kernel.
58
59 Software Tag-Based KASAN requires GCC 11+
60 or any Clang version supported by the kernel.
61
62 Hardware Tag-Based KASAN requires GCC 10+ or Clang 12+.
63
64 Memory types
65 ~~~~~~~~~~~~
66
67 Generic KASAN supports finding bugs in all of slab, page_alloc, vmap, vmalloc,
68 stack, and global memory.
69
70 Software Tag-Based KASAN supports slab, page_alloc, vmalloc, and stack memory.
71
72 Hardware Tag-Based KASAN supports slab, page_alloc, and non-executable vmalloc
73 memory.
74
75 For slab, both software KASAN modes support SLUB and SLAB allocators, while
76 Hardware Tag-Based KASAN only supports SLUB.
77
78 Usage
79 -----
80
81 To enable KASAN, configure the kernel with::
82
83           CONFIG_KASAN=y
84
85 and choose between ``CONFIG_KASAN_GENERIC`` (to enable Generic KASAN),
86 ``CONFIG_KASAN_SW_TAGS`` (to enable Software Tag-Based KASAN), and
87 ``CONFIG_KASAN_HW_TAGS`` (to enable Hardware Tag-Based KASAN).
88
89 For the software modes, also choose between ``CONFIG_KASAN_OUTLINE`` and
90 ``CONFIG_KASAN_INLINE``. Outline and inline are compiler instrumentation types.
91 The former produces a smaller binary while the latter is up to 2 times faster.
92
93 To include alloc and free stack traces of affected slab objects into reports,
94 enable ``CONFIG_STACKTRACE``. To include alloc and free stack traces of affected
95 physical pages, enable ``CONFIG_PAGE_OWNER`` and boot with ``page_owner=on``.
96
97 Boot parameters
98 ~~~~~~~~~~~~~~~
99
100 KASAN is affected by the generic ``panic_on_warn`` command line parameter.
101 When it is enabled, KASAN panics the kernel after printing a bug report.
102
103 By default, KASAN prints a bug report only for the first invalid memory access.
104 With ``kasan_multi_shot``, KASAN prints a report on every invalid access. This
105 effectively disables ``panic_on_warn`` for KASAN reports.
106
107 Alternatively, independent of ``panic_on_warn``, the ``kasan.fault=`` boot
108 parameter can be used to control panic and reporting behaviour:
109
110 - ``kasan.fault=report`` or ``=panic`` controls whether to only print a KASAN
111   report or also panic the kernel (default: ``report``). The panic happens even
112   if ``kasan_multi_shot`` is enabled.
113
114 Hardware Tag-Based KASAN mode (see the section about various modes below) is
115 intended for use in production as a security mitigation. Therefore, it supports
116 additional boot parameters that allow disabling KASAN or controlling features:
117
118 - ``kasan=off`` or ``=on`` controls whether KASAN is enabled (default: ``on``).
119
120 - ``kasan.mode=sync``, ``=async`` or ``=asymm`` controls whether KASAN
121   is configured in synchronous, asynchronous or asymmetric mode of
122   execution (default: ``sync``).
123   Synchronous mode: a bad access is detected immediately when a tag
124   check fault occurs.
125   Asynchronous mode: a bad access detection is delayed. When a tag check
126   fault occurs, the information is stored in hardware (in the TFSR_EL1
127   register for arm64). The kernel periodically checks the hardware and
128   only reports tag faults during these checks.
129   Asymmetric mode: a bad access is detected synchronously on reads and
130   asynchronously on writes.
131
132 - ``kasan.vmalloc=off`` or ``=on`` disables or enables tagging of vmalloc
133   allocations (default: ``on``).
134
135 - ``kasan.stacktrace=off`` or ``=on`` disables or enables alloc and free stack
136   traces collection (default: ``on``).
