Merge branch 'for-5.11' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/tj/cgroup
[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 Software KASAN modes (1 and 2) use compile-time instrumentation to insert
15 validity checks before every memory access, and therefore require a compiler
16 version that supports that.
17
18 Generic KASAN is supported in both GCC and Clang. With GCC it requires version
19 8.3.0 or later. Any supported Clang version is compatible, but detection of
20 out-of-bounds accesses for global variables is only supported since Clang 11.
21
22 Tag-based KASAN is only supported in Clang.
23
24 Currently generic KASAN is supported for the x86_64, arm, arm64, xtensa, s390
25 and riscv architectures, and tag-based KASAN modes are supported only for arm64.
26
27 Usage
28 -----
29
30 To enable KASAN configure kernel with::
31
32           CONFIG_KASAN = y
33
34 and choose between CONFIG_KASAN_GENERIC (to enable generic KASAN),
35 CONFIG_KASAN_SW_TAGS (to enable software tag-based KASAN), and
36 CONFIG_KASAN_HW_TAGS (to enable hardware tag-based KASAN).
37
38 For software modes, you also need to choose between CONFIG_KASAN_OUTLINE and
39 CONFIG_KASAN_INLINE. Outline and inline are compiler instrumentation types.
40 The former produces smaller binary while the latter is 1.1 - 2 times faster.
41
42 Both software KASAN modes work with both SLUB and SLAB memory allocators,
43 while the hardware tag-based KASAN currently only support SLUB.
44
45 For better error reports that include stack traces, enable CONFIG_STACKTRACE.
46
47 To augment reports with last allocation and freeing stack of the physical page,
48 it is recommended to enable also CONFIG_PAGE_OWNER and boot with page_owner=on.
49
50 Error reports
51 ~~~~~~~~~~~~~
52
53 A typical out-of-bounds access generic KASAN report looks like this::
54
55     ==================================================================
56     BUG: KASAN: slab-out-of-bounds in kmalloc_oob_right+0xa8/0xbc [test_kasan]
57     Write of size 1 at addr ffff8801f44ec37b by task insmod/2760
58
59     CPU: 1 PID: 2760 Comm: insmod Not tainted 4.19.0-rc3+ #698
60     Hardware name: QEMU Standard PC (i440FX + PIIX, 1996), BIOS 1.10.2-1 04/01/2014
61     Call Trace:
62      dump_stack+0x94/0xd8
63      print_address_description+0x73/0x280
64      kasan_report+0x144/0x187
65      __asan_report_store1_noabort+0x17/0x20
66      kmalloc_oob_right+0xa8/0xbc [test_kasan]
67      kmalloc_tests_init+0x16/0x700 [test_kasan]
68      do_one_initcall+0xa5/0x3ae
69      do_init_module+0x1b6/0x547
70      load_module+0x75df/0x8070
71      __do_sys_init_module+0x1c6/0x200
72      __x64_sys_init_module+0x6e/0xb0
73      do_syscall_64+0x9f/0x2c0
74      entry_SYSCALL_64_after_hwframe+0x44/0xa9
75     RIP: 0033:0x7f96443109da
76     RSP: 002b:00007ffcf0b51b08 EFLAGS: 00000202 ORIG_RAX: 00000000000000af
77     RAX: ffffffffffffffda RBX: 000055dc3ee521a0 RCX: 00007f96443109da
78     RDX: 00007f96445cff88 RSI: 0000000000057a50 RDI: 00007f9644992000
79     RBP: 000055dc3ee510b0 R08: 0000000000000003 R09: 0000000000000000
80     R10: 00007f964430cd0a R11: 0000000000000202 R12: 00007f96445cff88
81     R13: 000055dc3ee51090 R14: 0000000000000000 R15: 0000000000000000
82
83     Allocated by task 2760:
84      save_stack+0x43/0xd0
85      kasan_kmalloc+0xa7/0xd0
86      kmem_cache_alloc_trace+0xe1/0x1b0
87      kmalloc_oob_right+0x56/0xbc [test_kasan]
88      kmalloc_tests_init+0x16/0x700 [test_kasan]
89      do_one_initcall+0xa5/0x3ae
90      do_init_module+0x1b6/0x547
91      load_module+0x75df/0x8070
92      __do_sys_init_module+0x1c6/0x200
93      __x64_sys_init_module+0x6e/0xb0
94      do_syscall_64+0x9f/0x2c0
