Documentation/dev-tools/kcsan.rst

   1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2 .. Copyright (C) 2019, Google LLC.
   3
   4 The Kernel Concurrency Sanitizer (KCSAN)
   5 ========================================
   6
   7 The Kernel Concurrency Sanitizer (KCSAN) is a dynamic race detector, which
   8 relies on compile-time instrumentation, and uses a watchpoint-based sampling
   9 approach to detect races. KCSAN's primary purpose is to detect `data races`_.
  10
  11 Usage
  12 -----
  13
  14 KCSAN is supported by both GCC and Clang. With GCC we require version 11 or
  15 later, and with Clang also require version 11 or later.
  16
  17 To enable KCSAN configure the kernel with::
  18
  19     CONFIG_KCSAN = y
  20
  21 KCSAN provides several other configuration options to customize behaviour (see
  22 the respective help text in ``lib/Kconfig.kcsan`` for more info).
  23
  24 Error reports
  25 ~~~~~~~~~~~~~
  26
  27 A typical data race report looks like this::
  28
  29     ==================================================================
  30     BUG: KCSAN: data-race in test_kernel_read / test_kernel_write
  31
  32     write to 0xffffffffc009a628 of 8 bytes by task 487 on cpu 0:
  33      test_kernel_write+0x1d/0x30
  34      access_thread+0x89/0xd0
  35      kthread+0x23e/0x260
  36      ret_from_fork+0x22/0x30
  37
  38     read to 0xffffffffc009a628 of 8 bytes by task 488 on cpu 6:
  39      test_kernel_read+0x10/0x20
  40      access_thread+0x89/0xd0
  41      kthread+0x23e/0x260
  42      ret_from_fork+0x22/0x30
  43
  44     value changed: 0x00000000000009a6 -> 0x00000000000009b2
  45
  46     Reported by Kernel Concurrency Sanitizer on:
  47     CPU: 6 PID: 488 Comm: access_thread Not tainted 5.12.0-rc2+ #1
  48     Hardware name: QEMU Standard PC (i440FX + PIIX, 1996), BIOS 1.14.0-2 04/01/2014
  49     ==================================================================
  50
  51 The header of the report provides a short summary of the functions involved in
  52 the race. It is followed by the access types and stack traces of the 2 threads
  53 involved in the data race. If KCSAN also observed a value change, the observed
  54 old value and new value are shown on the "value changed" line respectively.
  55
  56 The other less common type of data race report looks like this::
  57
  58     ==================================================================
  59     BUG: KCSAN: data-race in test_kernel_rmw_array+0x71/0xd0
  60
  61     race at unknown origin, with read to 0xffffffffc009bdb0 of 8 bytes by task 515 on cpu 2:
  62      test_kernel_rmw_array+0x71/0xd0
  63      access_thread+0x89/0xd0
  64      kthread+0x23e/0x260
  65      ret_from_fork+0x22/0x30
  66
  67     value changed: 0x0000000000002328 -> 0x0000000000002329
  68
  69     Reported by Kernel Concurrency Sanitizer on:
  70     CPU: 2 PID: 515 Comm: access_thread Not tainted 5.12.0-rc2+ #1
  71     Hardware name: QEMU Standard PC (i440FX + PIIX, 1996), BIOS 1.14.0-2 04/01/2014
  72     ==================================================================
  73
  74 This report is generated where it was not possible to determine the other
  75 racing thread, but a race was inferred due to the data value of the watched
  76 memory location having changed. These reports always show a "value changed"
  77 line. A common reason for reports of this type are missing instrumentation in
  78 the racing thread, but could also occur due to e.g. DMA accesses. Such reports
  79 are shown only if ``CONFIG_KCSAN_REPORT_RACE_UNKNOWN_ORIGIN=y``, which is
  80 enabled by default.
  81
  82 Selective analysis
  83 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
  84
  85 It may be desirable to disable data race detection for specific accesses,
  86 functions, compilation units, or entire subsystems.  For static blacklisting,
  87 the below options are available:
  88
  89 * KCSAN understands the ``data_race(expr)`` annotation, which tells KCSAN that
  90   any data races due to accesses in ``expr`` should be ignored and resulting
  91   behaviour when encountering a data race is deemed safe.  Please see
  92   `"Marking Shared-Memory Accesses" in the LKMM`_ for more information.
  93
  94 * Disabling data race detection for entire functions can be accomplished by
  95   using the function attribute ``__no_kcsan``::
  96
  97     __no_kcsan
  98     void foo(void) {
  99         ...
 100
 101   To dynamically limit for which functions to generate reports, see the
 102   `DebugFS interface`_ blacklist/whitelist feature.
