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[llvm-project.git] / clang / docs / UndefinedBehaviorSanitizer.rst
bloba6fac18239aef86f6c01deea1da8a73566282ac5
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 ``-fsanitize=undefined``
36 flag. Make sure to use ``clang++`` (not ``ld``) as a linker, so that your
37 executable is linked with proper UBSan runtime libraries. You can use ``clang``
38 instead of ``clang++`` if you're compiling/linking C code.
40 .. code-block:: console
42   % cat test.cc
43   int main(int argc, char **argv) {
44     int k = 0x7fffffff;
45     k += argc;
46     return 0;
47   }
48   % clang++ -fsanitize=undefined test.cc
49   % ./a.out
50   test.cc:3:5: runtime error: signed integer overflow: 2147483647 + 1 cannot be represented in type 'int'
52 You can enable only a subset of :ref:`checks <ubsan-checks>` offered by UBSan,
53 and define the desired behavior for each kind of check:
55 * ``-fsanitize=...``: print a verbose error report and continue execution (default);
56 * ``-fno-sanitize-recover=...``: print a verbose error report and exit the program;
57 * ``-fsanitize-trap=...``: execute a trap instruction (doesn't require UBSan run-time support).
58 * ``-fno-sanitize=...``: disable any check, e.g., -fno-sanitize=alignment.
60 Note that the ``trap`` / ``recover`` options do not enable the corresponding
61 sanitizer, and in general need to be accompanied by a suitable ``-fsanitize=``
62 flag.
64 For example if you compile/link your program as:
66 .. code-block:: console
68   % clang++ -fsanitize=signed-integer-overflow,null,alignment -fno-sanitize-recover=null -fsanitize-trap=alignment
70 the program will continue execution after signed integer overflows, exit after
71 the first invalid use of a null pointer, and trap after the first use of misaligned
72 pointer.
74 .. _ubsan-checks:
76 Available checks
77 ================
79 Available checks are:
81   -  ``-fsanitize=alignment``: Use of a misaligned pointer or creation
82      of a misaligned reference. Also sanitizes assume_aligned-like attributes.
83   -  ``-fsanitize=bool``: Load of a ``bool`` value which is neither
84      ``true`` nor ``false``.
85   -  ``-fsanitize=builtin``: Passing invalid values to compiler builtins.
86   -  ``-fsanitize=bounds``: Out of bounds array indexing, in cases
87      where the array bound can be statically determined. The check includes
88      ``-fsanitize=array-bounds`` and ``-fsanitize=local-bounds``. Note that
89      ``-fsanitize=local-bounds`` is not included in ``-fsanitize=undefined``.
90   -  ``-fsanitize=enum``: Load of a value of an enumerated type which
91      is not in the range of representable values for that enumerated
92      type.
93   -  ``-fsanitize=float-cast-overflow``: Conversion to, from, or
94      between floating-point types which would overflow the
95      destination. Because the range of representable values for all
96      floating-point types supported by Clang is [-inf, +inf], the only
97      cases detected are conversions from floating point to integer types.
98   -  ``-fsanitize=float-divide-by-zero``: Floating point division by
99      zero. This is undefined per the C and C++ standards, but is defined
100      by Clang (and by ISO/IEC/IEEE 60559 / IEEE 754) as producing either an
101      infinity or NaN value, so is not included in ``-fsanitize=undefined``.
102   -  ``-fsanitize=function``: Indirect call of a function through a
103      function pointer of the wrong type (Darwin/Linux, C++ and x86/x86_64
104      only).
105   -  ``-fsanitize=implicit-unsigned-integer-truncation``,
106      ``-fsanitize=implicit-signed-integer-truncation``: Implicit conversion from
107      integer of larger bit width to smaller bit width, if that results in data
108      loss. That is, if the demoted value, after casting back to the original
109      width, is not equal to the original value before the downcast.
110      The ``-fsanitize=implicit-unsigned-integer-truncation`` handles conversions
111      between two ``unsigned`` types, while
112      ``-fsanitize=implicit-signed-integer-truncation`` handles the rest of the
113      conversions - when either one, or both of the types are signed.