95      entry_SYSCALL_64_after_hwframe+0x44/0xa9
96
97     Freed by task 815:
98      save_stack+0x43/0xd0
99      __kasan_slab_free+0x135/0x190
100      kasan_slab_free+0xe/0x10
101      kfree+0x93/0x1a0
102      umh_complete+0x6a/0xa0
103      call_usermodehelper_exec_async+0x4c3/0x640
104      ret_from_fork+0x35/0x40
105
106     The buggy address belongs to the object at ffff8801f44ec300
107      which belongs to the cache kmalloc-128 of size 128
108     The buggy address is located 123 bytes inside of
109      128-byte region [ffff8801f44ec300, ffff8801f44ec380)
110     The buggy address belongs to the page:
111     page:ffffea0007d13b00 count:1 mapcount:0 mapping:ffff8801f7001640 index:0x0
112     flags: 0x200000000000100(slab)
113     raw: 0200000000000100 ffffea0007d11dc0 0000001a0000001a ffff8801f7001640
114     raw: 0000000000000000 0000000080150015 00000001ffffffff 0000000000000000
115     page dumped because: kasan: bad access detected
116
117     Memory state around the buggy address:
118      ffff8801f44ec200: fc fc fc fc fc fc fc fc fb fb fb fb fb fb fb fb
119      ffff8801f44ec280: fb fb fb fb fb fb fb fb fc fc fc fc fc fc fc fc
120     >ffff8801f44ec300: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 03
121                                                                     ^
122      ffff8801f44ec380: fc fc fc fc fc fc fc fc fb fb fb fb fb fb fb fb
123      ffff8801f44ec400: fb fb fb fb fb fb fb fb fc fc fc fc fc fc fc fc
124     ==================================================================
125
126 The header of the report provides a short summary of what kind of bug happened
127 and what kind of access caused it. It's followed by a stack trace of the bad
128 access, a stack trace of where the accessed memory was allocated (in case bad
129 access happens on a slab object), and a stack trace of where the object was
130 freed (in case of a use-after-free bug report). Next comes a description of
131 the accessed slab object and information about the accessed memory page.
132
133 In the last section the report shows memory state around the accessed address.
134 Internally KASAN tracks memory state separately for each memory granule, which
135 is either 8 or 16 aligned bytes depending on KASAN mode. Each number in the
136 memory state section of the report shows the state of one of the memory
137 granules that surround the accessed address.
138
139 For generic KASAN the size of each memory granule is 8. The state of each
140 granule is encoded in one shadow byte. Those 8 bytes can be accessible,
141 partially accessible, freed or be a part of a redzone. KASAN uses the following
142 encoding for each shadow byte: 0 means that all 8 bytes of the corresponding
143 memory region are accessible; number N (1 <= N <= 7) means that the first N
144 bytes are accessible, and other (8 - N) bytes are not; any negative value
145 indicates that the entire 8-byte word is inaccessible. KASAN uses different
146 negative values to distinguish between different kinds of inaccessible memory
147 like redzones or freed memory (see mm/kasan/kasan.h).
148
149 In the report above the arrows point to the shadow byte 03, which means that
150 the accessed address is partially accessible.
151
152 For tag-based KASAN this last report section shows the memory tags around the
153 accessed address (see `Implementation details`_ section).
154
155 Boot parameters
156 ~~~~~~~~~~~~~~~
157
158 Hardware tag-based KASAN mode (see the section about different mode below) is
159 intended for use in production as a security mitigation. Therefore it supports
160 boot parameters that allow to disable KASAN competely or otherwise control
161 particular KASAN features.