 103
 104 * To disable data race detection for a particular compilation unit, add to the
 105   ``Makefile``::
 106
 107     KCSAN_SANITIZE_file.o := n
 108
 109 * To disable data race detection for all compilation units listed in a
 110   ``Makefile``, add to the respective ``Makefile``::
 111
 112     KCSAN_SANITIZE := n
 113
 114 .. _"Marking Shared-Memory Accesses" in the LKMM: https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/tree/tools/memory-model/Documentation/access-marking.txt
 115
 116 Furthermore, it is possible to tell KCSAN to show or hide entire classes of
 117 data races, depending on preferences. These can be changed via the following
 118 Kconfig options:
 119
 120 * ``CONFIG_KCSAN_REPORT_VALUE_CHANGE_ONLY``: If enabled and a conflicting write
 121   is observed via a watchpoint, but the data value of the memory location was
 122   observed to remain unchanged, do not report the data race.
 123
 124 * ``CONFIG_KCSAN_ASSUME_PLAIN_WRITES_ATOMIC``: Assume that plain aligned writes
 125   up to word size are atomic by default. Assumes that such writes are not
 126   subject to unsafe compiler optimizations resulting in data races. The option
 127   causes KCSAN to not report data races due to conflicts where the only plain
 128   accesses are aligned writes up to word size.
 129
 130 DebugFS interface
 131 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
 132
 133 The file ``/sys/kernel/debug/kcsan`` provides the following interface:
 134
 135 * Reading ``/sys/kernel/debug/kcsan`` returns various runtime statistics.
 136
 137 * Writing ``on`` or ``off`` to ``/sys/kernel/debug/kcsan`` allows turning KCSAN
 138   on or off, respectively.
 139
 140 * Writing ``!some_func_name`` to ``/sys/kernel/debug/kcsan`` adds
 141   ``some_func_name`` to the report filter list, which (by default) blacklists
 142   reporting data races where either one of the top stackframes are a function
 143   in the list.
 144
 145 * Writing either ``blacklist`` or ``whitelist`` to ``/sys/kernel/debug/kcsan``
 146   changes the report filtering behaviour. For example, the blacklist feature
 147   can be used to silence frequently occurring data races; the whitelist feature
 148   can help with reproduction and testing of fixes.
 149
 150 Tuning performance
 151 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 152
 153 Core parameters that affect KCSAN's overall performance and bug detection
 154 ability are exposed as kernel command-line arguments whose defaults can also be
 155 changed via the corresponding Kconfig options.
 156
 157 * ``kcsan.skip_watch`` (``CONFIG_KCSAN_SKIP_WATCH``): Number of per-CPU memory
 158   operations to skip, before another watchpoint is set up. Setting up
 159   watchpoints more frequently will result in the likelihood of races to be
 160   observed to increase. This parameter has the most significant impact on
 161   overall system performance and race detection ability.
 162
 163 * ``kcsan.udelay_task`` (``CONFIG_KCSAN_UDELAY_TASK``): For tasks, the
 164   microsecond delay to stall execution after a watchpoint has been set up.
 165   Larger values result in the window in which we may observe a race to
 166   increase.
 167
 168 * ``kcsan.udelay_interrupt`` (``CONFIG_KCSAN_UDELAY_INTERRUPT``): For
 169   interrupts, the microsecond delay to stall execution after a watchpoint has
 170   been set up. Interrupts have tighter latency requirements, and their delay
 171   should generally be smaller than the one chosen for tasks.
 172
 173 They may be tweaked at runtime via ``/sys/module/kcsan/parameters/``.
 174
 175 Data Races
 176 ----------
 177
 178 In an execution, two memory accesses form a *data race* if they *conflict*,
 179 they happen concurrently in different threads, and at least one of them is a
 180 *plain access*; they *conflict* if both access the same memory location, and at
 181 least one is a write. For a more thorough discussion and definition, see `"Plain
 182 Accesses and Data Races" in the LKMM`_.
 183
 184 .. _"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
 185
 186 Relationship with the Linux-Kernel Memory Consistency Model (LKMM)
 187 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 188
 189 The LKMM defines the propagation and ordering rules of various memory
 190 operations, which gives developers the ability to reason about concurrent code.
 191 Ultimately this allows to determine the possible executions of concurrent code,
 192 and if that code is free from data races.
 193
 194 KCSAN is aware of *marked atomic operations* (``READ_ONCE``, ``WRITE_ONCE``,
 195 ``atomic_*``, etc.), but is oblivious of any ordering guarantees and simply
 196 assumes that memory barriers are placed correctly. In other words, KCSAN
 197 assumes that as long as a plain access is not observed to race with another
 198 conflicting access, memory operations are correctly ordered.
 199
 200 This means that KCSAN will not report *potential* data races due to missing
 201 memory ordering. Developers should therefore carefully consider the required
 202 memory ordering requirements that remain unchecked. If, however, missing
 203 memory ordering (that is observable with a particular compiler and
 204 architecture) leads to an observable data race (e.g. entering a critical
 205 section erroneously), KCSAN would report the resulting data race.
 206
 207 Race Detection Beyond Data Races
 208 --------------------------------
 209
 210 For code with complex concurrency design, race-condition bugs may not always
 211 manifest as data races. Race conditions occur if concurrently executing
 212 operations result in unexpected system behaviour. On the other hand, data races
 213 are defined at the C-language level. The following macros can be used to check
 214 properties of concurrent code where bugs would not manifest as data races.
