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[llvm-project.git] / clang / docs / HardwareAssistedAddressSanitizerDesign.rst
blobf89ca117427ad7efc8651cb0122828864d65042a
1 =======================================================
2 Hardware-assisted AddressSanitizer Design Documentation
3 =======================================================
5 This page is a design document for
6 **hardware-assisted AddressSanitizer** (or **HWASAN**)
7 a tool similar to :doc:`AddressSanitizer`,
8 but based on partial hardware assistance.
11 Introduction
12 ============
14 :doc:`AddressSanitizer`
15 tags every 8 bytes of the application memory with a 1 byte tag (using *shadow memory*),
16 uses *redzones* to find buffer-overflows and
17 *quarantine* to find use-after-free.
18 The redzones, the quarantine, and, to a less extent, the shadow, are the
19 sources of AddressSanitizer's memory overhead.
20 See the `AddressSanitizer paper`_ for details.
22 AArch64 has `Address Tagging`_ (or top-byte-ignore, TBI), a hardware feature that allows
23 software to use the 8 most significant bits of a 64-bit pointer as
24 a tag. HWASAN uses `Address Tagging`_
25 to implement a memory safety tool, similar to :doc:`AddressSanitizer`,
26 but with smaller memory overhead and slightly different (mostly better)
27 accuracy guarantees.
29 Intel's `Linear Address Masking`_ (LAM) also provides address tagging for
30 x86_64, though it is not widely available in hardware yet.  For x86_64, HWASAN
31 has a limited implementation using page aliasing instead.
33 Algorithm
34 =========
35 * Every heap/stack/global memory object is forcibly aligned by `TG` bytes
36   (`TG` is e.g. 16 or 64). We call `TG` the **tagging granularity**.
37 * For every such object a random `TS`-bit tag `T` is chosen (`TS`, or tag size, is e.g. 4 or 8)
38 * The pointer to the object is tagged with `T`.
39 * The memory for the object is also tagged with `T` (using a `TG=>1` shadow memory)
40 * Every load and store is instrumented to read the memory tag and compare it
41   with the pointer tag, exception is raised on tag mismatch.
43 For a more detailed discussion of this approach see https://arxiv.org/pdf/1802.09517.pdf
45 Short granules
46 --------------
48 A short granule is a granule of size between 1 and `TG-1` bytes. The size
49 of a short granule is stored at the location in shadow memory where the
50 granule's tag is normally stored, while the granule's actual tag is stored
51 in the last byte of the granule. This means that in order to verify that a
52 pointer tag matches a memory tag, HWASAN must check for two possibilities:
54 * the pointer tag is equal to the memory tag in shadow memory, or
55 * the shadow memory tag is actually a short granule size, the value being loaded
56   is in bounds of the granule and the pointer tag is equal to the last byte of
57   the granule.
59 Pointer tags between 1 to `TG-1` are possible and are as likely as any other
60 tag. This means that these tags in memory have two interpretations: the full
61 tag interpretation (where the pointer tag is between 1 and `TG-1` and the
62 last byte of the granule is ordinary data) and the short tag interpretation
63 (where the pointer tag is stored in the granule).
65 When HWASAN detects an error near a memory tag between 1 and `TG-1`, it
66 will show both the memory tag and the last byte of the granule. Currently,
67 it is up to the user to disambiguate the two possibilities.
69 Instrumentation
70 ===============
72 Memory Accesses
73 ---------------
74 In the majority of cases, memory accesses are prefixed with a call to
75 an outlined instruction sequence that verifies the tags. The code size
76 and performance overhead of the call is reduced by using a custom calling
77 convention that
79 * preserves most registers, and
80 * is specialized to the register containing the address, and the type and
81   size of the memory access.
83 Currently, the following sequence is used:
85 .. code-block:: none
87   // int foo(int *a) { return *a; }
88   // clang -O2 --target=aarch64-linux-android30 -fsanitize=hwaddress -S -o - load.c
89   [...]
90   foo:
91         stp     x30, x20, [sp, #-16]!
92         adrp    x20, :got:__hwasan_shadow               // load shadow address from GOT into x20
93         ldr     x20, [x20, :got_lo12:__hwasan_shadow]
94         bl      __hwasan_check_x0_2_short_v2            // call outlined tag check
95                                                         // (arguments: x0 = address, x20 = shadow base;
96                                                         // "2" encodes the access type and size)
97         ldr     w0, [x0]                                // inline load
98         ldp     x30, x20, [sp], #16
99         ret
101   [...]
