Run DCE after a LoopFlatten test to reduce spurious output [nfc]
[llvm-project.git] / clang / docs / UndefinedBehaviorSanitizer.rst
blobb8ad3804f1890327e42bb5de335be2a11e1f38a1
1 ==========================
2 UndefinedBehaviorSanitizer
3 ==========================
5 .. contents::
6    :local:
8 Introduction
9 ============
11 UndefinedBehaviorSanitizer (UBSan) is a fast undefined behavior detector.
12 UBSan modifies the program at compile-time to catch various kinds of undefined
13 behavior during program execution, for example:
15 * Array subscript out of bounds, where the bounds can be statically determined
16 * Bitwise shifts that are out of bounds for their data type
17 * Dereferencing misaligned or null pointers
18 * Signed integer overflow
19 * Conversion to, from, or between floating-point types which would
20   overflow the destination
22 See the full list of available :ref:`checks <ubsan-checks>` below.
24 UBSan has an optional run-time library which provides better error reporting.
25 The checks have small runtime cost and no impact on address space layout or ABI.
27 How to build
28 ============
30 Build LLVM/Clang with `CMake <https://llvm.org/docs/CMake.html>`_.
32 Usage
33 =====
35 Use ``clang++`` to compile and link your program with the ``-fsanitize=undefined``
36 option. Make sure to use ``clang++`` (not ``ld``) as a linker, so that your
37 executable is linked with proper UBSan runtime libraries, unless all enabled
38 checks use trap mode. You can use ``clang`` instead of ``clang++`` if you're
39 compiling/linking C code.
41 .. code-block:: console
43   % cat test.cc
44   int main(int argc, char **argv) {
45     int k = 0x7fffffff;
46     k += argc;
47     return 0;
48   }
49   % clang++ -fsanitize=undefined test.cc
50   % ./a.out
51   test.cc:3:5: runtime error: signed integer overflow: 2147483647 + 1 cannot be represented in type 'int'
53 You can use ``-fsanitize=...`` and ``-fno-sanitize=`` to enable and disable one
54 check or one check group. For an individual check, the last option that enabling
55 or disabling it wins.
57 .. code-block:: console
59   # Enable all checks in the "undefined" group, but disable "alignment".
60   % clang -fsanitize=undefined -fno-sanitize=alignment a.c
62   # Enable just "alignment".
63   % clang -fsanitize=alignment a.c
65   # The same. -fno-sanitize=undefined nullifies the previous -fsanitize=undefined.
66   % clang -fsanitize=undefined -fno-sanitize=undefined -fsanitize=alignment a.c
68 For most checks (:ref:`checks <ubsan-checks>`), the instrumented program prints
69 a verbose error report and continues execution upon a failed check.
70 You can use the following options to change the error reporting behavior:
72 * ``-fno-sanitize-recover=...``: print a verbose error report and exit the program;
73 * ``-fsanitize-trap=...``: execute a trap instruction (doesn't require UBSan
74   run-time support). If the signal is not caught, the program will typically
75   terminate due to a ``SIGILL`` or ``SIGTRAP`` signal.
77 For example:
79 .. code-block:: console
81   % clang++ -fsanitize=signed-integer-overflow,null,alignment -fno-sanitize-recover=null -fsanitize-trap=alignment a.cc
83 The program will continue execution after signed integer overflows, exit after
84 the first invalid use of a null pointer, and trap after the first use of misaligned
85 pointer.
87 .. code-block:: console
89   % clang++ -fsanitize=undefined -fsanitize-trap=all a.cc
91 All checks in the "undefined" group are put into trap mode. Since no check
92 needs run-time support, the UBSan run-time library it not linked. Note that
93 some other sanitizers also support trap mode and ``-fsanitize-trap=all``
94 enables trap mode for them.
96 .. code-block:: console
98   % clang -fsanitize-trap=undefined -fsanitize-recover=all a.c
100 ``-fsanitize-trap=`` and ``-fsanitize-recover=`` are a no-op in the absence of
101 a ``-fsanitize=`` option. There is no unused command line option warning.
103 .. _ubsan-checks:
105 Available checks
106 ================
108 Available checks are:
110   -  ``-fsanitize=alignment``: Use of a misaligned pointer or creation
111      of a misaligned reference. Also sanitizes assume_aligned-like attributes.
112   -  ``-fsanitize=bool``: Load of a ``bool`` value which is neither
113      ``true`` nor ``false``.
114   -  ``-fsanitize=builtin``: Passing invalid values to compiler builtins.
115   -  ``-fsanitize=bounds``: Out of bounds array indexing, in cases
116      where the array bound can be statically determined. The check includes
117      ``-fsanitize=array-bounds`` and ``-fsanitize=local-bounds``. Note that
118      ``-fsanitize=local-bounds`` is not included in ``-fsanitize=undefined``.
