GNU Linux-libre 6.1.91-gnu
[releases.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 Software and Hardware Tag-Based KASAN modes (see the section about various
115 modes below) support altering stack trace collection behavior:
116
117 - ``kasan.stacktrace=off`` or ``=on`` disables or enables alloc and free stack
118   traces collection (default: ``on``).
119 - ``kasan.stack_ring_size=<number of entries>`` specifies the number of entries
120   in the stack ring (default: ``32768``).
121
122 Hardware Tag-Based KASAN mode is intended for use in production as a security
123 mitigation. Therefore, it supports additional boot parameters that allow
124 disabling KASAN altogether or controlling its features:
125
126 - ``kasan=off`` or ``=on`` controls whether KASAN is enabled (default: ``on``).
127
128 - ``kasan.mode=sync``, ``=async`` or ``=asymm`` controls whether KASAN
129   is configured in synchronous, asynchronous or asymmetric mode of
130   execution (default: ``sync``).
131   Synchronous mode: a bad access is detected immediately when a tag
132   check fault occurs.
133   Asynchronous mode: a bad access detection is delayed. When a tag check
134   fault occurs, the information is stored in hardware (in the TFSR_EL1
135   register for arm64). The kernel periodically checks the hardware and
136   only reports tag faults during these checks.
137   Asymmetric mode: a bad access is detected synchronously on reads and
138   asynchronously on writes.
139
140 - ``kasan.vmalloc=off`` or ``=on`` disables or enables tagging of vmalloc
141   allocations (default: ``on``).
142
143 Error reports
144 ~~~~~~~~~~~~~
145
146 A typical KASAN report looks like this::
147
148     ==================================================================
149     BUG: KASAN: slab-out-of-bounds in kmalloc_oob_right+0xa8/0xbc [test_kasan]
150     Write of size 1 at addr ffff8801f44ec37b by task insmod/2760
151
152     CPU: 1 PID: 2760 Comm: insmod Not tainted 4.19.0-rc3+ #698
153     Hardware name: QEMU Standard PC (i440FX + PIIX, 1996), BIOS 1.10.2-1 04/01/2014
154     Call Trace:
155      dump_stack+0x94/0xd8
156      print_address_description+0x73/0x280
157      kasan_report+0x144/0x187
158      __asan_report_store1_noabort+0x17/0x20
159      kmalloc_oob_right+0xa8/0xbc [test_kasan]
160      kmalloc_tests_init+0x16/0x700 [test_kasan]
161      do_one_initcall+0xa5/0x3ae
162      do_init_module+0x1b6/0x547
163      load_module+0x75df/0x8070
164      __do_sys_init_module+0x1c6/0x200
165      __x64_sys_init_module+0x6e/0xb0
166      do_syscall_64+0x9f/0x2c0
167      entry_SYSCALL_64_after_hwframe+0x44/0xa9
168     RIP: 0033:0x7f96443109da
169     RSP: 002b:00007ffcf0b51b08 EFLAGS: 00000202 ORIG_RAX: 00000000000000af
170     RAX: ffffffffffffffda RBX: 000055dc3ee521a0 RCX: 00007f96443109da
171     RDX: 00007f96445cff88 RSI: 0000000000057a50 RDI: 00007f9644992000
172     RBP: 000055dc3ee510b0 R08: 0000000000000003 R09: 0000000000000000
173     R10: 00007f964430cd0a R11: 0000000000000202 R12: 00007f96445cff88
174     R13: 000055dc3ee51090 R14: 0000000000000000 R15: 0000000000000000
175
176     Allocated by task 2760:
177      save_stack+0x43/0xd0
178      kasan_kmalloc+0xa7/0xd0
179      kmem_cache_alloc_trace+0xe1/0x1b0
180      kmalloc_oob_right+0x56/0xbc [test_kasan]
181      kmalloc_tests_init+0x16/0x700 [test_kasan]
182      do_one_initcall+0xa5/0x3ae
183      do_init_module+0x1b6/0x547
184      load_module+0x75df/0x8070
185      __do_sys_init_module+0x1c6/0x200
186      __x64_sys_init_module+0x6e/0xb0
187      do_syscall_64+0x9f/0x2c0
188      entry_SYSCALL_64_after_hwframe+0x44/0xa9
189
190     Freed by task 815:
191      save_stack+0x43/0xd0
192      __kasan_slab_free+0x135/0x190