114      Issues caught by these sanitizers are not undefined behavior,
115      but are often unintentional.
116   -  ``-fsanitize=implicit-integer-sign-change``: Implicit conversion between
117      integer types, if that changes the sign of the value. That is, if the
118      original value was negative and the new value is positive (or zero),
119      or the original value was positive, and the new value is negative.
120      Issues caught by this sanitizer are not undefined behavior,
121      but are often unintentional.
122   -  ``-fsanitize=integer-divide-by-zero``: Integer division by zero.
123   -  ``-fsanitize=nonnull-attribute``: Passing null pointer as a function
124      parameter which is declared to never be null.
125   -  ``-fsanitize=null``: Use of a null pointer or creation of a null
126      reference.
127   -  ``-fsanitize=nullability-arg``: Passing null as a function parameter
128      which is annotated with ``_Nonnull``.
129   -  ``-fsanitize=nullability-assign``: Assigning null to an lvalue which
130      is annotated with ``_Nonnull``.
131   -  ``-fsanitize=nullability-return``: Returning null from a function with
132      a return type annotated with ``_Nonnull``.
133   -  ``-fsanitize=objc-cast``: Invalid implicit cast of an ObjC object pointer
134      to an incompatible type. This is often unintentional, but is not undefined
135      behavior, therefore the check is not a part of the ``undefined`` group.
136      Currently only supported on Darwin.
137   -  ``-fsanitize=object-size``: An attempt to potentially use bytes which
138      the optimizer can determine are not part of the object being accessed.
139      This will also detect some types of undefined behavior that may not
140      directly access memory, but are provably incorrect given the size of
141      the objects involved, such as invalid downcasts and calling methods on
142      invalid pointers. These checks are made in terms of
143      ``__builtin_object_size``, and consequently may be able to detect more
144      problems at higher optimization levels.
145   -  ``-fsanitize=pointer-overflow``: Performing pointer arithmetic which
146      overflows, or where either the old or new pointer value is a null pointer
147      (or in C, when they both are).
148   -  ``-fsanitize=return``: In C++, reaching the end of a
149      value-returning function without returning a value.
150   -  ``-fsanitize=returns-nonnull-attribute``: Returning null pointer
151      from a function which is declared to never return null.
152   -  ``-fsanitize=shift``: Shift operators where the amount shifted is
153      greater or equal to the promoted bit-width of the left hand side
154      or less than zero, or where the left hand side is negative. For a
155      signed left shift, also checks for signed overflow in C, and for
156      unsigned overflow in C++. You can use ``-fsanitize=shift-base`` or
157      ``-fsanitize=shift-exponent`` to check only left-hand side or
158      right-hand side of shift operation, respectively.
159   -  ``-fsanitize=unsigned-shift-base``: check that an unsigned left-hand side of
160      a left shift operation doesn't overflow.
161   -  ``-fsanitize=signed-integer-overflow``: Signed integer overflow, where the
162      result of a signed integer computation cannot be represented in its type.
163      This includes all the checks covered by ``-ftrapv``, as well as checks for
164      signed division overflow (``INT_MIN/-1``), but not checks for
165      lossy implicit conversions performed before the computation
166      (see ``-fsanitize=implicit-conversion``). Both of these two issues are
167      handled by ``-fsanitize=implicit-conversion`` group of checks.
168   -  ``-fsanitize=unreachable``: If control flow reaches an unreachable
169      program point.
170   -  ``-fsanitize=unsigned-integer-overflow``: Unsigned integer overflow, where
171      the result of an unsigned integer computation cannot be represented in its
172      type. Unlike signed integer overflow, this is not undefined behavior, but
173      it is often unintentional. This sanitizer does not check for lossy implicit
174      conversions performed before such a computation
175      (see ``-fsanitize=implicit-conversion``).
176   -  ``-fsanitize=vla-bound``: A variable-length array whose bound
177      does not evaluate to a positive value.
178   -  ``-fsanitize=vptr``: Use of an object whose vptr indicates that it is of
179      the wrong dynamic type, or that its lifetime has not begun or has ended.
180      Incompatible with ``-fno-rtti``. Link must be performed by ``clang++``, not
181      ``clang``, to make sure C++-specific parts of the runtime library and C++
182      standard libraries are present.
