GNU Linux-libre 6.1.90-gnu
[releases.git] / tools / objtool / Documentation / objtool.txt
1 Objtool
2 =======
3
4 The kernel CONFIG_OBJTOOL option enables a host tool named 'objtool'
5 which runs at compile time.  It can do various validations and
6 transformations on .o files.
7
8 Objtool has become an integral part of the x86-64 kernel toolchain.  The
9 kernel depends on it for a variety of security and performance features
10 (and other types of features as well).
11
12
13 Features
14 --------
15
16 Objtool has the following features:
17
18 - Stack unwinding metadata validation -- useful for helping to ensure
19   stack traces are reliable for live patching
20
21 - ORC unwinder metadata generation -- a faster and more precise
22   alternative to frame pointer based unwinding
23
24 - Retpoline validation -- ensures that all indirect calls go through
25   retpoline thunks, for Spectre v2 mitigations
26
27 - Retpoline call site annotation -- annotates all retpoline thunk call
28   sites, enabling the kernel to patch them inline, to prevent "thunk
29   funneling" for both security and performance reasons
30
31 - Non-instrumentation validation -- validates non-instrumentable
32   ("noinstr") code rules, preventing instrumentation in low-level C
33   entry code
34
35 - Static call annotation -- annotates static call sites, enabling the
36   kernel to implement inline static calls, a faster alternative to some
37   indirect branches
38
39 - Uaccess validation -- validates uaccess rules for a proper
40   implementation of Supervisor Mode Access Protection (SMAP)
41
42 - Straight Line Speculation validation -- validates certain SLS
43   mitigations
44
45 - Indirect Branch Tracking validation -- validates Intel CET IBT rules
46   to ensure that all functions referenced by function pointers have
47   corresponding ENDBR instructions
48
49 - Indirect Branch Tracking annotation -- annotates unused ENDBR
50   instruction sites, enabling the kernel to "seal" them (replace them
51   with NOPs) to further harden IBT
52
53 - Function entry annotation -- annotates function entries, enabling
54   kernel function tracing
55
56 - Other toolchain hacks which will go unmentioned at this time...
57
58 Each feature can be enabled individually or in combination using the
59 objtool cmdline.
60
61
62 Objects
63 -------
64
65 Typically, objtool runs on every translation unit (TU, aka ".o file") in
66 the kernel.  If a TU is part of a kernel module, the '--module' option
67 is added.
68
69 However:
70
71 - If noinstr validation is enabled, it also runs on vmlinux.o, with all
72   options removed and '--noinstr' added.
73
74 - If IBT or LTO is enabled, it doesn't run on TUs at all.  Instead it
75   runs on vmlinux.o and linked modules, with all options.
76
77 In summary:
78
79   A) Legacy mode:
80              TU: objtool [--module] <options>
81         vmlinux: N/A
82          module: N/A
83
84   B) CONFIG_NOINSTR_VALIDATION=y && !(CONFIG_X86_KERNEL_IBT=y || CONFIG_LTO=y):
85              TU: objtool [--module] <options>   // no --noinstr
86         vmlinux: objtool --noinstr              // other options removed
87          module: N/A
88
89   C) CONFIG_X86_KERNEL_IBT=y || CONFIG_LTO=y:
90              TU: N/A
91         vmlinux: objtool --noinstr <options>
92          module: objtool --module --noinstr <options>
93
94
95 Stack validation
96 ----------------
97
98 Objtool's stack validation feature analyzes every .o file and ensures
99 the validity of its stack metadata.  It enforces a set of rules on asm
100 code and C inline assembly code so that stack traces can be reliable.
101
102 For each function, it recursively follows all possible code paths and
103 validates the correct frame pointer state at each instruction.
104
105 It also follows code paths involving special sections, like
106 .altinstructions, __jump_table, and __ex_table, which can add
107 alternative execution paths to a given instruction (or set of
108 instructions).  Similarly, it knows how to follow switch statements, for
109 which gcc sometimes uses jump tables.
110
111 Here are some of the benefits of validating stack metadata:
112
113 a) More reliable stack traces for frame pointer enabled kernels
114
115    Frame pointers are used for debugging purposes.  They allow runtime
116    code and debug tools to be able to walk the stack to determine the
117    chain of function call sites that led to the currently executing
118    code.
119
120    For some architectures, frame pointers are enabled by
121    CONFIG_FRAME_POINTER.  For some other architectures they may be
122    required by the ABI (sometimes referred to as "backchain pointers").
