be7a0b0e1f28e7fa8e01f88a571465924dbe6d10
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / dev-tools / kcsan.rst
1 The Kernel Concurrency Sanitizer (KCSAN)
2 ========================================
3
4 The Kernel Concurrency Sanitizer (KCSAN) is a dynamic race detector, which
5 relies on compile-time instrumentation, and uses a watchpoint-based sampling
6 approach to detect races. KCSAN's primary purpose is to detect `data races`_.
7
8 Usage
9 -----
10
11 KCSAN is supported by both GCC and Clang. With GCC we require version 11 or
12 later, and with Clang also require version 11 or later.
13
14 To enable KCSAN configure the kernel with::
15
16     CONFIG_KCSAN = y
17
18 KCSAN provides several other configuration options to customize behaviour (see
19 the respective help text in ``lib/Kconfig.kcsan`` for more info).
20
21 Error reports
22 ~~~~~~~~~~~~~
23
24 A typical data race report looks like this::
25
26     ==================================================================
27     BUG: KCSAN: data-race in generic_permission / kernfs_refresh_inode
28
29     write to 0xffff8fee4c40700c of 4 bytes by task 175 on cpu 4:
30      kernfs_refresh_inode+0x70/0x170
31      kernfs_iop_permission+0x4f/0x90
32      inode_permission+0x190/0x200
33      link_path_walk.part.0+0x503/0x8e0
34      path_lookupat.isra.0+0x69/0x4d0
35      filename_lookup+0x136/0x280
36      user_path_at_empty+0x47/0x60
37      vfs_statx+0x9b/0x130
38      __do_sys_newlstat+0x50/0xb0
39      __x64_sys_newlstat+0x37/0x50
40      do_syscall_64+0x85/0x260
41      entry_SYSCALL_64_after_hwframe+0x44/0xa9
42
43     read to 0xffff8fee4c40700c of 4 bytes by task 166 on cpu 6:
44      generic_permission+0x5b/0x2a0
45      kernfs_iop_permission+0x66/0x90
46      inode_permission+0x190/0x200
47      link_path_walk.part.0+0x503/0x8e0
48      path_lookupat.isra.0+0x69/0x4d0
49      filename_lookup+0x136/0x280
50      user_path_at_empty+0x47/0x60
51      do_faccessat+0x11a/0x390
52      __x64_sys_access+0x3c/0x50
53      do_syscall_64+0x85/0x260
54      entry_SYSCALL_64_after_hwframe+0x44/0xa9
55
56     Reported by Kernel Concurrency Sanitizer on:
57     CPU: 6 PID: 166 Comm: systemd-journal Not tainted 5.3.0-rc7+ #1
58     Hardware name: QEMU Standard PC (i440FX + PIIX, 1996), BIOS 1.12.0-1 04/01/2014
59     ==================================================================
60
61 The header of the report provides a short summary of the functions involved in
62 the race. It is followed by the access types and stack traces of the 2 threads
63 involved in the data race.
64
65 The other less common type of data race report looks like this::
66
67     ==================================================================
68     BUG: KCSAN: data-race in e1000_clean_rx_irq+0x551/0xb10
69
70     race at unknown origin, with read to 0xffff933db8a2ae6c of 1 bytes by interrupt on cpu 0:
71      e1000_clean_rx_irq+0x551/0xb10
72      e1000_clean+0x533/0xda0
73      net_rx_action+0x329/0x900
74      __do_softirq+0xdb/0x2db
75      irq_exit+0x9b/0xa0
76      do_IRQ+0x9c/0xf0
77      ret_from_intr+0x0/0x18
78      default_idle+0x3f/0x220
79      arch_cpu_idle+0x21/0x30
80      do_idle+0x1df/0x230
81      cpu_startup_entry+0x14/0x20
82      rest_init+0xc5/0xcb
83      arch_call_rest_init+0x13/0x2b
84      start_kernel+0x6db/0x700
85
86     Reported by Kernel Concurrency Sanitizer on:
87     CPU: 0 PID: 0 Comm: swapper/0 Not tainted 5.3.0-rc7+ #2
88     Hardware name: QEMU Standard PC (i440FX + PIIX, 1996), BIOS 1.12.0-1 04/01/2014
89     ==================================================================
90
91 This report is generated where it was not possible to determine the other
92 racing thread, but a race was inferred due to the data value of the watched
93 memory location having changed. These can occur either due to missing
94 instrumentation or e.g. DMA accesses. These reports will only be generated if
95 ``CONFIG_KCSAN_REPORT_RACE_UNKNOWN_ORIGIN=y`` (selected by default).
96
97 Selective analysis
98 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
99
100 It may be desirable to disable data race detection for specific accesses,
101 functions, compilation units, or entire subsystems.  For static blacklisting,
102 the below options are available:
103
104 * KCSAN understands the ``data_race(expr)`` annotation, which tells KCSAN that
105   any data races due to accesses in ``expr`` should be ignored and resulting
106   behaviour when encountering a data race is deemed safe.