137
138 Error reports
139 ~~~~~~~~~~~~~
140
141 A typical KASAN report looks like this::
142
143     ==================================================================
144     BUG: KASAN: slab-out-of-bounds in kmalloc_oob_right+0xa8/0xbc [test_kasan]
145     Write of size 1 at addr ffff8801f44ec37b by task insmod/2760
146
147     CPU: 1 PID: 2760 Comm: insmod Not tainted 4.19.0-rc3+ #698
148     Hardware name: QEMU Standard PC (i440FX + PIIX, 1996), BIOS 1.10.2-1 04/01/2014
149     Call Trace:
150      dump_stack+0x94/0xd8
151      print_address_description+0x73/0x280
152      kasan_report+0x144/0x187
153      __asan_report_store1_noabort+0x17/0x20
154      kmalloc_oob_right+0xa8/0xbc [test_kasan]
155      kmalloc_tests_init+0x16/0x700 [test_kasan]
156      do_one_initcall+0xa5/0x3ae
157      do_init_module+0x1b6/0x547
158      load_module+0x75df/0x8070
159      __do_sys_init_module+0x1c6/0x200
160      __x64_sys_init_module+0x6e/0xb0
161      do_syscall_64+0x9f/0x2c0
162      entry_SYSCALL_64_after_hwframe+0x44/0xa9
163     RIP: 0033:0x7f96443109da
164     RSP: 002b:00007ffcf0b51b08 EFLAGS: 00000202 ORIG_RAX: 00000000000000af
165     RAX: ffffffffffffffda RBX: 000055dc3ee521a0 RCX: 00007f96443109da
166     RDX: 00007f96445cff88 RSI: 0000000000057a50 RDI: 00007f9644992000
167     RBP: 000055dc3ee510b0 R08: 0000000000000003 R09: 0000000000000000
168     R10: 00007f964430cd0a R11: 0000000000000202 R12: 00007f96445cff88
169     R13: 000055dc3ee51090 R14: 0000000000000000 R15: 0000000000000000
170
171     Allocated by task 2760:
172      save_stack+0x43/0xd0
173      kasan_kmalloc+0xa7/0xd0
174      kmem_cache_alloc_trace+0xe1/0x1b0
175      kmalloc_oob_right+0x56/0xbc [test_kasan]
176      kmalloc_tests_init+0x16/0x700 [test_kasan]
177      do_one_initcall+0xa5/0x3ae
178      do_init_module+0x1b6/0x547
179      load_module+0x75df/0x8070
180      __do_sys_init_module+0x1c6/0x200
181      __x64_sys_init_module+0x6e/0xb0
182      do_syscall_64+0x9f/0x2c0
183      entry_SYSCALL_64_after_hwframe+0x44/0xa9
184
185     Freed by task 815:
186      save_stack+0x43/0xd0
187      __kasan_slab_free+0x135/0x190
188      kasan_slab_free+0xe/0x10
189      kfree+0x93/0x1a0
190      umh_complete+0x6a/0xa0
191      call_usermodehelper_exec_async+0x4c3/0x640
192      ret_from_fork+0x35/0x40
193
194     The buggy address belongs to the object at ffff8801f44ec300
195      which belongs to the cache kmalloc-128 of size 128
196     The buggy address is located 123 bytes inside of
197      128-byte region [ffff8801f44ec300, ffff8801f44ec380)
198     The buggy address belongs to the page:
199     page:ffffea0007d13b00 count:1 mapcount:0 mapping:ffff8801f7001640 index:0x0
200     flags: 0x200000000000100(slab)
201     raw: 0200000000000100 ffffea0007d11dc0 0000001a0000001a ffff8801f7001640
202     raw: 0000000000000000 0000000080150015 00000001ffffffff 0000000000000000
203     page dumped because: kasan: bad access detected
204
205     Memory state around the buggy address:
206      ffff8801f44ec200: fc fc fc fc fc fc fc fc fb fb fb fb fb fb fb fb
207      ffff8801f44ec280: fb fb fb fb fb fb fb fb fc fc fc fc fc fc fc fc
208     >ffff8801f44ec300: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 03
209                                                                     ^
210      ffff8801f44ec380: fc fc fc fc fc fc fc fc fb fb fb fb fb fb fb fb
211      ffff8801f44ec400: fb fb fb fb fb fb fb fb fc fc fc fc fc fc fc fc
212     ==================================================================
213
214 The report header summarizes what kind of bug happened and what kind of access
215 caused it. It is followed by a stack trace of the bad access, a stack trace of
216 where the accessed memory was allocated (in case a slab object was accessed),
217 and a stack trace of where the object was freed (in case of a use-after-free
218 bug report). Next comes a description of the accessed slab object and the
219 information about the accessed memory page.
220
221 In the end, the report shows the memory state around the accessed address.
222 Internally, KASAN tracks memory state separately for each memory granule, which
223 is either 8 or 16 aligned bytes depending on KASAN mode. Each number in the
224 memory state section of the report shows the state of one of the memory
225 granules that surround the accessed address.