102   __hwasan_check_x0_2_short_v2:
103         sbfx    x16, x0, #4, #52                        // shadow offset
104         ldrb    w16, [x20, x16]                         // load shadow tag
105         cmp     x16, x0, lsr #56                        // extract address tag, compare with shadow tag
106         b.ne    .Ltmp0                                  // jump to short tag handler on mismatch
107   .Ltmp1:
108         ret
109   .Ltmp0:
110         cmp     w16, #15                                // is this a short tag?
111         b.hi    .Ltmp2                                  // if not, error
112         and     x17, x0, #0xf                           // find the address's position in the short granule
113         add     x17, x17, #3                            // adjust to the position of the last byte loaded
114         cmp     w16, w17                                // check that position is in bounds
115         b.ls    .Ltmp2                                  // if not, error
116         orr     x16, x0, #0xf                           // compute address of last byte of granule
117         ldrb    w16, [x16]                              // load tag from it
118         cmp     x16, x0, lsr #56                        // compare with pointer tag
119         b.eq    .Ltmp1                                  // if matches, continue
120   .Ltmp2:
121         stp     x0, x1, [sp, #-256]!                    // save original x0, x1 on stack (they will be overwritten)
122         stp     x29, x30, [sp, #232]                    // create frame record
123         mov     x1, #2                                  // set x1 to a constant indicating the type of failure
124         adrp    x16, :got:__hwasan_tag_mismatch_v2      // call runtime function to save remaining registers and report error
125         ldr     x16, [x16, :got_lo12:__hwasan_tag_mismatch_v2] // (load address from GOT to avoid potential register clobbers in delay load handler)
126         br      x16
128 Heap
129 ----
131 Tagging the heap memory/pointers is done by `malloc`.
132 This can be based on any malloc that forces all objects to be TG-aligned.
133 `free` tags the memory with a different tag.
135 Stack
136 -----
138 Stack frames are instrumented by aligning all non-promotable allocas
139 by `TG` and tagging stack memory in function prologue and epilogue.
141 Tags for different allocas in one function are **not** generated
142 independently; doing that in a function with `M` allocas would require
143 maintaining `M` live stack pointers, significantly increasing register
144 pressure. Instead we generate a single base tag value in the prologue,
145 and build the tag for alloca number `M` as `ReTag(BaseTag, M)`, where
146 ReTag can be as simple as exclusive-or with constant `M`.
148 Stack instrumentation is expected to be a major source of overhead,
149 but could be optional.
151 Globals
152 -------
154 Most globals in HWASAN instrumented code are tagged. This is accomplished
155 using the following mechanisms:
157   * The address of each global has a static tag associated with it. The first
158     defined global in a translation unit has a pseudorandom tag associated
159     with it, based on the hash of the file path. Subsequent global tags are
160     incremental from the previously-assigned tag.
162   * The global's tag is added to its symbol address in the object file's symbol
163     table. This causes the global's address to be tagged when its address is
164     taken.
166   * When the address of a global is taken directly (i.e. not via the GOT), a special
167     instruction sequence needs to be used to add the tag to the address,
168     because the tag would otherwise take the address outside of the small code
169     model (4GB on AArch64). No changes are required when the address is taken
170     via the GOT because the address stored in the GOT will contain the tag.
172   * An associated ``hwasan_globals`` section is emitted for each tagged global,
173     which indicates the address of the global, its size and its tag.  These
174     sections are concatenated by the linker into a single ``hwasan_globals``
175     section that is enumerated by the runtime (via an ELF note) when a binary
176     is loaded and the memory is tagged accordingly.
178 A complete example is given below:
180 .. code-block:: none
182   // int x = 1; int *f() { return &x; }
183   // clang -O2 --target=aarch64-linux-android30 -fsanitize=hwaddress -S -o - global.c
185   [...]
186   f:
187         adrp    x0, :pg_hi21_nc:x            // set bits 12-63 to upper bits of untagged address
188         movk    x0, #:prel_g3:x+0x100000000  // set bits 48-63 to tag
189         add     x0, x0, :lo12:x              // set bits 0-11 to lower bits of address
190         ret
192   [...]
193         .data
194   .Lx.hwasan:
195         .word   1
197         .globl  x
198         .set x, .Lx.hwasan+0x2d00000000000000
200   [...]