107
108 * Disabling data race detection for entire functions can be accomplished by
109   using the function attribute ``__no_kcsan``::
110
111     __no_kcsan
112     void foo(void) {
113         ...
114
115   To dynamically limit for which functions to generate reports, see the
116   `DebugFS interface`_ blacklist/whitelist feature.
117
118 * To disable data race detection for a particular compilation unit, add to the
119   ``Makefile``::
120
121     KCSAN_SANITIZE_file.o := n
122
123 * To disable data race detection for all compilation units listed in a
124   ``Makefile``, add to the respective ``Makefile``::
125
126     KCSAN_SANITIZE := n
127
128 Furthermore, it is possible to tell KCSAN to show or hide entire classes of
129 data races, depending on preferences. These can be changed via the following
130 Kconfig options:
131
132 * ``CONFIG_KCSAN_REPORT_VALUE_CHANGE_ONLY``: If enabled and a conflicting write
133   is observed via a watchpoint, but the data value of the memory location was
134   observed to remain unchanged, do not report the data race.
135
136 * ``CONFIG_KCSAN_ASSUME_PLAIN_WRITES_ATOMIC``: Assume that plain aligned writes
137   up to word size are atomic by default. Assumes that such writes are not
138   subject to unsafe compiler optimizations resulting in data races. The option
139   causes KCSAN to not report data races due to conflicts where the only plain
140   accesses are aligned writes up to word size.
141
142 DebugFS interface
143 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
144
145 The file ``/sys/kernel/debug/kcsan`` provides the following interface:
146
147 * Reading ``/sys/kernel/debug/kcsan`` returns various runtime statistics.
148
149 * Writing ``on`` or ``off`` to ``/sys/kernel/debug/kcsan`` allows turning KCSAN
150   on or off, respectively.
151
152 * Writing ``!some_func_name`` to ``/sys/kernel/debug/kcsan`` adds
153   ``some_func_name`` to the report filter list, which (by default) blacklists
154   reporting data races where either one of the top stackframes are a function
155   in the list.
156
157 * Writing either ``blacklist`` or ``whitelist`` to ``/sys/kernel/debug/kcsan``
158   changes the report filtering behaviour. For example, the blacklist feature
159   can be used to silence frequently occurring data races; the whitelist feature
160   can help with reproduction and testing of fixes.
161
162 Tuning performance
163 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
164
165 Core parameters that affect KCSAN's overall performance and bug detection
166 ability are exposed as kernel command-line arguments whose defaults can also be
167 changed via the corresponding Kconfig options.
168
169 * ``kcsan.skip_watch`` (``CONFIG_KCSAN_SKIP_WATCH``): Number of per-CPU memory
170   operations to skip, before another watchpoint is set up. Setting up
171   watchpoints more frequently will result in the likelihood of races to be
172   observed to increase. This parameter has the most significant impact on
173   overall system performance and race detection ability.
174
175 * ``kcsan.udelay_task`` (``CONFIG_KCSAN_UDELAY_TASK``): For tasks, the
176   microsecond delay to stall execution after a watchpoint has been set up.
177   Larger values result in the window in which we may observe a race to
178   increase.
179
180 * ``kcsan.udelay_interrupt`` (``CONFIG_KCSAN_UDELAY_INTERRUPT``): For
181   interrupts, the microsecond delay to stall execution after a watchpoint has
182   been set up. Interrupts have tighter latency requirements, and their delay
183   should generally be smaller than the one chosen for tasks.
184
185 They may be tweaked at runtime via ``/sys/module/kcsan/parameters/``.
186
187 Data Races
188 ----------
189
190 In an execution, two memory accesses form a *data race* if they *conflict*,
191 they happen concurrently in different threads, and at least one of them is a
192 *plain access*; they *conflict* if both access the same memory location, and at
193 least one is a write. For a more thorough discussion and definition, see `"Plain
194 Accesses and Data Races" in the LKMM`_.
195
196 .. _"Plain Accesses and Data Races" in the LKMM: https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/tree/tools/memory-model/Documentation/explanation.txt#n1922
197
198 Relationship with the Linux-Kernel Memory Consistency Model (LKMM)
199 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
200
201 The LKMM defines the propagation and ordering rules of various memory
202 operations, which gives developers the ability to reason about concurrent code.
203 Ultimately this allows to determine the possible executions of concurrent code,
204 and if that code is free from data races.
205
206 KCSAN is aware of *marked atomic operations* (``READ_ONCE``, ``WRITE_ONCE``,
207 ``atomic_*``, etc.), but is oblivious of any ordering guarantees and simply
208 assumes that memory barriers are placed correctly. In other words, KCSAN
209 assumes that as long as a plain access is not observed to race with another
210 conflicting access, memory operations are correctly ordered.
211
212 This means that KCSAN will not report *potential* data races due to missing
213 memory ordering. Developers should therefore carefully consider the required
214 memory ordering requirements that remain unchecked. If, however, missing
215 memory ordering (that is observable with a particular compiler and
216 architecture) leads to an observable data race (e.g. entering a critical
217 section erroneously), KCSAN would report the resulting data race.