226
227 For Generic KASAN, the size of each memory granule is 8. The state of each
228 granule is encoded in one shadow byte. Those 8 bytes can be accessible,
229 partially accessible, freed, or be a part of a redzone. KASAN uses the following
230 encoding for each shadow byte: 00 means that all 8 bytes of the corresponding
231 memory region are accessible; number N (1 <= N <= 7) means that the first N
232 bytes are accessible, and other (8 - N) bytes are not; any negative value
233 indicates that the entire 8-byte word is inaccessible. KASAN uses different
234 negative values to distinguish between different kinds of inaccessible memory
235 like redzones or freed memory (see mm/kasan/kasan.h).
236
237 In the report above, the arrow points to the shadow byte ``03``, which means
238 that the accessed address is partially accessible.
239
240 For tag-based KASAN modes, this last report section shows the memory tags around
241 the accessed address (see the `Implementation details`_ section).
242
243 Note that KASAN bug titles (like ``slab-out-of-bounds`` or ``use-after-free``)
244 are best-effort: KASAN prints the most probable bug type based on the limited
245 information it has. The actual type of the bug might be different.
246
247 Generic KASAN also reports up to two auxiliary call stack traces. These stack
248 traces point to places in code that interacted with the object but that are not
249 directly present in the bad access stack trace. Currently, this includes
250 call_rcu() and workqueue queuing.
251
252 Implementation details
253 ----------------------
254
255 Generic KASAN
256 ~~~~~~~~~~~~~
257
258 Software KASAN modes use shadow memory to record whether each byte of memory is
259 safe to access and use compile-time instrumentation to insert shadow memory
260 checks before each memory access.
261
262 Generic KASAN dedicates 1/8th of kernel memory to its shadow memory (16TB
263 to cover 128TB on x86_64) and uses direct mapping with a scale and offset to
264 translate a memory address to its corresponding shadow address.
265
266 Here is the function which translates an address to its corresponding shadow
267 address::
268
269     static inline void *kasan_mem_to_shadow(const void *addr)
270     {
271         return (void *)((unsigned long)addr >> KASAN_SHADOW_SCALE_SHIFT)
272                 + KASAN_SHADOW_OFFSET;
273     }
274
275 where ``KASAN_SHADOW_SCALE_SHIFT = 3``.
276
277 Compile-time instrumentation is used to insert memory access checks. Compiler
278 inserts function calls (``__asan_load*(addr)``, ``__asan_store*(addr)``) before
279 each memory access of size 1, 2, 4, 8, or 16. These functions check whether
280 memory accesses are valid or not by checking corresponding shadow memory.
281
282 With inline instrumentation, instead of making function calls, the compiler
283 directly inserts the code to check shadow memory. This option significantly
284 enlarges the kernel, but it gives an x1.1-x2 performance boost over the
285 outline-instrumented kernel.
286
287 Generic KASAN is the only mode that delays the reuse of freed objects via
288 quarantine (see mm/kasan/quarantine.c for implementation).
289
290 Software Tag-Based KASAN
291 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
292
293 Software Tag-Based KASAN uses a software memory tagging approach to checking
294 access validity. It is currently only implemented for the arm64 architecture.
295
296 Software Tag-Based KASAN uses the Top Byte Ignore (TBI) feature of arm64 CPUs
297 to store a pointer tag in the top byte of kernel pointers. It uses shadow memory
298 to store memory tags associated with each 16-byte memory cell (therefore, it
299 dedicates 1/16th of the kernel memory for shadow memory).
300
301 On each memory allocation, Software Tag-Based KASAN generates a random tag, tags
302 the allocated memory with this tag, and embeds the same tag into the returned
303 pointer.
304
305 Software Tag-Based KASAN uses compile-time instrumentation to insert checks
306 before each memory access. These checks make sure that the tag of the memory
307 that is being accessed is equal to the tag of the pointer that is used to access
308 this memory. In case of a tag mismatch, Software Tag-Based KASAN prints a bug
309 report.
310
311 Software Tag-Based KASAN also has two instrumentation modes (outline, which
312 emits callbacks to check memory accesses; and inline, which performs the shadow
313 memory checks inline). With outline instrumentation mode, a bug report is
314 printed from the function that performs the access check. With inline
315 instrumentation, a ``brk`` instruction is emitted by the compiler, and a
316 dedicated ``brk`` handler is used to print bug reports.