193      kasan_slab_free+0xe/0x10
194      kfree+0x93/0x1a0
195      umh_complete+0x6a/0xa0
196      call_usermodehelper_exec_async+0x4c3/0x640
197      ret_from_fork+0x35/0x40
198
199     The buggy address belongs to the object at ffff8801f44ec300
200      which belongs to the cache kmalloc-128 of size 128
201     The buggy address is located 123 bytes inside of
202      128-byte region [ffff8801f44ec300, ffff8801f44ec380)
203     The buggy address belongs to the page:
204     page:ffffea0007d13b00 count:1 mapcount:0 mapping:ffff8801f7001640 index:0x0
205     flags: 0x200000000000100(slab)
206     raw: 0200000000000100 ffffea0007d11dc0 0000001a0000001a ffff8801f7001640
207     raw: 0000000000000000 0000000080150015 00000001ffffffff 0000000000000000
208     page dumped because: kasan: bad access detected
209
210     Memory state around the buggy address:
211      ffff8801f44ec200: fc fc fc fc fc fc fc fc fb fb fb fb fb fb fb fb
212      ffff8801f44ec280: fb fb fb fb fb fb fb fb fc fc fc fc fc fc fc fc
213     >ffff8801f44ec300: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 03
214                                                                     ^
215      ffff8801f44ec380: fc fc fc fc fc fc fc fc fb fb fb fb fb fb fb fb
216      ffff8801f44ec400: fb fb fb fb fb fb fb fb fc fc fc fc fc fc fc fc
217     ==================================================================
218
219 The report header summarizes what kind of bug happened and what kind of access
220 caused it. It is followed by a stack trace of the bad access, a stack trace of
221 where the accessed memory was allocated (in case a slab object was accessed),
222 and a stack trace of where the object was freed (in case of a use-after-free
223 bug report). Next comes a description of the accessed slab object and the
224 information about the accessed memory page.
225
226 In the end, the report shows the memory state around the accessed address.
227 Internally, KASAN tracks memory state separately for each memory granule, which
228 is either 8 or 16 aligned bytes depending on KASAN mode. Each number in the
229 memory state section of the report shows the state of one of the memory
230 granules that surround the accessed address.
231
232 For Generic KASAN, the size of each memory granule is 8. The state of each
233 granule is encoded in one shadow byte. Those 8 bytes can be accessible,
234 partially accessible, freed, or be a part of a redzone. KASAN uses the following
235 encoding for each shadow byte: 00 means that all 8 bytes of the corresponding
236 memory region are accessible; number N (1 <= N <= 7) means that the first N
237 bytes are accessible, and other (8 - N) bytes are not; any negative value
238 indicates that the entire 8-byte word is inaccessible. KASAN uses different
239 negative values to distinguish between different kinds of inaccessible memory
240 like redzones or freed memory (see mm/kasan/kasan.h).
241
242 In the report above, the arrow points to the shadow byte ``03``, which means
243 that the accessed address is partially accessible.
244
245 For tag-based KASAN modes, this last report section shows the memory tags around
246 the accessed address (see the `Implementation details`_ section).
247
248 Note that KASAN bug titles (like ``slab-out-of-bounds`` or ``use-after-free``)
249 are best-effort: KASAN prints the most probable bug type based on the limited
250 information it has. The actual type of the bug might be different.
251
252 Generic KASAN also reports up to two auxiliary call stack traces. These stack
253 traces point to places in code that interacted with the object but that are not
254 directly present in the bad access stack trace. Currently, this includes
255 call_rcu() and workqueue queuing.