218
219 Race Detection Beyond Data Races
220 --------------------------------
221
222 For code with complex concurrency design, race-condition bugs may not always
223 manifest as data races. Race conditions occur if concurrently executing
224 operations result in unexpected system behaviour. On the other hand, data races
225 are defined at the C-language level. The following macros can be used to check
226 properties of concurrent code where bugs would not manifest as data races.
227
228 .. kernel-doc:: include/linux/kcsan-checks.h
229     :functions: ASSERT_EXCLUSIVE_WRITER ASSERT_EXCLUSIVE_WRITER_SCOPED
230                 ASSERT_EXCLUSIVE_ACCESS ASSERT_EXCLUSIVE_ACCESS_SCOPED
231                 ASSERT_EXCLUSIVE_BITS
232
233 Implementation Details
234 ----------------------
235
236 KCSAN relies on observing that two accesses happen concurrently. Crucially, we
237 want to (a) increase the chances of observing races (especially for races that
238 manifest rarely), and (b) be able to actually observe them. We can accomplish
239 (a) by injecting various delays, and (b) by using address watchpoints (or
240 breakpoints).
241
242 If we deliberately stall a memory access, while we have a watchpoint for its
243 address set up, and then observe the watchpoint to fire, two accesses to the
244 same address just raced. Using hardware watchpoints, this is the approach taken
245 in `DataCollider
246 <http://usenix.org/legacy/events/osdi10/tech/full_papers/Erickson.pdf>`_.
247 Unlike DataCollider, KCSAN does not use hardware watchpoints, but instead
248 relies on compiler instrumentation and "soft watchpoints".
249
250 In KCSAN, watchpoints are implemented using an efficient encoding that stores
251 access type, size, and address in a long; the benefits of using "soft
252 watchpoints" are portability and greater flexibility. KCSAN then relies on the
253 compiler instrumenting plain accesses. For each instrumented plain access:
254
255 1. Check if a matching watchpoint exists; if yes, and at least one access is a
256    write, then we encountered a racing access.
257
258 2. Periodically, if no matching watchpoint exists, set up a watchpoint and
259    stall for a small randomized delay.
260
261 3. Also check the data value before the delay, and re-check the data value
262    after delay; if the values mismatch, we infer a race of unknown origin.
263
264 To detect data races between plain and marked accesses, KCSAN also annotates
265 marked accesses, but only to check if a watchpoint exists; i.e. KCSAN never
266 sets up a watchpoint on marked accesses. By never setting up watchpoints for
267 marked operations, if all accesses to a variable that is accessed concurrently
268 are properly marked, KCSAN will never trigger a watchpoint and therefore never
269 report the accesses.
270
271 Key Properties
272 ~~~~~~~~~~~~~~
273
274 1. **Memory Overhead:**  The overall memory overhead is only a few MiB
275    depending on configuration. The current implementation uses a small array of
276    longs to encode watchpoint information, which is negligible.
277
278 2. **Performance Overhead:** KCSAN's runtime aims to be minimal, using an
279    efficient watchpoint encoding that does not require acquiring any shared
280    locks in the fast-path. For kernel boot on a system with 8 CPUs:
281
282    - 5.0x slow-down with the default KCSAN config;
283    - 2.8x slow-down from runtime fast-path overhead only (set very large
284      ``KCSAN_SKIP_WATCH`` and unset ``KCSAN_SKIP_WATCH_RANDOMIZE``).
285
286 3. **Annotation Overheads:** Minimal annotations are required outside the KCSAN
287    runtime. As a result, maintenance overheads are minimal as the kernel
288    evolves.
289
290 4. **Detects Racy Writes from Devices:** Due to checking data values upon
291    setting up watchpoints, racy writes from devices can also be detected.
292
293 5. **Memory Ordering:** KCSAN is *not* explicitly aware of the LKMM's ordering
294    rules; this may result in missed data races (false negatives).
295
296 6. **Analysis Accuracy:** For observed executions, due to using a sampling
297    strategy, the analysis is *unsound* (false negatives possible), but aims to
298    be complete (no false positives).
299
300 Alternatives Considered
301 -----------------------
302
303 An alternative data race detection approach for the kernel can be found in the
304 `Kernel Thread Sanitizer (KTSAN) <https://github.com/google/ktsan/wiki>`_.
305 KTSAN is a happens-before data race detector, which explicitly establishes the
306 happens-before order between memory operations, which can then be used to
307 determine data races as defined in `Data Races`_.
308
309 To build a correct happens-before relation, KTSAN must be aware of all ordering
310 rules of the LKMM and synchronization primitives. Unfortunately, any omission
311 leads to large numbers of false positives, which is especially detrimental in
312 the context of the kernel which includes numerous custom synchronization
313 mechanisms. To track the happens-before relation, KTSAN's implementation
314 requires metadata for each memory location (shadow memory), which for each page
315 corresponds to 4 pages of shadow memory, and can translate into overhead of
316 tens of GiB on a large system.