317
318 Software Tag-Based KASAN uses 0xFF as a match-all pointer tag (accesses through
319 pointers with the 0xFF pointer tag are not checked). The value 0xFE is currently
320 reserved to tag freed memory regions.
321
322 Hardware Tag-Based KASAN
323 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
324
325 Hardware Tag-Based KASAN is similar to the software mode in concept but uses
326 hardware memory tagging support instead of compiler instrumentation and
327 shadow memory.
328
329 Hardware Tag-Based KASAN is currently only implemented for arm64 architecture
330 and based on both arm64 Memory Tagging Extension (MTE) introduced in ARMv8.5
331 Instruction Set Architecture and Top Byte Ignore (TBI).
332
333 Special arm64 instructions are used to assign memory tags for each allocation.
334 Same tags are assigned to pointers to those allocations. On every memory
335 access, hardware makes sure that the tag of the memory that is being accessed is
336 equal to the tag of the pointer that is used to access this memory. In case of a
337 tag mismatch, a fault is generated, and a report is printed.
338
339 Hardware Tag-Based KASAN uses 0xFF as a match-all pointer tag (accesses through
340 pointers with the 0xFF pointer tag are not checked). The value 0xFE is currently
341 reserved to tag freed memory regions.
342
343 If the hardware does not support MTE (pre ARMv8.5), Hardware Tag-Based KASAN
344 will not be enabled. In this case, all KASAN boot parameters are ignored.
345
346 Note that enabling CONFIG_KASAN_HW_TAGS always results in in-kernel TBI being
347 enabled. Even when ``kasan.mode=off`` is provided or when the hardware does not
348 support MTE (but supports TBI).
349
350 Hardware Tag-Based KASAN only reports the first found bug. After that, MTE tag
351 checking gets disabled.
352
353 Shadow memory
354 -------------
355
356 The contents of this section are only applicable to software KASAN modes.
357
358 The kernel maps memory in several different parts of the address space.
359 The range of kernel virtual addresses is large: there is not enough real
360 memory to support a real shadow region for every address that could be
361 accessed by the kernel. Therefore, KASAN only maps real shadow for certain
362 parts of the address space.
363
364 Default behaviour
365 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
366
367 By default, architectures only map real memory over the shadow region
368 for the linear mapping (and potentially other small areas). For all
369 other areas - such as vmalloc and vmemmap space - a single read-only
370 page is mapped over the shadow area. This read-only shadow page
371 declares all memory accesses as permitted.
372
373 This presents a problem for modules: they do not live in the linear
374 mapping but in a dedicated module space. By hooking into the module
375 allocator, KASAN temporarily maps real shadow memory to cover them.
376 This allows detection of invalid accesses to module globals, for example.
377
378 This also creates an incompatibility with ``VMAP_STACK``: if the stack
379 lives in vmalloc space, it will be shadowed by the read-only page, and
380 the kernel will fault when trying to set up the shadow data for stack
381 variables.
382
383 CONFIG_KASAN_VMALLOC
384 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
385
386 With ``CONFIG_KASAN_VMALLOC``, KASAN can cover vmalloc space at the
387 cost of greater memory usage. Currently, this is supported on x86,
388 arm64, riscv, s390, and powerpc.
389
390 This works by hooking into vmalloc and vmap and dynamically
391 allocating real shadow memory to back the mappings.
392
393 Most mappings in vmalloc space are small, requiring less than a full
394 page of shadow space. Allocating a full shadow page per mapping would
395 therefore be wasteful. Furthermore, to ensure that different mappings
396 use different shadow pages, mappings would have to be aligned to
397 ``KASAN_GRANULE_SIZE * PAGE_SIZE``.
398
399 Instead, KASAN shares backing space across multiple mappings. It allocates
400 a backing page when a mapping in vmalloc space uses a particular page
401 of the shadow region. This page can be shared by other vmalloc
402 mappings later on.
403
404 KASAN hooks into the vmap infrastructure to lazily clean up unused shadow
405 memory.
406
407 To avoid the difficulties around swapping mappings around, KASAN expects
408 that the part of the shadow region that covers the vmalloc space will
409 not be covered by the early shadow page but will be left unmapped.
410 This will require changes in arch-specific code.
411
412 This allows ``VMAP_STACK`` support on x86 and can simplify support of
413 architectures that do not have a fixed module region.
414
415 For developers
416 --------------
417
418 Ignoring accesses
419 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
420
421 Software KASAN modes use compiler instrumentation to insert validity checks.
422 Such instrumentation might be incompatible with some parts of the kernel, and
423 therefore needs to be disabled.