184 You can also use the following check groups:
185   -  ``-fsanitize=undefined``: All of the checks listed above other than
186      ``float-divide-by-zero``, ``unsigned-integer-overflow``,
187      ``implicit-conversion``, ``local-bounds`` and the ``nullability-*`` group
188      of checks.
189   -  ``-fsanitize=undefined-trap``: Deprecated alias of
190      ``-fsanitize=undefined``.
191   -  ``-fsanitize=implicit-integer-truncation``: Catches lossy integral
192      conversions. Enables ``implicit-signed-integer-truncation`` and
193      ``implicit-unsigned-integer-truncation``.
194   -  ``-fsanitize=implicit-integer-arithmetic-value-change``: Catches implicit
195      conversions that change the arithmetic value of the integer. Enables
196      ``implicit-signed-integer-truncation`` and ``implicit-integer-sign-change``.
197   -  ``-fsanitize=implicit-conversion``: Checks for suspicious
198      behavior of implicit conversions. Enables
199      ``implicit-unsigned-integer-truncation``,
200      ``implicit-signed-integer-truncation``, and
201      ``implicit-integer-sign-change``.
202   -  ``-fsanitize=integer``: Checks for undefined or suspicious integer
203      behavior (e.g. unsigned integer overflow).
204      Enables ``signed-integer-overflow``, ``unsigned-integer-overflow``,
205      ``shift``, ``integer-divide-by-zero``,
206      ``implicit-unsigned-integer-truncation``,
207      ``implicit-signed-integer-truncation``, and
208      ``implicit-integer-sign-change``.
209   -  ``-fsanitize=nullability``: Enables ``nullability-arg``,
210      ``nullability-assign``, and ``nullability-return``. While violating
211      nullability does not have undefined behavior, it is often unintentional,
212      so UBSan offers to catch it.
214 Volatile
215 --------
217 The ``null``, ``alignment``, ``object-size``, ``local-bounds``, and ``vptr`` checks do not apply
218 to pointers to types with the ``volatile`` qualifier.
220 Minimal Runtime
221 ===============
223 There is a minimal UBSan runtime available suitable for use in production
224 environments. This runtime has a small attack surface. It only provides very
225 basic issue logging and deduplication, and does not support
226 ``-fsanitize=function`` and ``-fsanitize=vptr`` checking.
228 To use the minimal runtime, add ``-fsanitize-minimal-runtime`` to the clang
229 command line options. For example, if you're used to compiling with
230 ``-fsanitize=undefined``, you could enable the minimal runtime with
231 ``-fsanitize=undefined -fsanitize-minimal-runtime``.
233 Stack traces and report symbolization
234 =====================================
235 If you want UBSan to print symbolized stack trace for each error report, you
236 will need to:
238 #. Compile with ``-g`` and ``-fno-omit-frame-pointer`` to get proper debug
239    information in your binary.
240 #. Run your program with environment variable
241    ``UBSAN_OPTIONS=print_stacktrace=1``.
242 #. Make sure ``llvm-symbolizer`` binary is in ``PATH``.
244 Logging
245 =======
247 The default log file for diagnostics is "stderr". To log diagnostics to another
248 file, you can set ``UBSAN_OPTIONS=log_path=...``.
250 Silencing Unsigned Integer Overflow
251 ===================================
252 To silence reports from unsigned integer overflow, you can set
253 ``UBSAN_OPTIONS=silence_unsigned_overflow=1``.  This feature, combined with
254 ``-fsanitize-recover=unsigned-integer-overflow``, is particularly useful for
255 providing fuzzing signal without blowing up logs.
257 Issue Suppression
258 =================
260 UndefinedBehaviorSanitizer is not expected to produce false positives.
261 If you see one, look again; most likely it is a true positive!
263 Disabling Instrumentation with ``__attribute__((no_sanitize("undefined")))``
264 ----------------------------------------------------------------------------
266 You disable UBSan checks for particular functions with
267 ``__attribute__((no_sanitize("undefined")))``. You can use all values of
268 ``-fsanitize=`` flag in this attribute, e.g. if your function deliberately
269 contains possible signed integer overflow, you can use
270 ``__attribute__((no_sanitize("signed-integer-overflow")))``.