256
257 Implementation details
258 ----------------------
259
260 Generic KASAN
261 ~~~~~~~~~~~~~
262
263 Software KASAN modes use shadow memory to record whether each byte of memory is
264 safe to access and use compile-time instrumentation to insert shadow memory
265 checks before each memory access.
266
267 Generic KASAN dedicates 1/8th of kernel memory to its shadow memory (16TB
268 to cover 128TB on x86_64) and uses direct mapping with a scale and offset to
269 translate a memory address to its corresponding shadow address.
270
271 Here is the function which translates an address to its corresponding shadow
272 address::
273
274     static inline void *kasan_mem_to_shadow(const void *addr)
275     {
276         return (void *)((unsigned long)addr >> KASAN_SHADOW_SCALE_SHIFT)
277                 + KASAN_SHADOW_OFFSET;
278     }
279
280 where ``KASAN_SHADOW_SCALE_SHIFT = 3``.
281
282 Compile-time instrumentation is used to insert memory access checks. Compiler
283 inserts function calls (``__asan_load*(addr)``, ``__asan_store*(addr)``) before
284 each memory access of size 1, 2, 4, 8, or 16. These functions check whether
285 memory accesses are valid or not by checking corresponding shadow memory.
286
287 With inline instrumentation, instead of making function calls, the compiler
288 directly inserts the code to check shadow memory. This option significantly
289 enlarges the kernel, but it gives an x1.1-x2 performance boost over the
290 outline-instrumented kernel.
291
292 Generic KASAN is the only mode that delays the reuse of freed objects via
293 quarantine (see mm/kasan/quarantine.c for implementation).
294
295 Software Tag-Based KASAN
296 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
297
298 Software Tag-Based KASAN uses a software memory tagging approach to checking
299 access validity. It is currently only implemented for the arm64 architecture.
300
301 Software Tag-Based KASAN uses the Top Byte Ignore (TBI) feature of arm64 CPUs
302 to store a pointer tag in the top byte of kernel pointers. It uses shadow memory
303 to store memory tags associated with each 16-byte memory cell (therefore, it
304 dedicates 1/16th of the kernel memory for shadow memory).
305
306 On each memory allocation, Software Tag-Based KASAN generates a random tag, tags
307 the allocated memory with this tag, and embeds the same tag into the returned
308 pointer.
309
310 Software Tag-Based KASAN uses compile-time instrumentation to insert checks
311 before each memory access. These checks make sure that the tag of the memory
312 that is being accessed is equal to the tag of the pointer that is used to access
313 this memory. In case of a tag mismatch, Software Tag-Based KASAN prints a bug
314 report.
315
316 Software Tag-Based KASAN also has two instrumentation modes (outline, which
317 emits callbacks to check memory accesses; and inline, which performs the shadow
318 memory checks inline). With outline instrumentation mode, a bug report is
319 printed from the function that performs the access check. With inline
320 instrumentation, a ``brk`` instruction is emitted by the compiler, and a
321 dedicated ``brk`` handler is used to print bug reports.
322
323 Software Tag-Based KASAN uses 0xFF as a match-all pointer tag (accesses through
324 pointers with the 0xFF pointer tag are not checked). The value 0xFE is currently
325 reserved to tag freed memory regions.
326
327 Hardware Tag-Based KASAN
328 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
329
330 Hardware Tag-Based KASAN is similar to the software mode in concept but uses
331 hardware memory tagging support instead of compiler instrumentation and
332 shadow memory.
333
334 Hardware Tag-Based KASAN is currently only implemented for arm64 architecture
335 and based on both arm64 Memory Tagging Extension (MTE) introduced in ARMv8.5
336 Instruction Set Architecture and Top Byte Ignore (TBI).
337
338 Special arm64 instructions are used to assign memory tags for each allocation.
339 Same tags are assigned to pointers to those allocations. On every memory
340 access, hardware makes sure that the tag of the memory that is being accessed is
341 equal to the tag of the pointer that is used to access this memory. In case of a
342 tag mismatch, a fault is generated, and a report is printed.
