Merge tag 'nfs-for-5.18-1' of git://git.linux-nfs.org/projects/trondmy/linux-nfs
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / dev-tools / kasan.rst
1 The Kernel Address Sanitizer (KASAN)
2 ====================================
3
4 Overview
5 --------
6
7 KernelAddressSANitizer (KASAN) is a dynamic memory safety error detector
8 designed to find out-of-bound and use-after-free bugs. KASAN has three modes:
9
10 1. generic KASAN (similar to userspace ASan),
11 2. software tag-based KASAN (similar to userspace HWASan),
12 3. hardware tag-based KASAN (based on hardware memory tagging).
13
14 Generic KASAN is mainly used for debugging due to a large memory overhead.
15 Software tag-based KASAN can be used for dogfood testing as it has a lower
16 memory overhead that allows using it with real workloads. Hardware tag-based
17 KASAN comes with low memory and performance overheads and, therefore, can be
18 used in production. Either as an in-field memory bug detector or as a security
19 mitigation.
20
21 Software KASAN modes (#1 and #2) use compile-time instrumentation to insert
22 validity checks before every memory access and, therefore, require a compiler
23 version that supports that.
24
25 Generic KASAN is supported in GCC and Clang. With GCC, it requires version
26 8.3.0 or later. Any supported Clang version is compatible, but detection of
27 out-of-bounds accesses for global variables is only supported since Clang 11.
28
29 Software tag-based KASAN mode is only supported in Clang.
30
31 The hardware KASAN mode (#3) relies on hardware to perform the checks but
32 still requires a compiler version that supports memory tagging instructions.
33 This mode is supported in GCC 10+ and Clang 12+.
34
35 Both software KASAN modes work with SLUB and SLAB memory allocators,
36 while the hardware tag-based KASAN currently only supports SLUB.
37
38 Currently, generic KASAN is supported for the x86_64, arm, arm64, xtensa, s390,
39 and riscv architectures, and tag-based KASAN modes are supported only for arm64.
40
41 Usage
42 -----
43
44 To enable KASAN, configure the kernel with::
45
46           CONFIG_KASAN=y
47
48 and choose between ``CONFIG_KASAN_GENERIC`` (to enable generic KASAN),
49 ``CONFIG_KASAN_SW_TAGS`` (to enable software tag-based KASAN), and
50 ``CONFIG_KASAN_HW_TAGS`` (to enable hardware tag-based KASAN).
51
52 For software modes, also choose between ``CONFIG_KASAN_OUTLINE`` and
53 ``CONFIG_KASAN_INLINE``. Outline and inline are compiler instrumentation types.
54 The former produces a smaller binary while the latter is 1.1-2 times faster.
55
56 To include alloc and free stack traces of affected slab objects into reports,
57 enable ``CONFIG_STACKTRACE``. To include alloc and free stack traces of affected
58 physical pages, enable ``CONFIG_PAGE_OWNER`` and boot with ``page_owner=on``.