119   -  ``-fsanitize=enum``: Load of a value of an enumerated type which
120      is not in the range of representable values for that enumerated
121      type.
122   -  ``-fsanitize=float-cast-overflow``: Conversion to, from, or
123      between floating-point types which would overflow the
124      destination. Because the range of representable values for all
125      floating-point types supported by Clang is [-inf, +inf], the only
126      cases detected are conversions from floating point to integer types.
127   -  ``-fsanitize=float-divide-by-zero``: Floating point division by
128      zero. This is undefined per the C and C++ standards, but is defined
129      by Clang (and by ISO/IEC/IEEE 60559 / IEEE 754) as producing either an
130      infinity or NaN value, so is not included in ``-fsanitize=undefined``.
131   -  ``-fsanitize=function``: Indirect call of a function through a
132      function pointer of the wrong type.
133   -  ``-fsanitize=implicit-unsigned-integer-truncation``,
134      ``-fsanitize=implicit-signed-integer-truncation``: Implicit conversion from
135      integer of larger bit width to smaller bit width, if that results in data
136      loss. That is, if the demoted value, after casting back to the original
137      width, is not equal to the original value before the downcast.
138      The ``-fsanitize=implicit-unsigned-integer-truncation`` handles conversions
139      between two ``unsigned`` types, while
140      ``-fsanitize=implicit-signed-integer-truncation`` handles the rest of the
141      conversions - when either one, or both of the types are signed.
142      Issues caught by these sanitizers are not undefined behavior,
143      but are often unintentional.
144   -  ``-fsanitize=implicit-integer-sign-change``: Implicit conversion between
145      integer types, if that changes the sign of the value. That is, if the
146      original value was negative and the new value is positive (or zero),
147      or the original value was positive, and the new value is negative.
148      Issues caught by this sanitizer are not undefined behavior,
149      but are often unintentional.
150   -  ``-fsanitize=integer-divide-by-zero``: Integer division by zero.
151   -  ``-fsanitize=nonnull-attribute``: Passing null pointer as a function
152      parameter which is declared to never be null.
153   -  ``-fsanitize=null``: Use of a null pointer or creation of a null
154      reference.
155   -  ``-fsanitize=nullability-arg``: Passing null as a function parameter
156      which is annotated with ``_Nonnull``.
157   -  ``-fsanitize=nullability-assign``: Assigning null to an lvalue which
158      is annotated with ``_Nonnull``.
159   -  ``-fsanitize=nullability-return``: Returning null from a function with
160      a return type annotated with ``_Nonnull``.
161   -  ``-fsanitize=objc-cast``: Invalid implicit cast of an ObjC object pointer
162      to an incompatible type. This is often unintentional, but is not undefined
163      behavior, therefore the check is not a part of the ``undefined`` group.
164      Currently only supported on Darwin.
165   -  ``-fsanitize=object-size``: An attempt to potentially use bytes which
166      the optimizer can determine are not part of the object being accessed.
167      This will also detect some types of undefined behavior that may not
168      directly access memory, but are provably incorrect given the size of
169      the objects involved, such as invalid downcasts and calling methods on
170      invalid pointers. These checks are made in terms of
171      ``__builtin_object_size``, and consequently may be able to detect more
172      problems at higher optimization levels.
173   -  ``-fsanitize=pointer-overflow``: Performing pointer arithmetic which
174      overflows, or where either the old or new pointer value is a null pointer
175      (or in C, when they both are).
176   -  ``-fsanitize=return``: In C++, reaching the end of a
177      value-returning function without returning a value.
178   -  ``-fsanitize=returns-nonnull-attribute``: Returning null pointer
179      from a function which is declared to never return null.
180   -  ``-fsanitize=shift``: Shift operators where the amount shifted is
181      greater or equal to the promoted bit-width of the left hand side
182      or less than zero, or where the left hand side is negative. For a
183      signed left shift, also checks for signed overflow in C, and for
184      unsigned overflow in C++. You can use ``-fsanitize=shift-base`` or
185      ``-fsanitize=shift-exponent`` to check only left-hand side or
186      right-hand side of shift operation, respectively.
187   -  ``-fsanitize=unsigned-shift-base``: check that an unsigned left-hand side of
188      a left shift operation doesn't overflow. Issues caught by this sanitizer are
189      not undefined behavior, but are often unintentional.
190   -  ``-fsanitize=signed-integer-overflow``: Signed integer overflow, where the
191      result of a signed integer computation cannot be represented in its type.