201         .section        .note.hwasan.globals,"aG",@note,hwasan.module_ctor,comdat
202   .Lhwasan.note:
203         .word   8                            // namesz
204         .word   8                            // descsz
205         .word   3                            // NT_LLVM_HWASAN_GLOBALS
206         .asciz  "LLVM\000\000\000"
207         .word   __start_hwasan_globals-.Lhwasan.note
208         .word   __stop_hwasan_globals-.Lhwasan.note
210   [...]
211         .section        hwasan_globals,"ao",@progbits,.Lx.hwasan,unique,2
212   .Lx.hwasan.descriptor:
213         .word   .Lx.hwasan-.Lx.hwasan.descriptor
214         .word   0x2d000004                   // tag = 0x2d, size = 4
216 Error reporting
217 ---------------
219 Errors are generated by the `HLT` instruction and are handled by a signal handler.
221 Attribute
222 ---------
224 HWASAN uses its own LLVM IR Attribute `sanitize_hwaddress` and a matching
225 C function attribute. An alternative would be to re-use ASAN's attribute
226 `sanitize_address`. The reasons to use a separate attribute are:
228   * Users may need to disable ASAN but not HWASAN, or vise versa,
229     because the tools have different trade-offs and compatibility issues.
230   * LLVM (ideally) does not use flags to decide which pass is being used,
231     ASAN or HWASAN are being applied, based on the function attributes.
233 This does mean that users of HWASAN may need to add the new attribute
234 to the code that already uses the old attribute.
237 Comparison with AddressSanitizer
238 ================================
240 HWASAN:
241   * Is less portable than :doc:`AddressSanitizer`
242     as it relies on hardware `Address Tagging`_ (AArch64).
243     Address Tagging can be emulated with compiler instrumentation,
244     but it will require the instrumentation to remove the tags before
245     any load or store, which is infeasible in any realistic environment
246     that contains non-instrumented code.
247   * May have compatibility problems if the target code uses higher
248     pointer bits for other purposes.
249   * May require changes in the OS kernels (e.g. Linux seems to dislike
250     tagged pointers passed from address space:
251     https://www.kernel.org/doc/Documentation/arm64/tagged-pointers.txt).
252   * **Does not require redzones to detect buffer overflows**,
253     but the buffer overflow detection is probabilistic, with roughly
254     `1/(2**TS)` chance of missing a bug (6.25% or 0.39% with 4 and 8-bit TS
255     respectively).
256   * **Does not require quarantine to detect heap-use-after-free,
257     or stack-use-after-return**.
258     The detection is similarly probabilistic.
260 The memory overhead of HWASAN is expected to be much smaller
261 than that of AddressSanitizer:
262 `1/TG` extra memory for the shadow
263 and some overhead due to `TG`-aligning all objects.
265 Supported architectures
266 =======================
267 HWASAN relies on `Address Tagging`_ which is only available on AArch64.
268 For other 64-bit architectures it is possible to remove the address tags
269 before every load and store by compiler instrumentation, but this variant
270 will have limited deployability since not all of the code is
271 typically instrumented.
273 On x86_64, HWASAN utilizes page aliasing to place tags in userspace address
274 bits.  Currently only heap tagging is supported.  The page aliases rely on
275 shared memory, which will cause heap memory to be shared between processes if
276 the application calls ``fork()``.  Therefore x86_64 is really only safe for
277 applications that do not fork.
279 HWASAN does not currently support 32-bit architectures since they do not
280 support `Address Tagging`_ and the address space is too constrained to easily
281 implement page aliasing.
284 Related Work
285 ============
286 * `SPARC ADI`_ implements a similar tool mostly in hardware.
287 * `Effective and Efficient Memory Protection Using Dynamic Tainting`_ discusses
288   similar approaches ("lock & key").
289 * `Watchdog`_ discussed a heavier, but still somewhat similar
290   "lock & key" approach.
291 * *TODO: add more "related work" links. Suggestions are welcome.*
294 .. _Watchdog: https://www.cis.upenn.edu/acg/papers/isca12_watchdog.pdf
295 .. _Effective and Efficient Memory Protection Using Dynamic Tainting: https://www.cc.gatech.edu/~orso/papers/clause.doudalis.orso.prvulovic.pdf
296 .. _SPARC ADI: https://lazytyped.blogspot.com/2017/09/getting-started-with-adi.html
297 .. _AddressSanitizer paper: https://www.usenix.org/system/files/conference/atc12/atc12-final39.pdf
298 .. _Address Tagging: http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.den0024a/ch12s05s01.html
299 .. _Linear Address Masking: https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/download/intel-architecture-instruction-set-extensions-programming-reference.html