59
60 Error reports
61 ~~~~~~~~~~~~~
62
63 A typical KASAN report looks like this::
64
65     ==================================================================
66     BUG: KASAN: slab-out-of-bounds in kmalloc_oob_right+0xa8/0xbc [test_kasan]
67     Write of size 1 at addr ffff8801f44ec37b by task insmod/2760
68
69     CPU: 1 PID: 2760 Comm: insmod Not tainted 4.19.0-rc3+ #698
70     Hardware name: QEMU Standard PC (i440FX + PIIX, 1996), BIOS 1.10.2-1 04/01/2014
71     Call Trace:
72      dump_stack+0x94/0xd8
73      print_address_description+0x73/0x280
74      kasan_report+0x144/0x187
75      __asan_report_store1_noabort+0x17/0x20
76      kmalloc_oob_right+0xa8/0xbc [test_kasan]
77      kmalloc_tests_init+0x16/0x700 [test_kasan]
78      do_one_initcall+0xa5/0x3ae
79      do_init_module+0x1b6/0x547
80      load_module+0x75df/0x8070
81      __do_sys_init_module+0x1c6/0x200
82      __x64_sys_init_module+0x6e/0xb0
83      do_syscall_64+0x9f/0x2c0
84      entry_SYSCALL_64_after_hwframe+0x44/0xa9
85     RIP: 0033:0x7f96443109da
86     RSP: 002b:00007ffcf0b51b08 EFLAGS: 00000202 ORIG_RAX: 00000000000000af
87     RAX: ffffffffffffffda RBX: 000055dc3ee521a0 RCX: 00007f96443109da
88     RDX: 00007f96445cff88 RSI: 0000000000057a50 RDI: 00007f9644992000
89     RBP: 000055dc3ee510b0 R08: 0000000000000003 R09: 0000000000000000
90     R10: 00007f964430cd0a R11: 0000000000000202 R12: 00007f96445cff88
91     R13: 000055dc3ee51090 R14: 0000000000000000 R15: 0000000000000000
92
93     Allocated by task 2760:
94      save_stack+0x43/0xd0
95      kasan_kmalloc+0xa7/0xd0
96      kmem_cache_alloc_trace+0xe1/0x1b0
97      kmalloc_oob_right+0x56/0xbc [test_kasan]
98      kmalloc_tests_init+0x16/0x700 [test_kasan]
99      do_one_initcall+0xa5/0x3ae
100      do_init_module+0x1b6/0x547
101      load_module+0x75df/0x8070
102      __do_sys_init_module+0x1c6/0x200
103      __x64_sys_init_module+0x6e/0xb0
104      do_syscall_64+0x9f/0x2c0
105      entry_SYSCALL_64_after_hwframe+0x44/0xa9
106
107     Freed by task 815:
108      save_stack+0x43/0xd0
109      __kasan_slab_free+0x135/0x190
110      kasan_slab_free+0xe/0x10
111      kfree+0x93/0x1a0
112      umh_complete+0x6a/0xa0
113      call_usermodehelper_exec_async+0x4c3/0x640
114      ret_from_fork+0x35/0x40
115
116     The buggy address belongs to the object at ffff8801f44ec300
117      which belongs to the cache kmalloc-128 of size 128
118     The buggy address is located 123 bytes inside of
119      128-byte region [ffff8801f44ec300, ffff8801f44ec380)
120     The buggy address belongs to the page:
121     page:ffffea0007d13b00 count:1 mapcount:0 mapping:ffff8801f7001640 index:0x0
122     flags: 0x200000000000100(slab)
123     raw: 0200000000000100 ffffea0007d11dc0 0000001a0000001a ffff8801f7001640
124     raw: 0000000000000000 0000000080150015 00000001ffffffff 0000000000000000
125     page dumped because: kasan: bad access detected
126
127     Memory state around the buggy address:
128      ffff8801f44ec200: fc fc fc fc fc fc fc fc fb fb fb fb fb fb fb fb
129      ffff8801f44ec280: fb fb fb fb fb fb fb fb fc fc fc fc fc fc fc fc
130     >ffff8801f44ec300: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 03
131                                                                     ^
132      ffff8801f44ec380: fc fc fc fc fc fc fc fc fb fb fb fb fb fb fb fb
133      ffff8801f44ec400: fb fb fb fb fb fb fb fb fc fc fc fc fc fc fc fc
134     ==================================================================
135
136 The report header summarizes what kind of bug happened and what kind of access
137 caused it. It is followed by a stack trace of the bad access, a stack trace of
138 where the accessed memory was allocated (in case a slab object was accessed),
139 and a stack trace of where the object was freed (in case of a use-after-free
140 bug report). Next comes a description of the accessed slab object and the
141 information about the accessed memory page.
142
143 In the end, the report shows the memory state around the accessed address.
144 Internally, KASAN tracks memory state separately for each memory granule, which
145 is either 8 or 16 aligned bytes depending on KASAN mode. Each number in the
146 memory state section of the report shows the state of one of the memory
147 granules that surround the accessed address.