343
344 Hardware Tag-Based KASAN uses 0xFF as a match-all pointer tag (accesses through
345 pointers with the 0xFF pointer tag are not checked). The value 0xFE is currently
346 reserved to tag freed memory regions.
347
348 If the hardware does not support MTE (pre ARMv8.5), Hardware Tag-Based KASAN
349 will not be enabled. In this case, all KASAN boot parameters are ignored.
350
351 Note that enabling CONFIG_KASAN_HW_TAGS always results in in-kernel TBI being
352 enabled. Even when ``kasan.mode=off`` is provided or when the hardware does not
353 support MTE (but supports TBI).
354
355 Hardware Tag-Based KASAN only reports the first found bug. After that, MTE tag
356 checking gets disabled.
357
358 Shadow memory
359 -------------
360
361 The contents of this section are only applicable to software KASAN modes.
362
363 The kernel maps memory in several different parts of the address space.
364 The range of kernel virtual addresses is large: there is not enough real
365 memory to support a real shadow region for every address that could be
366 accessed by the kernel. Therefore, KASAN only maps real shadow for certain
367 parts of the address space.
368
369 Default behaviour
370 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
371
372 By default, architectures only map real memory over the shadow region
373 for the linear mapping (and potentially other small areas). For all
374 other areas - such as vmalloc and vmemmap space - a single read-only
375 page is mapped over the shadow area. This read-only shadow page
376 declares all memory accesses as permitted.
377
378 This presents a problem for modules: they do not live in the linear
379 mapping but in a dedicated module space. By hooking into the module
380 allocator, KASAN temporarily maps real shadow memory to cover them.
381 This allows detection of invalid accesses to module globals, for example.
382
383 This also creates an incompatibility with ``VMAP_STACK``: if the stack
384 lives in vmalloc space, it will be shadowed by the read-only page, and
385 the kernel will fault when trying to set up the shadow data for stack
386 variables.
387
388 CONFIG_KASAN_VMALLOC
389 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
390
391 With ``CONFIG_KASAN_VMALLOC``, KASAN can cover vmalloc space at the
392 cost of greater memory usage. Currently, this is supported on x86,
393 arm64, riscv, s390, and powerpc.
394
395 This works by hooking into vmalloc and vmap and dynamically
396 allocating real shadow memory to back the mappings.
397
398 Most mappings in vmalloc space are small, requiring less than a full
399 page of shadow space. Allocating a full shadow page per mapping would
400 therefore be wasteful. Furthermore, to ensure that different mappings
401 use different shadow pages, mappings would have to be aligned to
402 ``KASAN_GRANULE_SIZE * PAGE_SIZE``.
403
404 Instead, KASAN shares backing space across multiple mappings. It allocates
405 a backing page when a mapping in vmalloc space uses a particular page
406 of the shadow region. This page can be shared by other vmalloc
407 mappings later on.
408
409 KASAN hooks into the vmap infrastructure to lazily clean up unused shadow
410 memory.
411
412 To avoid the difficulties around swapping mappings around, KASAN expects
413 that the part of the shadow region that covers the vmalloc space will
414 not be covered by the early shadow page but will be left unmapped.
415 This will require changes in arch-specific code.
416
417 This allows ``VMAP_STACK`` support on x86 and can simplify support of
418 architectures that do not have a fixed module region.
419
420 For developers
421 --------------
422
423 Ignoring accesses
424 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
425
426 Software KASAN modes use compiler instrumentation to insert validity checks.
427 Such instrumentation might be incompatible with some parts of the kernel, and
428 therefore needs to be disabled.
429
430 Other parts of the kernel might access metadata for allocated objects.
431 Normally, KASAN detects and reports such accesses, but in some cases (e.g.,
432 in memory allocators), these accesses are valid.