123
124    For C code, gcc automatically generates instructions for setting up
125    frame pointers when the -fno-omit-frame-pointer option is used.
126
127    But for asm code, the frame setup instructions have to be written by
128    hand, which most people don't do.  So the end result is that
129    CONFIG_FRAME_POINTER is honored for C code but not for most asm code.
130
131    For stack traces based on frame pointers to be reliable, all
132    functions which call other functions must first create a stack frame
133    and update the frame pointer.  If a first function doesn't properly
134    create a stack frame before calling a second function, the *caller*
135    of the first function will be skipped on the stack trace.
136
137    For example, consider the following example backtrace with frame
138    pointers enabled:
139
140      [<ffffffff81812584>] dump_stack+0x4b/0x63
141      [<ffffffff812d6dc2>] cmdline_proc_show+0x12/0x30
142      [<ffffffff8127f568>] seq_read+0x108/0x3e0
143      [<ffffffff812cce62>] proc_reg_read+0x42/0x70
144      [<ffffffff81256197>] __vfs_read+0x37/0x100
145      [<ffffffff81256b16>] vfs_read+0x86/0x130
146      [<ffffffff81257898>] SyS_read+0x58/0xd0
147      [<ffffffff8181c1f2>] entry_SYSCALL_64_fastpath+0x12/0x76
148
149    It correctly shows that the caller of cmdline_proc_show() is
150    seq_read().
151
152    If we remove the frame pointer logic from cmdline_proc_show() by
153    replacing the frame pointer related instructions with nops, here's
154    what it looks like instead:
155
156      [<ffffffff81812584>] dump_stack+0x4b/0x63
157      [<ffffffff812d6dc2>] cmdline_proc_show+0x12/0x30
158      [<ffffffff812cce62>] proc_reg_read+0x42/0x70
159      [<ffffffff81256197>] __vfs_read+0x37/0x100
160      [<ffffffff81256b16>] vfs_read+0x86/0x130
161      [<ffffffff81257898>] SyS_read+0x58/0xd0
162      [<ffffffff8181c1f2>] entry_SYSCALL_64_fastpath+0x12/0x76
163
164    Notice that cmdline_proc_show()'s caller, seq_read(), has been
165    skipped.  Instead the stack trace seems to show that
166    cmdline_proc_show() was called by proc_reg_read().
167
168    The benefit of objtool here is that because it ensures that *all*
169    functions honor CONFIG_FRAME_POINTER, no functions will ever[*] be
170    skipped on a stack trace.
171
172    [*] unless an interrupt or exception has occurred at the very
173        beginning of a function before the stack frame has been created,
174        or at the very end of the function after the stack frame has been
175        destroyed.  This is an inherent limitation of frame pointers.
176
177 b) ORC (Oops Rewind Capability) unwind table generation
178
179    An alternative to frame pointers and DWARF, ORC unwind data can be
180    used to walk the stack.  Unlike frame pointers, ORC data is out of
181    band.  So it doesn't affect runtime performance and it can be
182    reliable even when interrupts or exceptions are involved.
183
184    For more details, see Documentation/x86/orc-unwinder.rst.
185
186 c) Higher live patching compatibility rate
187
188    Livepatch has an optional "consistency model", which is needed for
189    more complex patches.  In order for the consistency model to work,
190    stack traces need to be reliable (or an unreliable condition needs to
191    be detectable).  Objtool makes that possible.
192
193    For more details, see the livepatch documentation in the Linux kernel
194    source tree at Documentation/livepatch/livepatch.rst.
195
196 To achieve the validation, objtool enforces the following rules:
197
198 1. Each callable function must be annotated as such with the ELF
199    function type.  In asm code, this is typically done using the
200    ENTRY/ENDPROC macros.  If objtool finds a return instruction
201    outside of a function, it flags an error since that usually indicates
202    callable code which should be annotated accordingly.
203
204    This rule is needed so that objtool can properly identify each
205    callable function in order to analyze its stack metadata.
206
207 2. Conversely, each section of code which is *not* callable should *not*
208    be annotated as an ELF function.  The ENDPROC macro shouldn't be used
209    in this case.
210
211    This rule is needed so that objtool can ignore non-callable code.
212    Such code doesn't have to follow any of the other rules.
213
214 3. Each callable function which calls another function must have the
215    correct frame pointer logic, if required by CONFIG_FRAME_POINTER or
216    the architecture's back chain rules.  This can by done in asm code
217    with the FRAME_BEGIN/FRAME_END macros.