148
149 For generic KASAN, the size of each memory granule is 8. The state of each
150 granule is encoded in one shadow byte. Those 8 bytes can be accessible,
151 partially accessible, freed, or be a part of a redzone. KASAN uses the following
152 encoding for each shadow byte: 00 means that all 8 bytes of the corresponding
153 memory region are accessible; number N (1 <= N <= 7) means that the first N
154 bytes are accessible, and other (8 - N) bytes are not; any negative value
155 indicates that the entire 8-byte word is inaccessible. KASAN uses different
156 negative values to distinguish between different kinds of inaccessible memory
157 like redzones or freed memory (see mm/kasan/kasan.h).
158
159 In the report above, the arrow points to the shadow byte ``03``, which means
160 that the accessed address is partially accessible.
161
162 For tag-based KASAN modes, this last report section shows the memory tags around
163 the accessed address (see the `Implementation details`_ section).
164
165 Note that KASAN bug titles (like ``slab-out-of-bounds`` or ``use-after-free``)
166 are best-effort: KASAN prints the most probable bug type based on the limited
167 information it has. The actual type of the bug might be different.
168
169 Generic KASAN also reports up to two auxiliary call stack traces. These stack
170 traces point to places in code that interacted with the object but that are not
171 directly present in the bad access stack trace. Currently, this includes
172 call_rcu() and workqueue queuing.
173
174 Boot parameters
175 ~~~~~~~~~~~~~~~
176
177 KASAN is affected by the generic ``panic_on_warn`` command line parameter.
178 When it is enabled, KASAN panics the kernel after printing a bug report.
179
180 By default, KASAN prints a bug report only for the first invalid memory access.
181 With ``kasan_multi_shot``, KASAN prints a report on every invalid access. This
182 effectively disables ``panic_on_warn`` for KASAN reports.
183
184 Alternatively, independent of ``panic_on_warn`` the ``kasan.fault=`` boot
185 parameter can be used to control panic and reporting behaviour:
186
187 - ``kasan.fault=report`` or ``=panic`` controls whether to only print a KASAN
188   report or also panic the kernel (default: ``report``). The panic happens even
189   if ``kasan_multi_shot`` is enabled.
190
191 Hardware tag-based KASAN mode (see the section about various modes below) is
192 intended for use in production as a security mitigation. Therefore, it supports
193 additional boot parameters that allow disabling KASAN or controlling features:
194
195 - ``kasan=off`` or ``=on`` controls whether KASAN is enabled (default: ``on``).
196
197 - ``kasan.mode=sync``, ``=async`` or ``=asymm`` controls whether KASAN
198   is configured in synchronous, asynchronous or asymmetric mode of
199   execution (default: ``sync``).
200   Synchronous mode: a bad access is detected immediately when a tag
201   check fault occurs.
202   Asynchronous mode: a bad access detection is delayed. When a tag check
203   fault occurs, the information is stored in hardware (in the TFSR_EL1
204   register for arm64). The kernel periodically checks the hardware and
205   only reports tag faults during these checks.
206   Asymmetric mode: a bad access is detected synchronously on reads and
207   asynchronously on writes.
208
209 - ``kasan.vmalloc=off`` or ``=on`` disables or enables tagging of vmalloc
210   allocations (default: ``on``).
211
212 - ``kasan.stacktrace=off`` or ``=on`` disables or enables alloc and free stack
213   traces collection (default: ``on``).
214
215 Implementation details
216 ----------------------
217
218 Generic KASAN
219 ~~~~~~~~~~~~~
220
221 Software KASAN modes use shadow memory to record whether each byte of memory is
222 safe to access and use compile-time instrumentation to insert shadow memory
223 checks before each memory access.