433
434 For software KASAN modes, to disable instrumentation for a specific file or
435 directory, add a ``KASAN_SANITIZE`` annotation to the respective kernel
436 Makefile:
437
438 - For a single file (e.g., main.o)::
439
440     KASAN_SANITIZE_main.o := n
441
442 - For all files in one directory::
443
444     KASAN_SANITIZE := n
445
446 For software KASAN modes, to disable instrumentation on a per-function basis,
447 use the KASAN-specific ``__no_sanitize_address`` function attribute or the
448 generic ``noinstr`` one.
449
450 Note that disabling compiler instrumentation (either on a per-file or a
451 per-function basis) makes KASAN ignore the accesses that happen directly in
452 that code for software KASAN modes. It does not help when the accesses happen
453 indirectly (through calls to instrumented functions) or with Hardware
454 Tag-Based KASAN, which does not use compiler instrumentation.
455
456 For software KASAN modes, to disable KASAN reports in a part of the kernel code
457 for the current task, annotate this part of the code with a
458 ``kasan_disable_current()``/``kasan_enable_current()`` section. This also
459 disables the reports for indirect accesses that happen through function calls.
460
461 For tag-based KASAN modes, to disable access checking, use
462 ``kasan_reset_tag()`` or ``page_kasan_tag_reset()``. Note that temporarily
463 disabling access checking via ``page_kasan_tag_reset()`` requires saving and
464 restoring the per-page KASAN tag via ``page_kasan_tag``/``page_kasan_tag_set``.
465
466 Tests
467 ~~~~~
468
469 There are KASAN tests that allow verifying that KASAN works and can detect
470 certain types of memory corruptions. The tests consist of two parts:
471
472 1. Tests that are integrated with the KUnit Test Framework. Enabled with
473 ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST``. These tests can be run and partially verified
474 automatically in a few different ways; see the instructions below.
475
476 2. Tests that are currently incompatible with KUnit. Enabled with
477 ``CONFIG_KASAN_MODULE_TEST`` and can only be run as a module. These tests can
478 only be verified manually by loading the kernel module and inspecting the
479 kernel log for KASAN reports.
480
481 Each KUnit-compatible KASAN test prints one of multiple KASAN reports if an
482 error is detected. Then the test prints its number and status.
483
484 When a test passes::
485
486         ok 28 - kmalloc_double_kzfree
487
488 When a test fails due to a failed ``kmalloc``::
489
490         # kmalloc_large_oob_right: ASSERTION FAILED at lib/test_kasan.c:163
491         Expected ptr is not null, but is
492         not ok 4 - kmalloc_large_oob_right
493
494 When a test fails due to a missing KASAN report::
495
496         # kmalloc_double_kzfree: EXPECTATION FAILED at lib/test_kasan.c:974
497         KASAN failure expected in "kfree_sensitive(ptr)", but none occurred
498         not ok 44 - kmalloc_double_kzfree
499
500
501 At the end the cumulative status of all KASAN tests is printed. On success::
502
503         ok 1 - kasan
504
505 Or, if one of the tests failed::
506
507         not ok 1 - kasan
508
509 There are a few ways to run KUnit-compatible KASAN tests.
510
511 1. Loadable module
512
513    With ``CONFIG_KUNIT`` enabled, KASAN-KUnit tests can be built as a loadable
514    module and run by loading ``test_kasan.ko`` with ``insmod`` or ``modprobe``.
515
516 2. Built-In
517
518    With ``CONFIG_KUNIT`` built-in, KASAN-KUnit tests can be built-in as well.
519    In this case, the tests will run at boot as a late-init call.
520
521 3. Using kunit_tool
522
523    With ``CONFIG_KUNIT`` and ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST`` built-in, it is also
524    possible to use ``kunit_tool`` to see the results of KUnit tests in a more
525    readable way. This will not print the KASAN reports of the tests that passed.
526    See `KUnit documentation <https://www.kernel.org/doc/html/latest/dev-tools/kunit/index.html>`_
527    for more up-to-date information on ``kunit_tool``.
528
529 .. _KUnit: https://www.kernel.org/doc/html/latest/dev-tools/kunit/index.html