162
163 The things that can be controlled are:
164
165 1. Whether KASAN is enabled at all.
166 2. Whether KASAN collects and saves alloc/free stacks.
167 3. Whether KASAN panics on a detected bug or not.
168
169 The ``kasan.mode`` boot parameter allows to choose one of three main modes:
170
171 - ``kasan.mode=off`` - KASAN is disabled, no tag checks are performed
172 - ``kasan.mode=prod`` - only essential production features are enabled
173 - ``kasan.mode=full`` - all KASAN features are enabled
174
175 The chosen mode provides default control values for the features mentioned
176 above. However it's also possible to override the default values by providing:
177
178 - ``kasan.stacktrace=off`` or ``=on`` - enable alloc/free stack collection
179                                         (default: ``on`` for ``mode=full``,
180                                          otherwise ``off``)
181 - ``kasan.fault=report`` or ``=panic`` - only print KASAN report or also panic
182                                          (default: ``report``)
183
184 If ``kasan.mode`` parameter is not provided, it defaults to ``full`` when
185 ``CONFIG_DEBUG_KERNEL`` is enabled, and to ``prod`` otherwise.
186
187 For developers
188 ~~~~~~~~~~~~~~
189
190 Software KASAN modes use compiler instrumentation to insert validity checks.
191 Such instrumentation might be incompatible with some part of the kernel, and
192 therefore needs to be disabled. To disable instrumentation for specific files
193 or directories, add a line similar to the following to the respective kernel
194 Makefile:
195
196 - For a single file (e.g. main.o)::
197
198     KASAN_SANITIZE_main.o := n
199
200 - For all files in one directory::
201
202     KASAN_SANITIZE := n
203
204
205 Implementation details
206 ----------------------
207
208 Generic KASAN
209 ~~~~~~~~~~~~~
210
211 From a high level perspective, KASAN's approach to memory error detection is
212 similar to that of kmemcheck: use shadow memory to record whether each byte of
213 memory is safe to access, and use compile-time instrumentation to insert checks
214 of shadow memory on each memory access.
215
216 Generic KASAN dedicates 1/8th of kernel memory to its shadow memory (e.g. 16TB
217 to cover 128TB on x86_64) and uses direct mapping with a scale and offset to
218 translate a memory address to its corresponding shadow address.
219
220 Here is the function which translates an address to its corresponding shadow
221 address::
222
223     static inline void *kasan_mem_to_shadow(const void *addr)
224     {
225         return ((unsigned long)addr >> KASAN_SHADOW_SCALE_SHIFT)
226                 + KASAN_SHADOW_OFFSET;
227     }
228
229 where ``KASAN_SHADOW_SCALE_SHIFT = 3``.
230
231 Compile-time instrumentation is used to insert memory access checks. Compiler
232 inserts function calls (__asan_load*(addr), __asan_store*(addr)) before each
233 memory access of size 1, 2, 4, 8 or 16. These functions check whether memory
234 access is valid or not by checking corresponding shadow memory.
235
236 GCC 5.0 has possibility to perform inline instrumentation. Instead of making
237 function calls GCC directly inserts the code to check the shadow memory.
238 This option significantly enlarges kernel but it gives x1.1-x2 performance
239 boost over outline instrumented kernel.
240
241 Generic KASAN also reports the last 2 call stacks to creation of work that
242 potentially has access to an object. Call stacks for the following are shown:
243 call_rcu() and workqueue queuing.
244
245 Generic KASAN is the only mode that delays the reuse of freed object via
246 quarantine (see mm/kasan/quarantine.c for implementation).
247
248 Software tag-based KASAN
249 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
250
251 Software tag-based KASAN requires software memory tagging support in the form
252 of HWASan-like compiler instrumentation (see HWASan documentation for details).