224
225 Generic KASAN dedicates 1/8th of kernel memory to its shadow memory (16TB
226 to cover 128TB on x86_64) and uses direct mapping with a scale and offset to
227 translate a memory address to its corresponding shadow address.
228
229 Here is the function which translates an address to its corresponding shadow
230 address::
231
232     static inline void *kasan_mem_to_shadow(const void *addr)
233     {
234         return (void *)((unsigned long)addr >> KASAN_SHADOW_SCALE_SHIFT)
235                 + KASAN_SHADOW_OFFSET;
236     }
237
238 where ``KASAN_SHADOW_SCALE_SHIFT = 3``.
239
240 Compile-time instrumentation is used to insert memory access checks. Compiler
241 inserts function calls (``__asan_load*(addr)``, ``__asan_store*(addr)``) before
242 each memory access of size 1, 2, 4, 8, or 16. These functions check whether
243 memory accesses are valid or not by checking corresponding shadow memory.
244
245 With inline instrumentation, instead of making function calls, the compiler
246 directly inserts the code to check shadow memory. This option significantly
247 enlarges the kernel, but it gives an x1.1-x2 performance boost over the
248 outline-instrumented kernel.
249
250 Generic KASAN is the only mode that delays the reuse of freed objects via
251 quarantine (see mm/kasan/quarantine.c for implementation).
252
253 Software tag-based KASAN
254 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
255
256 Software tag-based KASAN uses a software memory tagging approach to checking
257 access validity. It is currently only implemented for the arm64 architecture.
258
259 Software tag-based KASAN uses the Top Byte Ignore (TBI) feature of arm64 CPUs
260 to store a pointer tag in the top byte of kernel pointers. It uses shadow memory
261 to store memory tags associated with each 16-byte memory cell (therefore, it
262 dedicates 1/16th of the kernel memory for shadow memory).
263
264 On each memory allocation, software tag-based KASAN generates a random tag, tags
265 the allocated memory with this tag, and embeds the same tag into the returned
266 pointer.
267
268 Software tag-based KASAN uses compile-time instrumentation to insert checks
269 before each memory access. These checks make sure that the tag of the memory
270 that is being accessed is equal to the tag of the pointer that is used to access
271 this memory. In case of a tag mismatch, software tag-based KASAN prints a bug
272 report.
273
274 Software tag-based KASAN also has two instrumentation modes (outline, which
275 emits callbacks to check memory accesses; and inline, which performs the shadow
276 memory checks inline). With outline instrumentation mode, a bug report is
277 printed from the function that performs the access check. With inline
278 instrumentation, a ``brk`` instruction is emitted by the compiler, and a
279 dedicated ``brk`` handler is used to print bug reports.
280
281 Software tag-based KASAN uses 0xFF as a match-all pointer tag (accesses through
282 pointers with the 0xFF pointer tag are not checked). The value 0xFE is currently
283 reserved to tag freed memory regions.
284
285 Software tag-based KASAN currently only supports tagging of slab, page_alloc,
286 and vmalloc memory.
287
288 Hardware tag-based KASAN
289 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
290
291 Hardware tag-based KASAN is similar to the software mode in concept but uses
292 hardware memory tagging support instead of compiler instrumentation and
293 shadow memory.
294
295 Hardware tag-based KASAN is currently only implemented for arm64 architecture
296 and based on both arm64 Memory Tagging Extension (MTE) introduced in ARMv8.5
297 Instruction Set Architecture and Top Byte Ignore (TBI).
298
299 Special arm64 instructions are used to assign memory tags for each allocation.
300 Same tags are assigned to pointers to those allocations. On every memory
301 access, hardware makes sure that the tag of the memory that is being accessed is
302 equal to the tag of the pointer that is used to access this memory. In case of a
303 tag mismatch, a fault is generated, and a report is printed.
304
305 Hardware tag-based KASAN uses 0xFF as a match-all pointer tag (accesses through
306 pointers with the 0xFF pointer tag are not checked). The value 0xFE is currently
307 reserved to tag freed memory regions.