218
219    This rule ensures that frame pointer based stack traces will work as
220    designed.  If function A doesn't create a stack frame before calling
221    function B, the _caller_ of function A will be skipped on the stack
222    trace.
223
224 4. Dynamic jumps and jumps to undefined symbols are only allowed if:
225
226    a) the jump is part of a switch statement; or
227
228    b) the jump matches sibling call semantics and the frame pointer has
229       the same value it had on function entry.
230
231    This rule is needed so that objtool can reliably analyze all of a
232    function's code paths.  If a function jumps to code in another file,
233    and it's not a sibling call, objtool has no way to follow the jump
234    because it only analyzes a single file at a time.
235
236 5. A callable function may not execute kernel entry/exit instructions.
237    The only code which needs such instructions is kernel entry code,
238    which shouldn't be be in callable functions anyway.
239
240    This rule is just a sanity check to ensure that callable functions
241    return normally.
242
243
244 Objtool warnings
245 ----------------
246
247 For asm files, if you're getting an error which doesn't make sense,
248 first make sure that the affected code follows the above rules.
249
250 For C files, the common culprits are inline asm statements and calls to
251 "noreturn" functions.  See below for more details.
252
253 Another possible cause for errors in C code is if the Makefile removes
254 -fno-omit-frame-pointer or adds -fomit-frame-pointer to the gcc options.
255
256 Here are some examples of common warnings reported by objtool, what
257 they mean, and suggestions for how to fix them.  When in doubt, ping
258 the objtool maintainers.
259
260
261 1. file.o: warning: objtool: func()+0x128: call without frame pointer save/setup
262
263    The func() function made a function call without first saving and/or
264    updating the frame pointer, and CONFIG_FRAME_POINTER is enabled.
265
266    If the error is for an asm file, and func() is indeed a callable
267    function, add proper frame pointer logic using the FRAME_BEGIN and
268    FRAME_END macros.  Otherwise, if it's not a callable function, remove
269    its ELF function annotation by changing ENDPROC to END, and instead
270    use the manual unwind hint macros in asm/unwind_hints.h.
271
272    If it's a GCC-compiled .c file, the error may be because the function
273    uses an inline asm() statement which has a "call" instruction.  An
274    asm() statement with a call instruction must declare the use of the
275    stack pointer in its output operand.  On x86_64, this means adding
276    the ASM_CALL_CONSTRAINT as an output constraint:
277
278      asm volatile("call func" : ASM_CALL_CONSTRAINT);
279
280    Otherwise the stack frame may not get created before the call.
281
282
283 2. file.o: warning: objtool: .text+0x53: unreachable instruction
284
285    Objtool couldn't find a code path to reach the instruction.
286
287    If the error is for an asm file, and the instruction is inside (or
288    reachable from) a callable function, the function should be annotated
289    with the ENTRY/ENDPROC macros (ENDPROC is the important one).
290    Otherwise, the code should probably be annotated with the unwind hint
291    macros in asm/unwind_hints.h so objtool and the unwinder can know the
292    stack state associated with the code.
293
294    If you're 100% sure the code won't affect stack traces, or if you're
295    a just a bad person, you can tell objtool to ignore it.  See the
296    "Adding exceptions" section below.
297
298    If it's not actually in a callable function (e.g. kernel entry code),
299    change ENDPROC to END.
300
301
302 4. file.o: warning: objtool: func(): can't find starting instruction
303    or
304    file.o: warning: objtool: func()+0x11dd: can't decode instruction
305
306    Does the file have data in a text section?  If so, that can confuse
307    objtool's instruction decoder.  Move the data to a more appropriate
308    section like .data or .rodata.
309
310
311 5. file.o: warning: objtool: func()+0x6: unsupported instruction in callable function
312
313    This is a kernel entry/exit instruction like sysenter or iret.  Such
314    instructions aren't allowed in a callable function, and are most
315    likely part of the kernel entry code.  They should usually not have
316    the callable function annotation (ENDPROC) and should always be
317    annotated with the unwind hint macros in asm/unwind_hints.h.
318
319
320 6. file.o: warning: objtool: func()+0x26: sibling call from callable instruction with modified stack frame
321
322    This is a dynamic jump or a jump to an undefined symbol.  Objtool
323    assumed it's a sibling call and detected that the frame pointer
324    wasn't first restored to its original state.
325
326    If it's not really a sibling call, you may need to move the
327    destination code to the local file.