253
254 Software tag-based KASAN is currently only implemented for arm64 architecture.
255
256 Software tag-based KASAN uses the Top Byte Ignore (TBI) feature of arm64 CPUs
257 to store a pointer tag in the top byte of kernel pointers. Like generic KASAN
258 it uses shadow memory to store memory tags associated with each 16-byte memory
259 cell (therefore it dedicates 1/16th of the kernel memory for shadow memory).
260
261 On each memory allocation software tag-based KASAN generates a random tag, tags
262 the allocated memory with this tag, and embeds this tag into the returned
263 pointer.
264
265 Software tag-based KASAN uses compile-time instrumentation to insert checks
266 before each memory access. These checks make sure that tag of the memory that
267 is being accessed is equal to tag of the pointer that is used to access this
268 memory. In case of a tag mismatch software tag-based KASAN prints a bug report.
269
270 Software tag-based KASAN also has two instrumentation modes (outline, that
271 emits callbacks to check memory accesses; and inline, that performs the shadow
272 memory checks inline). With outline instrumentation mode, a bug report is
273 simply printed from the function that performs the access check. With inline
274 instrumentation a brk instruction is emitted by the compiler, and a dedicated
275 brk handler is used to print bug reports.
276
277 Software tag-based KASAN uses 0xFF as a match-all pointer tag (accesses through
278 pointers with 0xFF pointer tag aren't checked). The value 0xFE is currently
279 reserved to tag freed memory regions.
280
281 Software tag-based KASAN currently only supports tagging of
282 kmem_cache_alloc/kmalloc and page_alloc memory.
283
284 Hardware tag-based KASAN
285 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
286
287 Hardware tag-based KASAN is similar to the software mode in concept, but uses
288 hardware memory tagging support instead of compiler instrumentation and
289 shadow memory.
290
291 Hardware tag-based KASAN is currently only implemented for arm64 architecture
292 and based on both arm64 Memory Tagging Extension (MTE) introduced in ARMv8.5
293 Instruction Set Architecture, and Top Byte Ignore (TBI).
294
295 Special arm64 instructions are used to assign memory tags for each allocation.
296 Same tags are assigned to pointers to those allocations. On every memory
297 access, hardware makes sure that tag of the memory that is being accessed is
298 equal to tag of the pointer that is used to access this memory. In case of a
299 tag mismatch a fault is generated and a report is printed.
300
301 Hardware tag-based KASAN uses 0xFF as a match-all pointer tag (accesses through
302 pointers with 0xFF pointer tag aren't checked). The value 0xFE is currently
303 reserved to tag freed memory regions.
304
305 Hardware tag-based KASAN currently only supports tagging of
306 kmem_cache_alloc/kmalloc and page_alloc memory.
307
308 What memory accesses are sanitised by KASAN?
309 --------------------------------------------
310
311 The kernel maps memory in a number of different parts of the address
312 space. This poses something of a problem for KASAN, which requires
313 that all addresses accessed by instrumented code have a valid shadow
314 region.
315
316 The range of kernel virtual addresses is large: there is not enough
317 real memory to support a real shadow region for every address that
318 could be accessed by the kernel.
319
320 By default
321 ~~~~~~~~~~
322
323 By default, architectures only map real memory over the shadow region
324 for the linear mapping (and potentially other small areas). For all
325 other areas - such as vmalloc and vmemmap space - a single read-only
326 page is mapped over the shadow area. This read-only shadow page
327 declares all memory accesses as permitted.
328
329 This presents a problem for modules: they do not live in the linear
330 mapping, but in a dedicated module space. By hooking in to the module
331 allocator, KASAN can temporarily map real shadow memory to cover
332 them. This allows detection of invalid accesses to module globals, for
333 example.
334
335 This also creates an incompatibility with ``VMAP_STACK``: if the stack
336 lives in vmalloc space, it will be shadowed by the read-only page, and
337 the kernel will fault when trying to set up the shadow data for stack
338 variables.
339
340 CONFIG_KASAN_VMALLOC
341 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
342
343 With ``CONFIG_KASAN_VMALLOC``, KASAN can cover vmalloc space at the
344 cost of greater memory usage. Currently this is only supported on x86.