424
425 Other parts of the kernel might access metadata for allocated objects.
426 Normally, KASAN detects and reports such accesses, but in some cases (e.g.,
427 in memory allocators), these accesses are valid.
428
429 For software KASAN modes, to disable instrumentation for a specific file or
430 directory, add a ``KASAN_SANITIZE`` annotation to the respective kernel
431 Makefile:
432
433 - For a single file (e.g., main.o)::
434
435     KASAN_SANITIZE_main.o := n
436
437 - For all files in one directory::
438
439     KASAN_SANITIZE := n
440
441 For software KASAN modes, to disable instrumentation on a per-function basis,
442 use the KASAN-specific ``__no_sanitize_address`` function attribute or the
443 generic ``noinstr`` one.
444
445 Note that disabling compiler instrumentation (either on a per-file or a
446 per-function basis) makes KASAN ignore the accesses that happen directly in
447 that code for software KASAN modes. It does not help when the accesses happen
448 indirectly (through calls to instrumented functions) or with Hardware
449 Tag-Based KASAN, which does not use compiler instrumentation.
450
451 For software KASAN modes, to disable KASAN reports in a part of the kernel code
452 for the current task, annotate this part of the code with a
453 ``kasan_disable_current()``/``kasan_enable_current()`` section. This also
454 disables the reports for indirect accesses that happen through function calls.
455
456 For tag-based KASAN modes, to disable access checking, use
457 ``kasan_reset_tag()`` or ``page_kasan_tag_reset()``. Note that temporarily
458 disabling access checking via ``page_kasan_tag_reset()`` requires saving and
459 restoring the per-page KASAN tag via ``page_kasan_tag``/``page_kasan_tag_set``.
460
461 Tests
462 ~~~~~
463
464 There are KASAN tests that allow verifying that KASAN works and can detect
465 certain types of memory corruptions. The tests consist of two parts:
466
467 1. Tests that are integrated with the KUnit Test Framework. Enabled with
468 ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST``. These tests can be run and partially verified
469 automatically in a few different ways; see the instructions below.
470
471 2. Tests that are currently incompatible with KUnit. Enabled with
472 ``CONFIG_KASAN_MODULE_TEST`` and can only be run as a module. These tests can
473 only be verified manually by loading the kernel module and inspecting the
474 kernel log for KASAN reports.
475
476 Each KUnit-compatible KASAN test prints one of multiple KASAN reports if an
477 error is detected. Then the test prints its number and status.
478
479 When a test passes::
480
481         ok 28 - kmalloc_double_kzfree
482
483 When a test fails due to a failed ``kmalloc``::
484
485         # kmalloc_large_oob_right: ASSERTION FAILED at lib/test_kasan.c:163
486         Expected ptr is not null, but is
487         not ok 4 - kmalloc_large_oob_right
488
489 When a test fails due to a missing KASAN report::
490
491         # kmalloc_double_kzfree: EXPECTATION FAILED at lib/test_kasan.c:974
492         KASAN failure expected in "kfree_sensitive(ptr)", but none occurred
493         not ok 44 - kmalloc_double_kzfree
494
495
496 At the end the cumulative status of all KASAN tests is printed. On success::
497
498         ok 1 - kasan
499
500 Or, if one of the tests failed::
501
502         not ok 1 - kasan
503
504 There are a few ways to run KUnit-compatible KASAN tests.
505
506 1. Loadable module
507
508    With ``CONFIG_KUNIT`` enabled, KASAN-KUnit tests can be built as a loadable
509    module and run by loading ``test_kasan.ko`` with ``insmod`` or ``modprobe``.
510
511 2. Built-In
512
513    With ``CONFIG_KUNIT`` built-in, KASAN-KUnit tests can be built-in as well.
514    In this case, the tests will run at boot as a late-init call.
515
516 3. Using kunit_tool
517
518    With ``CONFIG_KUNIT`` and ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST`` built-in, it is also
519    possible to use ``kunit_tool`` to see the results of KUnit tests in a more
520    readable way. This will not print the KASAN reports of the tests that passed.
521    See `KUnit documentation <https://www.kernel.org/doc/html/latest/dev-tools/kunit/index.html>`_
522    for more up-to-date information on ``kunit_tool``.
523
524 .. _KUnit: https://www.kernel.org/doc/html/latest/dev-tools/kunit/index.html