192      This includes all the checks covered by ``-ftrapv``, as well as checks for
193      signed division overflow (``INT_MIN/-1``), but not checks for
194      lossy implicit conversions performed before the computation
195      (see ``-fsanitize=implicit-conversion``). Both of these two issues are
196      handled by ``-fsanitize=implicit-conversion`` group of checks.
197   -  ``-fsanitize=unreachable``: If control flow reaches an unreachable
198      program point.
199   -  ``-fsanitize=unsigned-integer-overflow``: Unsigned integer overflow, where
200      the result of an unsigned integer computation cannot be represented in its
201      type. Unlike signed integer overflow, this is not undefined behavior, but
202      it is often unintentional. This sanitizer does not check for lossy implicit
203      conversions performed before such a computation
204      (see ``-fsanitize=implicit-conversion``).
205   -  ``-fsanitize=vla-bound``: A variable-length array whose bound
206      does not evaluate to a positive value.
207   -  ``-fsanitize=vptr``: Use of an object whose vptr indicates that it is of
208      the wrong dynamic type, or that its lifetime has not begun or has ended.
209      Incompatible with ``-fno-rtti``. Link must be performed by ``clang++``, not
210      ``clang``, to make sure C++-specific parts of the runtime library and C++
211      standard libraries are present.
213 You can also use the following check groups:
214   -  ``-fsanitize=undefined``: All of the checks listed above other than
215      ``float-divide-by-zero``, ``unsigned-integer-overflow``,
216      ``implicit-conversion``, ``local-bounds`` and the ``nullability-*`` group
217      of checks.
218   -  ``-fsanitize=undefined-trap``: Deprecated alias of
219      ``-fsanitize=undefined``.
220   -  ``-fsanitize=implicit-integer-truncation``: Catches lossy integral
221      conversions. Enables ``implicit-signed-integer-truncation`` and
222      ``implicit-unsigned-integer-truncation``.
223   -  ``-fsanitize=implicit-integer-arithmetic-value-change``: Catches implicit
224      conversions that change the arithmetic value of the integer. Enables
225      ``implicit-signed-integer-truncation`` and ``implicit-integer-sign-change``.
226   -  ``-fsanitize=implicit-conversion``: Checks for suspicious
227      behavior of implicit conversions. Enables
228      ``implicit-unsigned-integer-truncation``,
229      ``implicit-signed-integer-truncation``, and
230      ``implicit-integer-sign-change``.
231   -  ``-fsanitize=integer``: Checks for undefined or suspicious integer
232      behavior (e.g. unsigned integer overflow).
233      Enables ``signed-integer-overflow``, ``unsigned-integer-overflow``,
234      ``shift``, ``integer-divide-by-zero``,
235      ``implicit-unsigned-integer-truncation``,
236      ``implicit-signed-integer-truncation``, and
237      ``implicit-integer-sign-change``.
238   -  ``-fsanitize=nullability``: Enables ``nullability-arg``,
239      ``nullability-assign``, and ``nullability-return``. While violating
240      nullability does not have undefined behavior, it is often unintentional,
241      so UBSan offers to catch it.
243 Volatile
244 --------
246 The ``null``, ``alignment``, ``object-size``, ``local-bounds``, and ``vptr`` checks do not apply
247 to pointers to types with the ``volatile`` qualifier.
249 Minimal Runtime
250 ===============
252 There is a minimal UBSan runtime available suitable for use in production
253 environments. This runtime has a small attack surface. It only provides very
254 basic issue logging and deduplication, and does not support ``-fsanitize=vptr``
255 checking.
257 To use the minimal runtime, add ``-fsanitize-minimal-runtime`` to the clang
258 command line options. For example, if you're used to compiling with
259 ``-fsanitize=undefined``, you could enable the minimal runtime with
260 ``-fsanitize=undefined -fsanitize-minimal-runtime``.
262 Stack traces and report symbolization
263 =====================================
264 If you want UBSan to print symbolized stack trace for each error report, you
265 will need to:
267 #. Compile with ``-g`` and ``-fno-omit-frame-pointer`` to get proper debug
268    information in your binary.
269 #. Run your program with environment variable
270    ``UBSAN_OPTIONS=print_stacktrace=1``.
271 #. Make sure ``llvm-symbolizer`` binary is in ``PATH``.
273 Logging
274 =======
276 The default log file for diagnostics is "stderr". To log diagnostics to another
277 file, you can set ``UBSAN_OPTIONS=log_path=...``.
279 Silencing Unsigned Integer Overflow
280 ===================================
281 To silence reports from unsigned integer overflow, you can set
282 ``UBSAN_OPTIONS=silence_unsigned_overflow=1``.  This feature, combined with
283 ``-fsanitize-recover=unsigned-integer-overflow``, is particularly useful for
284 providing fuzzing signal without blowing up logs.