345
346 This works by hooking into vmalloc and vmap, and dynamically
347 allocating real shadow memory to back the mappings.
348
349 Most mappings in vmalloc space are small, requiring less than a full
350 page of shadow space. Allocating a full shadow page per mapping would
351 therefore be wasteful. Furthermore, to ensure that different mappings
352 use different shadow pages, mappings would have to be aligned to
353 ``KASAN_GRANULE_SIZE * PAGE_SIZE``.
354
355 Instead, KASAN shares backing space across multiple mappings. It allocates
356 a backing page when a mapping in vmalloc space uses a particular page
357 of the shadow region. This page can be shared by other vmalloc
358 mappings later on.
359
360 KASAN hooks into the vmap infrastructure to lazily clean up unused shadow
361 memory.
362
363 To avoid the difficulties around swapping mappings around, KASAN expects
364 that the part of the shadow region that covers the vmalloc space will
365 not be covered by the early shadow page, but will be left
366 unmapped. This will require changes in arch-specific code.
367
368 This allows ``VMAP_STACK`` support on x86, and can simplify support of
369 architectures that do not have a fixed module region.
370
371 CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST & CONFIG_TEST_KASAN_MODULE
372 --------------------------------------------------
373
374 KASAN tests consist on two parts:
375
376 1. Tests that are integrated with the KUnit Test Framework. Enabled with
377 ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST``. These tests can be run and partially verified
378 automatically in a few different ways, see the instructions below.
379
380 2. Tests that are currently incompatible with KUnit. Enabled with
381 ``CONFIG_TEST_KASAN_MODULE`` and can only be run as a module. These tests can
382 only be verified manually, by loading the kernel module and inspecting the
383 kernel log for KASAN reports.
384
385 Each KUnit-compatible KASAN test prints a KASAN report if an error is detected.
386 Then the test prints its number and status.
387
388 When a test passes::
389
390         ok 28 - kmalloc_double_kzfree
391
392 When a test fails due to a failed ``kmalloc``::
393
394         # kmalloc_large_oob_right: ASSERTION FAILED at lib/test_kasan.c:163
395         Expected ptr is not null, but is
396         not ok 4 - kmalloc_large_oob_right
397
398 When a test fails due to a missing KASAN report::
399
400         # kmalloc_double_kzfree: EXPECTATION FAILED at lib/test_kasan.c:629
401         Expected kasan_data->report_expected == kasan_data->report_found, but
402         kasan_data->report_expected == 1
403         kasan_data->report_found == 0
404         not ok 28 - kmalloc_double_kzfree
405
406 At the end the cumulative status of all KASAN tests is printed. On success::
407
408         ok 1 - kasan
409
410 Or, if one of the tests failed::
411
412         not ok 1 - kasan
413
414
415 There are a few ways to run KUnit-compatible KASAN tests.
416
417 1. Loadable module
418 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
419
420 With ``CONFIG_KUNIT`` enabled, ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST`` can be built as
421 a loadable module and run on any architecture that supports KASAN by loading
422 the module with insmod or modprobe. The module is called ``test_kasan``.
423
424 2. Built-In
425 ~~~~~~~~~~~
426
427 With ``CONFIG_KUNIT`` built-in, ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST`` can be built-in
428 on any architecure that supports KASAN. These and any other KUnit tests enabled
429 will run and print the results at boot as a late-init call.
430
431 3. Using kunit_tool
432 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
433
434 With ``CONFIG_KUNIT`` and ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST`` built-in, it's also
435 possible use ``kunit_tool`` to see the results of these and other KUnit tests
436 in a more readable way. This will not print the KASAN reports of the tests that
437 passed. Use `KUnit documentation <https://www.kernel.org/doc/html/latest/dev-tools/kunit/index.html>`_
438 for more up-to-date information on ``kunit_tool``.
439
440 .. _KUnit: https://www.kernel.org/doc/html/latest/dev-tools/kunit/index.html