328
329    If the instruction is not actually in a callable function (e.g.
330    kernel entry code), change ENDPROC to END and annotate manually with
331    the unwind hint macros in asm/unwind_hints.h.
332
333
334 7. file: warning: objtool: func()+0x5c: stack state mismatch
335
336    The instruction's frame pointer state is inconsistent, depending on
337    which execution path was taken to reach the instruction.
338
339    Make sure that, when CONFIG_FRAME_POINTER is enabled, the function
340    pushes and sets up the frame pointer (for x86_64, this means rbp) at
341    the beginning of the function and pops it at the end of the function.
342    Also make sure that no other code in the function touches the frame
343    pointer.
344
345    Another possibility is that the code has some asm or inline asm which
346    does some unusual things to the stack or the frame pointer.  In such
347    cases it's probably appropriate to use the unwind hint macros in
348    asm/unwind_hints.h.
349
350
351 8. file.o: warning: objtool: funcA() falls through to next function funcB()
352
353    This means that funcA() doesn't end with a return instruction or an
354    unconditional jump, and that objtool has determined that the function
355    can fall through into the next function.  There could be different
356    reasons for this:
357
358    1) funcA()'s last instruction is a call to a "noreturn" function like
359       panic().  In this case the noreturn function needs to be added to
360       objtool's hard-coded global_noreturns array.  Feel free to bug the
361       objtool maintainer, or you can submit a patch.
362
363    2) funcA() uses the unreachable() annotation in a section of code
364       that is actually reachable.
365
366    3) If funcA() calls an inline function, the object code for funcA()
367       might be corrupt due to a gcc bug.  For more details, see:
368       https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=70646
369
370 9. file.o: warning: objtool: funcA() call to funcB() with UACCESS enabled
371
372    This means that an unexpected call to a non-whitelisted function exists
373    outside of arch-specific guards.
374    X86: SMAP (stac/clac): __uaccess_begin()/__uaccess_end()
375    ARM: PAN: uaccess_enable()/uaccess_disable()
376
377    These functions should be called to denote a minimal critical section around
378    access to __user variables. See also: https://lwn.net/Articles/517475/
379
380    The intention of the warning is to prevent calls to funcB() from eventually
381    calling schedule(), potentially leaking the AC flags state, and not
382    restoring them correctly.
383
384    It also helps verify that there are no unexpected calls to funcB() which may
385    access user space pages with protections against doing so disabled.
386
387    To fix, either:
388    1) remove explicit calls to funcB() from funcA().
389    2) add the correct guards before and after calls to low level functions like
390       __get_user_size()/__put_user_size().
391    3) add funcB to uaccess_safe_builtin whitelist in tools/objtool/check.c, if
392       funcB obviously does not call schedule(), and is marked notrace (since
393       function tracing inserts additional calls, which is not obvious from the
394       sources).
395
396 10. file.o: warning: func()+0x5c: stack layout conflict in alternatives
397
398     This means that in the use of the alternative() or ALTERNATIVE()
399     macro, the code paths have conflicting modifications to the stack.
400     The problem is that there is only one ORC unwind table, which means
401     that the ORC unwind entries must be consistent for all possible
402     instruction boundaries regardless of which code has been patched.
403     This limitation can be overcome by massaging the alternatives with
404     NOPs to shift the stack changes around so they no longer conflict.
405
406 11. file.o: warning: unannotated intra-function call
407
408    This warning means that a direct call is done to a destination which
409    is not at the beginning of a function. If this is a legit call, you
410    can remove this warning by putting the ANNOTATE_INTRA_FUNCTION_CALL
411    directive right before the call.
412
413
414 If the error doesn't seem to make sense, it could be a bug in objtool.
415 Feel free to ask the objtool maintainer for help.
416
417
418 Adding exceptions
419 -----------------
420
421 If you _really_ need objtool to ignore something, and are 100% sure
422 that it won't affect kernel stack traces, you can tell objtool to
423 ignore it:
424
425 - To skip validation of a function, use the STACK_FRAME_NON_STANDARD
426   macro.
427
428 - To skip validation of a file, add
429
430     OBJECT_FILES_NON_STANDARD_filename.o := y
431
432   to the Makefile.
433
434 - To skip validation of a directory, add
435
436     OBJECT_FILES_NON_STANDARD := y
437
438   to the Makefile.
439
440 NOTE: OBJECT_FILES_NON_STANDARD doesn't work for link time validation of
441 vmlinux.o or a linked module.  So it should only be used for files which
442 aren't linked into vmlinux or a module.