286 Issue Suppression
287 =================
289 UndefinedBehaviorSanitizer is not expected to produce false positives.
290 If you see one, look again; most likely it is a true positive!
292 Disabling Instrumentation with ``__attribute__((no_sanitize("undefined")))``
293 ----------------------------------------------------------------------------
295 You disable UBSan checks for particular functions with
296 ``__attribute__((no_sanitize("undefined")))``. You can use all values of
297 ``-fsanitize=`` flag in this attribute, e.g. if your function deliberately
298 contains possible signed integer overflow, you can use
299 ``__attribute__((no_sanitize("signed-integer-overflow")))``.
301 This attribute may not be
302 supported by other compilers, so consider using it together with
303 ``#if defined(__clang__)``.
305 Suppressing Errors in Recompiled Code (Ignorelist)
306 --------------------------------------------------
308 UndefinedBehaviorSanitizer supports ``src`` and ``fun`` entity types in
309 :doc:`SanitizerSpecialCaseList`, that can be used to suppress error reports
310 in the specified source files or functions.
312 Runtime suppressions
313 --------------------
315 Sometimes you can suppress UBSan error reports for specific files, functions,
316 or libraries without recompiling the code. You need to pass a path to
317 suppression file in a ``UBSAN_OPTIONS`` environment variable.
319 .. code-block:: bash
321     UBSAN_OPTIONS=suppressions=MyUBSan.supp
323 You need to specify a :ref:`check <ubsan-checks>` you are suppressing and the
324 bug location. For example:
326 .. code-block:: bash
328   signed-integer-overflow:file-with-known-overflow.cpp
329   alignment:function_doing_unaligned_access
330   vptr:shared_object_with_vptr_failures.so
332 There are several limitations:
334 * Sometimes your binary must have enough debug info and/or symbol table, so
335   that the runtime could figure out source file or function name to match
336   against the suppression.
337 * It is only possible to suppress recoverable checks. For the example above,
338   you can additionally pass
339   ``-fsanitize-recover=signed-integer-overflow,alignment,vptr``, although
340   most of UBSan checks are recoverable by default.
341 * Check groups (like ``undefined``) can't be used in suppressions file, only
342   fine-grained checks are supported.
344 Supported Platforms
345 ===================
347 UndefinedBehaviorSanitizer is supported on the following operating systems:
349 * Android
350 * Linux
351 * NetBSD
352 * FreeBSD
353 * OpenBSD
354 * macOS
355 * Windows
357 The runtime library is relatively portable and platform independent. If the OS
358 you need is not listed above, UndefinedBehaviorSanitizer may already work for
359 it, or could be made to work with a minor porting effort.
361 Current Status
362 ==============
364 UndefinedBehaviorSanitizer is available on selected platforms starting from LLVM
365 3.3. The test suite is integrated into the CMake build and can be run with
366 ``check-ubsan`` command.
368 Additional Configuration
369 ========================
371 UndefinedBehaviorSanitizer adds static check data for each check unless it is
372 in trap mode. This check data includes the full file name. The option
373 ``-fsanitize-undefined-strip-path-components=N`` can be used to trim this
374 information. If ``N`` is positive, file information emitted by
375 UndefinedBehaviorSanitizer will drop the first ``N`` components from the file
376 path. If ``N`` is negative, the last ``N`` components will be kept.
378 Example
379 -------
381 For a file called ``/code/library/file.cpp``, here is what would be emitted:
383 * Default (No flag, or ``-fsanitize-undefined-strip-path-components=0``): ``/code/library/file.cpp``
384 * ``-fsanitize-undefined-strip-path-components=1``: ``code/library/file.cpp``
385 * ``-fsanitize-undefined-strip-path-components=2``: ``library/file.cpp``
386 * ``-fsanitize-undefined-strip-path-components=-1``: ``file.cpp``
387 * ``-fsanitize-undefined-strip-path-components=-2``: ``library/file.cpp``
389 More Information
390 ================
392 * From Oracle blog, including a discussion of error messages:
393   `Improving Application Security with UndefinedBehaviorSanitizer (UBSan) and GCC
394   <https://blogs.oracle.com/linux/improving-application-security-with-undefinedbehaviorsanitizer-ubsan-and-gcc>`_
395 * From LLVM project blog:
396   `What Every C Programmer Should Know About Undefined Behavior
397   <http://blog.llvm.org/2011/05/what-every-c-programmer-should-know.html>`_
398 * From John Regehr's *Embedded in Academia* blog:
399   `A Guide to Undefined Behavior in C and C++
400   <https://blog.regehr.org/archives/213>`_