[docs] Add LICENSE.txt to the root of the mono-repo
[llvm-project.git] / llvm / docs / ScudoHardenedAllocator.rst
blob9c1cfa6edcd63314947d31fbdb9e2c309fe83b78
1 ========================
2 Scudo Hardened Allocator
3 ========================
5 .. contents::
6    :local:
7    :depth: 2
9 Introduction
10 ============
12 The Scudo Hardened Allocator is a user-mode allocator, originally based on LLVM
13 Sanitizers'
14 `CombinedAllocator <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/main/compiler-rt/lib/sanitizer_common/sanitizer_allocator_combined.h>`_.
15 It aims at providing additional mitigation against heap based vulnerabilities,
16 while maintaining good performance. Scudo is currently the default allocator in
17 `Fuchsia <https://fuchsia.dev/>`_, and in `Android <https://www.android.com/>`_
18 since Android 11.
20 The name "Scudo" comes from the Italian word for
21 `shield <https://www.collinsdictionary.com/dictionary/italian-english/scudo>`_
22 (and Escudo in Spanish).
24 Design
25 ======
27 Allocator
28 ---------
29 Scudo was designed with security in mind, but aims at striking a good balance
30 between security and performance. It was designed to be highly tunable and
31 configurable, and while we provide some default configurations, we encourage
32 consumers to come up with the parameters that will work best for their use
33 cases.
35 The allocator combines several components that serve distinct purposes:
37 - the Primary allocator: fast and efficient, it services smaller allocation
38   sizes by carving reserved memory regions into blocks of identical size. There
39   are currently two Primary allocators implemented, specific to 32 and 64 bit
40   architectures. It is configurable via compile time options.
42 - the Secondary allocator: slower, it services larger allocation sizes via the
43   memory mapping primitives of the underlying operating system. Secondary backed
44   allocations are surrounded by Guard Pages. It is also configurable via compile
45   time options.
47 - the thread specific data Registry: defines how local caches operate for each
48   thread. There are currently two models implemented: the exclusive model where
49   each thread holds its own caches (using the ELF TLS); or the shared model
50   where threads share a fixed size pool of caches.
52 - the Quarantine: offers a way to delay the deallocation operations, preventing
53   blocks to be immediately available for reuse. Blocks held will be recycled
54   once certain size criteria are reached. This is essentially a delayed freelist
55   which can help mitigate some use-after-free situations. This feature is fairly
56   costly in terms of performance and memory footprint, is mostly controlled by
57   runtime options and is disabled by default.
59 Allocations Header
60 ------------------
61 Every chunk of heap memory returned to an application by the allocator will be
62 preceded by a header. This has two purposes:
64 - being to store various information about the chunk, that can be leveraged to
65   ensure consistency of the heap operations;
67 - being able to detect potential corruption. For this purpose, the header is
68   checksummed and corruption of the header will be detected when said header is
69   accessed (note that if the corrupted header is not accessed, the corruption
70   will remain undetected).
72 The following information is stored in the header:
74 - the class ID for that chunk, which identifies the region where the chunk
75   resides for Primary backed allocations, or 0 for Secondary backed allocations;
77 - the state of the chunk (available, allocated or quarantined);
79 - the allocation type (malloc, new, new[] or memalign), to detect potential
80   mismatches in the allocation APIs used;
82 - the size (Primary) or unused bytes amount (Secondary) for that chunk, which is
83   necessary for reallocation or sized-deallocation operations;
85 - the offset of the chunk, which is the distance in bytes from the beginning of
86   the returned chunk to the beginning of the backend allocation (the "block");
88 - the 16-bit checksum;
90 This header fits within 8 bytes on all platforms supported, and contributes to a
91 small overhead for each allocation.
93 The checksum is computed using a CRC32 (made faster with hardware support)
94 of the global secret, the chunk pointer itself, and the 8 bytes of header with
95 the checksum field zeroed out. It is not intended to be cryptographically
96 strong.
98 The header is atomically loaded and stored to prevent races. This is important
99 as two consecutive chunks could belong to different threads. We work on local
100 copies and use compare-exchange primitives to update the headers in the heap
101 memory, and avoid any type of double-fetching.
103 Randomness
104 ----------
105 Randomness is a critical factor to the additional security provided by the
106 allocator. The allocator trusts the memory mapping primitives of the OS to
107 provide pages at (mostly) non-predictable locations in memory, as well as the
108 binaries to be compiled with ASLR. In the event one of those assumptions is
109 incorrect, the security will be greatly reduced. Scudo further randomizes how
110 blocks are allocated in the Primary, can randomize how caches are assigned to
111 threads.