 215
 216 .. kernel-doc:: include/linux/kcsan-checks.h
 217     :functions: ASSERT_EXCLUSIVE_WRITER ASSERT_EXCLUSIVE_WRITER_SCOPED
 218                 ASSERT_EXCLUSIVE_ACCESS ASSERT_EXCLUSIVE_ACCESS_SCOPED
 219                 ASSERT_EXCLUSIVE_BITS
 220
 221 Implementation Details
 222 ----------------------
 223
 224 KCSAN relies on observing that two accesses happen concurrently. Crucially, we
 225 want to (a) increase the chances of observing races (especially for races that
 226 manifest rarely), and (b) be able to actually observe them. We can accomplish
 227 (a) by injecting various delays, and (b) by using address watchpoints (or
 228 breakpoints).
 229
 230 If we deliberately stall a memory access, while we have a watchpoint for its
 231 address set up, and then observe the watchpoint to fire, two accesses to the
 232 same address just raced. Using hardware watchpoints, this is the approach taken
 233 in `DataCollider
 234 <http://usenix.org/legacy/events/osdi10/tech/full_papers/Erickson.pdf>`_.
 235 Unlike DataCollider, KCSAN does not use hardware watchpoints, but instead
 236 relies on compiler instrumentation and "soft watchpoints".
 237
 238 In KCSAN, watchpoints are implemented using an efficient encoding that stores
 239 access type, size, and address in a long; the benefits of using "soft
 240 watchpoints" are portability and greater flexibility. KCSAN then relies on the
 241 compiler instrumenting plain accesses. For each instrumented plain access:
 242
 243 1. Check if a matching watchpoint exists; if yes, and at least one access is a
 244    write, then we encountered a racing access.
 245
 246 2. Periodically, if no matching watchpoint exists, set up a watchpoint and
 247    stall for a small randomized delay.
 248
 249 3. Also check the data value before the delay, and re-check the data value
 250    after delay; if the values mismatch, we infer a race of unknown origin.
 251
 252 To detect data races between plain and marked accesses, KCSAN also annotates
 253 marked accesses, but only to check if a watchpoint exists; i.e. KCSAN never
 254 sets up a watchpoint on marked accesses. By never setting up watchpoints for
 255 marked operations, if all accesses to a variable that is accessed concurrently
 256 are properly marked, KCSAN will never trigger a watchpoint and therefore never
 257 report the accesses.
 258
 259 Key Properties
 260 ~~~~~~~~~~~~~~
 261
 262 1. **Memory Overhead:**  The overall memory overhead is only a few MiB
 263    depending on configuration. The current implementation uses a small array of
 264    longs to encode watchpoint information, which is negligible.
 265
 266 2. **Performance Overhead:** KCSAN's runtime aims to be minimal, using an
 267    efficient watchpoint encoding that does not require acquiring any shared
 268    locks in the fast-path. For kernel boot on a system with 8 CPUs:
 269
 270    - 5.0x slow-down with the default KCSAN config;
 271    - 2.8x slow-down from runtime fast-path overhead only (set very large
 272      ``KCSAN_SKIP_WATCH`` and unset ``KCSAN_SKIP_WATCH_RANDOMIZE``).
 273
 274 3. **Annotation Overheads:** Minimal annotations are required outside the KCSAN
 275    runtime. As a result, maintenance overheads are minimal as the kernel
 276    evolves.
 277
 278 4. **Detects Racy Writes from Devices:** Due to checking data values upon
 279    setting up watchpoints, racy writes from devices can also be detected.
 280
 281 5. **Memory Ordering:** KCSAN is *not* explicitly aware of the LKMM's ordering
 282    rules; this may result in missed data races (false negatives).
 283
 284 6. **Analysis Accuracy:** For observed executions, due to using a sampling
 285    strategy, the analysis is *unsound* (false negatives possible), but aims to
 286    be complete (no false positives).
 287
 288 Alternatives Considered
 289 -----------------------
 290
 291 An alternative data race detection approach for the kernel can be found in the
 292 `Kernel Thread Sanitizer (KTSAN) <https://github.com/google/ktsan/wiki>`_.
 293 KTSAN is a happens-before data race detector, which explicitly establishes the
 294 happens-before order between memory operations, which can then be used to
 295 determine data races as defined in `Data Races`_.
 296
 297 To build a correct happens-before relation, KTSAN must be aware of all ordering
 298 rules of the LKMM and synchronization primitives. Unfortunately, any omission
 299 leads to large numbers of false positives, which is especially detrimental in
 300 the context of the kernel which includes numerous custom synchronization
 301 mechanisms. To track the happens-before relation, KTSAN's implementation
 302 requires metadata for each memory location (shadow memory), which for each page
 303 corresponds to 4 pages of shadow memory, and can translate into overhead of
 304 tens of GiB on a large system.