308
309 Hardware tag-based KASAN currently only supports tagging of slab, page_alloc,
310 and VM_ALLOC-based vmalloc memory.
311
312 If the hardware does not support MTE (pre ARMv8.5), hardware tag-based KASAN
313 will not be enabled. In this case, all KASAN boot parameters are ignored.
314
315 Note that enabling CONFIG_KASAN_HW_TAGS always results in in-kernel TBI being
316 enabled. Even when ``kasan.mode=off`` is provided or when the hardware does not
317 support MTE (but supports TBI).
318
319 Hardware tag-based KASAN only reports the first found bug. After that, MTE tag
320 checking gets disabled.
321
322 Shadow memory
323 -------------
324
325 The contents of this section are only applicable to software KASAN modes.
326
327 The kernel maps memory in several different parts of the address space.
328 The range of kernel virtual addresses is large: there is not enough real
329 memory to support a real shadow region for every address that could be
330 accessed by the kernel. Therefore, KASAN only maps real shadow for certain
331 parts of the address space.
332
333 Default behaviour
334 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
335
336 By default, architectures only map real memory over the shadow region
337 for the linear mapping (and potentially other small areas). For all
338 other areas - such as vmalloc and vmemmap space - a single read-only
339 page is mapped over the shadow area. This read-only shadow page
340 declares all memory accesses as permitted.
341
342 This presents a problem for modules: they do not live in the linear
343 mapping but in a dedicated module space. By hooking into the module
344 allocator, KASAN temporarily maps real shadow memory to cover them.
345 This allows detection of invalid accesses to module globals, for example.
346
347 This also creates an incompatibility with ``VMAP_STACK``: if the stack
348 lives in vmalloc space, it will be shadowed by the read-only page, and
349 the kernel will fault when trying to set up the shadow data for stack
350 variables.
351
352 CONFIG_KASAN_VMALLOC
353 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
354
355 With ``CONFIG_KASAN_VMALLOC``, KASAN can cover vmalloc space at the
356 cost of greater memory usage. Currently, this is supported on x86,
357 arm64, riscv, s390, and powerpc.
358
359 This works by hooking into vmalloc and vmap and dynamically
360 allocating real shadow memory to back the mappings.
361
362 Most mappings in vmalloc space are small, requiring less than a full
363 page of shadow space. Allocating a full shadow page per mapping would
364 therefore be wasteful. Furthermore, to ensure that different mappings
365 use different shadow pages, mappings would have to be aligned to
366 ``KASAN_GRANULE_SIZE * PAGE_SIZE``.
367
368 Instead, KASAN shares backing space across multiple mappings. It allocates
369 a backing page when a mapping in vmalloc space uses a particular page
370 of the shadow region. This page can be shared by other vmalloc
371 mappings later on.
372
373 KASAN hooks into the vmap infrastructure to lazily clean up unused shadow
374 memory.
375
376 To avoid the difficulties around swapping mappings around, KASAN expects
377 that the part of the shadow region that covers the vmalloc space will
378 not be covered by the early shadow page but will be left unmapped.
379 This will require changes in arch-specific code.
380
381 This allows ``VMAP_STACK`` support on x86 and can simplify support of
382 architectures that do not have a fixed module region.
383
384 For developers
385 --------------
386
387 Ignoring accesses
388 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
389
390 Software KASAN modes use compiler instrumentation to insert validity checks.
391 Such instrumentation might be incompatible with some parts of the kernel, and
392 therefore needs to be disabled.
393
394 Other parts of the kernel might access metadata for allocated objects.
395 Normally, KASAN detects and reports such accesses, but in some cases (e.g.,
396 in memory allocators), these accesses are valid.