113 Memory reclaiming
114 -----------------
115 Primary and Secondary allocators have different behaviors with regard to
116 reclaiming. While Secondary mapped allocations can be unmapped on deallocation,
117 it isn't the case for the Primary, which could lead to a steady growth of the
118 RSS of a process. To counteracty this, if the underlying OS allows it, pages
119 that are covered by contiguous free memory blocks in the Primary can be
120 released: this generally means they won't count towards the RSS of a process and
121 be zero filled on subsequent accesses). This is done in the deallocation path,
122 and several options exist to tune this behavior.
124 Usage
125 =====
127 Platform
128 --------
129 If using Fuchsia or an Android version greater than 11, your memory allocations
130 are already service by Scudo (note that Android Svelte configurations still use
131 jemalloc).
133 Library
134 -------
135 The allocator static library can be built from the LLVM tree thanks to the
136 ``scudo_standalone`` CMake rule. The associated tests can be exercised thanks to
137 the ``check-scudo_standalone`` CMake rule.
139 Linking the static library to your project can require the use of the
140 ``whole-archive`` linker flag (or equivalent), depending on your linker.
141 Additional flags might also be necessary.
143 Your linked binary should now make use of the Scudo allocation and deallocation
144 functions.
146 You may also build Scudo like this:
148 .. code:: console
150   cd $LLVM/compiler-rt/lib
151   clang++ -fPIC -std=c++17 -msse4.2 -O2 -pthread -shared \
152     -I scudo/standalone/include \
153     scudo/standalone/*.cpp \
154     -o $HOME/libscudo.so
156 and then use it with existing binaries as follows:
158 .. code:: console
160   LD_PRELOAD=$HOME/libscudo.so ./a.out
162 Clang
163 -----
164 With a recent version of Clang (post rL317337), the "old" version of the
165 allocator can be linked with a binary at compilation using the
166 ``-fsanitize=scudo`` command-line argument, if the target platform is supported.
167 Currently, the only other sanitizer Scudo is compatible with is UBSan
168 (eg: ``-fsanitize=scudo,undefined``). Compiling with Scudo will also enforce
169 PIE for the output binary.
171 We will transition this to the standalone Scudo version in the future.
173 Options
174 -------
175 Several aspects of the allocator can be configured on a per process basis
176 through the following ways:
178 - at compile time, by defining ``SCUDO_DEFAULT_OPTIONS`` to the options string
179   you want set by default;
181 - by defining a ``__scudo_default_options`` function in one's program that
182   returns the options string to be parsed. Said function must have the following
183   prototype: ``extern "C" const char* __scudo_default_options(void)``, with a
184   default visibility. This will override the compile time define;
186 - through the environment variable SCUDO_OPTIONS, containing the options string
187   to be parsed. Options defined this way will override any definition made
188   through ``__scudo_default_options``.
190 - via the standard ``mallopt`` `API <https://man7.org/linux/man-pages/man3/mallopt.3.html>`_,
191   using parameters that are Scudo specific.
193 When dealing with the options string, it follows a syntax similar to ASan, where
194 distinct options can be assigned in the same string, separated by colons.