272 This attribute may not be
273 supported by other compilers, so consider using it together with
274 ``#if defined(__clang__)``.
276 Suppressing Errors in Recompiled Code (Ignorelist)
277 --------------------------------------------------
279 UndefinedBehaviorSanitizer supports ``src`` and ``fun`` entity types in
280 :doc:`SanitizerSpecialCaseList`, that can be used to suppress error reports
281 in the specified source files or functions.
283 Runtime suppressions
284 --------------------
286 Sometimes you can suppress UBSan error reports for specific files, functions,
287 or libraries without recompiling the code. You need to pass a path to
288 suppression file in a ``UBSAN_OPTIONS`` environment variable.
290 .. code-block:: bash
292     UBSAN_OPTIONS=suppressions=MyUBSan.supp
294 You need to specify a :ref:`check <ubsan-checks>` you are suppressing and the
295 bug location. For example:
297 .. code-block:: bash
299   signed-integer-overflow:file-with-known-overflow.cpp
300   alignment:function_doing_unaligned_access
301   vptr:shared_object_with_vptr_failures.so
303 There are several limitations:
305 * Sometimes your binary must have enough debug info and/or symbol table, so
306   that the runtime could figure out source file or function name to match
307   against the suppression.
308 * It is only possible to suppress recoverable checks. For the example above,
309   you can additionally pass
310   ``-fsanitize-recover=signed-integer-overflow,alignment,vptr``, although
311   most of UBSan checks are recoverable by default.
312 * Check groups (like ``undefined``) can't be used in suppressions file, only
313   fine-grained checks are supported.
315 Supported Platforms
316 ===================
318 UndefinedBehaviorSanitizer is supported on the following operating systems:
320 * Android
321 * Linux
322 * NetBSD
323 * FreeBSD
324 * OpenBSD
325 * macOS
326 * Windows
328 The runtime library is relatively portable and platform independent. If the OS
329 you need is not listed above, UndefinedBehaviorSanitizer may already work for
330 it, or could be made to work with a minor porting effort.
332 Current Status
333 ==============
335 UndefinedBehaviorSanitizer is available on selected platforms starting from LLVM
336 3.3. The test suite is integrated into the CMake build and can be run with
337 ``check-ubsan`` command.
339 Additional Configuration
340 ========================
342 UndefinedBehaviorSanitizer adds static check data for each check unless it is
343 in trap mode. This check data includes the full file name. The option
344 ``-fsanitize-undefined-strip-path-components=N`` can be used to trim this
345 information. If ``N`` is positive, file information emitted by
346 UndefinedBehaviorSanitizer will drop the first ``N`` components from the file
347 path. If ``N`` is negative, the last ``N`` components will be kept.
349 Example
350 -------
352 For a file called ``/code/library/file.cpp``, here is what would be emitted:
354 * Default (No flag, or ``-fsanitize-undefined-strip-path-components=0``): ``/code/library/file.cpp``
355 * ``-fsanitize-undefined-strip-path-components=1``: ``code/library/file.cpp``
356 * ``-fsanitize-undefined-strip-path-components=2``: ``library/file.cpp``
357 * ``-fsanitize-undefined-strip-path-components=-1``: ``file.cpp``
358 * ``-fsanitize-undefined-strip-path-components=-2``: ``library/file.cpp``
360 More Information
361 ================
363 * From Oracle blog, including a discussion of error messages:
364   `Improving Application Security with UndefinedBehaviorSanitizer (UBSan) and GCC
365   <https://blogs.oracle.com/linux/improving-application-security-with-undefinedbehaviorsanitizer-ubsan-and-gcc>`_
366 * From LLVM project blog:
367   `What Every C Programmer Should Know About Undefined Behavior
368   <http://blog.llvm.org/2011/05/what-every-c-programmer-should-know.html>`_
369 * From John Regehr's *Embedded in Academia* blog:
370   `A Guide to Undefined Behavior in C and C++
371   <https://blog.regehr.org/archives/213>`_