397
398 For software KASAN modes, to disable instrumentation for a specific file or
399 directory, add a ``KASAN_SANITIZE`` annotation to the respective kernel
400 Makefile:
401
402 - For a single file (e.g., main.o)::
403
404     KASAN_SANITIZE_main.o := n
405
406 - For all files in one directory::
407
408     KASAN_SANITIZE := n
409
410 For software KASAN modes, to disable instrumentation on a per-function basis,
411 use the KASAN-specific ``__no_sanitize_address`` function attribute or the
412 generic ``noinstr`` one.
413
414 Note that disabling compiler instrumentation (either on a per-file or a
415 per-function basis) makes KASAN ignore the accesses that happen directly in
416 that code for software KASAN modes. It does not help when the accesses happen
417 indirectly (through calls to instrumented functions) or with the hardware
418 tag-based mode that does not use compiler instrumentation.
419
420 For software KASAN modes, to disable KASAN reports in a part of the kernel code
421 for the current task, annotate this part of the code with a
422 ``kasan_disable_current()``/``kasan_enable_current()`` section. This also
423 disables the reports for indirect accesses that happen through function calls.
424
425 For tag-based KASAN modes (include the hardware one), to disable access
426 checking, use ``kasan_reset_tag()`` or ``page_kasan_tag_reset()``. Note that
427 temporarily disabling access checking via ``page_kasan_tag_reset()`` requires
428 saving and restoring the per-page KASAN tag via
429 ``page_kasan_tag``/``page_kasan_tag_set``.
430
431 Tests
432 ~~~~~
433
434 There are KASAN tests that allow verifying that KASAN works and can detect
435 certain types of memory corruptions. The tests consist of two parts:
436
437 1. Tests that are integrated with the KUnit Test Framework. Enabled with
438 ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST``. These tests can be run and partially verified
439 automatically in a few different ways; see the instructions below.
440
441 2. Tests that are currently incompatible with KUnit. Enabled with
442 ``CONFIG_KASAN_MODULE_TEST`` and can only be run as a module. These tests can
443 only be verified manually by loading the kernel module and inspecting the
444 kernel log for KASAN reports.
445
446 Each KUnit-compatible KASAN test prints one of multiple KASAN reports if an
447 error is detected. Then the test prints its number and status.
448
449 When a test passes::
450
451         ok 28 - kmalloc_double_kzfree
452
453 When a test fails due to a failed ``kmalloc``::
454
455         # kmalloc_large_oob_right: ASSERTION FAILED at lib/test_kasan.c:163
456         Expected ptr is not null, but is
457         not ok 4 - kmalloc_large_oob_right
458
459 When a test fails due to a missing KASAN report::
460
461         # kmalloc_double_kzfree: EXPECTATION FAILED at lib/test_kasan.c:974
462         KASAN failure expected in "kfree_sensitive(ptr)", but none occurred
463         not ok 44 - kmalloc_double_kzfree
464
465
466 At the end the cumulative status of all KASAN tests is printed. On success::
467
468         ok 1 - kasan
469
470 Or, if one of the tests failed::
471
472         not ok 1 - kasan
473
474 There are a few ways to run KUnit-compatible KASAN tests.
475
476 1. Loadable module
477
478    With ``CONFIG_KUNIT`` enabled, KASAN-KUnit tests can be built as a loadable
479    module and run by loading ``test_kasan.ko`` with ``insmod`` or ``modprobe``.
480
481 2. Built-In
482
483    With ``CONFIG_KUNIT`` built-in, KASAN-KUnit tests can be built-in as well.
484    In this case, the tests will run at boot as a late-init call.
485
486 3. Using kunit_tool
487
488    With ``CONFIG_KUNIT`` and ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST`` built-in, it is also
489    possible to use ``kunit_tool`` to see the results of KUnit tests in a more
490    readable way. This will not print the KASAN reports of the tests that passed.
491    See `KUnit documentation <https://www.kernel.org/doc/html/latest/dev-tools/kunit/index.html>`_
492    for more up-to-date information on ``kunit_tool``.
493
494 .. _KUnit: https://www.kernel.org/doc/html/latest/dev-tools/kunit/index.html