196 For example, using the environment variable:
198 .. code:: console
200   SCUDO_OPTIONS="delete_size_mismatch=false:release_to_os_interval_ms=-1" ./a.out
202 Or using the function:
204 .. code:: cpp
206   extern "C" const char *__scudo_default_options() {
207     return "delete_size_mismatch=false:release_to_os_interval_ms=-1";
208   }
211 The following "string" options are available:
213 +---------------------------------+----------------+----------------+-------------------------------------------------+
214 | Option                          | 64-bit default | 32-bit default | Description                                     |
215 +---------------------------------+----------------+----------------+-------------------------------------------------+
216 | quarantine_size_kb              | 0              | 0              | The size (in Kb) of quarantine used to delay    |
217 |                                 |                |                | the actual deallocation of chunks. Lower value  |
218 |                                 |                |                | may reduce memory usage but decrease the        |
219 |                                 |                |                | effectiveness of the mitigation; a negative     |
220 |                                 |                |                | value will fallback to the defaults. Setting    |
221 |                                 |                |                | *both* this and thread_local_quarantine_size_kb |
222 |                                 |                |                | to zero will disable the quarantine entirely.   |
223 +---------------------------------+----------------+----------------+-------------------------------------------------+
224 | quarantine_max_chunk_size       | 0              | 0              | Size (in bytes) up to which chunks can be       |
225 |                                 |                |                | quarantined.                                    |
226 +---------------------------------+----------------+----------------+-------------------------------------------------+
227 | thread_local_quarantine_size_kb | 0              | 0              | The size (in Kb) of per-thread cache use to     |
228 |                                 |                |                | offload the global quarantine. Lower value may  |
229 |                                 |                |                | reduce memory usage but might increase          |
230 |                                 |                |                | contention on the global quarantine. Setting    |
231 |                                 |                |                | *both* this and quarantine_size_kb to zero will |
232 |                                 |                |                | disable the quarantine entirely.                |
233 +---------------------------------+----------------+----------------+-------------------------------------------------+
234 | dealloc_type_mismatch           | false          | false          | Whether or not we report errors on              |
235 |                                 |                |                | malloc/delete, new/free, new/delete[], etc.     |
236 +---------------------------------+----------------+----------------+-------------------------------------------------+
237 | delete_size_mismatch            | true           | true           | Whether or not we report errors on mismatch     |
238 |                                 |                |                | between sizes of new and delete.                |
239 +---------------------------------+----------------+----------------+-------------------------------------------------+
240 | zero_contents                   | false          | false          | Whether or not we zero chunk contents on        |
241 |                                 |                |                | allocation.                                     |
242 +---------------------------------+----------------+----------------+-------------------------------------------------+
243 | pattern_fill_contents           | false          | false          | Whether or not we fill chunk contents with a    |
244 |                                 |                |                | byte pattern on allocation.                     |
245 +---------------------------------+----------------+----------------+-------------------------------------------------+
246 | may_return_null                 | true           | true           | Whether or not a non-fatal failure can return a |
247 |                                 |                |                | NULL pointer (as opposed to terminating).       |
248 +---------------------------------+----------------+----------------+-------------------------------------------------+
249 | release_to_os_interval_ms       | 5000           | 5000           | The minimum interval (in ms) at which a release |
250 |                                 |                |                | can be attempted (a negative value disables     |
251 |                                 |                |                | reclaiming).                                    |
252 +---------------------------------+----------------+----------------+-------------------------------------------------+
254 Additional flags can be specified, for example if Scudo if compiled with
255 `GWP-ASan <https://llvm.org/docs/GwpAsan.html>`_ support.
257 The following "mallopt" options are available (options are defined in
258 ``include/scudo/interface.h``):
260 +---------------------------+-------------------------------------------------------+
261 | Option                    | Description                                           |
262 +---------------------------+-------------------------------------------------------+
263 | M_DECAY_TIME              | Sets the release interval option to the specified     |
264 |                           | value (Android only allows 0 or 1 to respectively set |
265 |                           | the interval to the minimum and maximum value as      |
266 |                           | specified at compile time).                           |
267 +---------------------------+-------------------------------------------------------+
268 | M_PURGE                   | Forces immediate memory reclaiming (value is unused). |
269 +---------------------------+-------------------------------------------------------+
270 | M_MEMTAG_TUNING           | Tunes the allocator's choice of memory tags to make   |
271 |                           | it more likely that a certain class of memory errors  |
272 |                           | will be detected. The value argument should be one of |
273 |                           | the enumerators of ``scudo_memtag_tuning``.           |
274 +---------------------------+-------------------------------------------------------+
275 | M_THREAD_DISABLE_MEM_INIT | Tunes the per-thread memory initialization, 0 being   |
276 |                           | the normal behavior, 1 disabling the automatic heap   |
277 |                           | initialization.                                       |
278 +---------------------------+-------------------------------------------------------+
279 | M_CACHE_COUNT_MAX         | Set the maximum number of entries than can be cached  |
280 |                           | in the Secondary cache.                               |
281 +---------------------------+-------------------------------------------------------+
282 | M_CACHE_SIZE_MAX          | Sets the maximum size of entries that can be cached   |
283 |                           | in the Secondary cache.                               |
284 +---------------------------+-------------------------------------------------------+
285 | M_TSDS_COUNT_MAX          | Increases the maximum number of TSDs that can be used |
286 |                           | up to the limit specified at compile time.            |
287 +---------------------------+-------------------------------------------------------+
289 Error Types
290 ===========
292 The allocator will output an error message, and potentially terminate the
293 process, when an unexpected behavior is detected. The output usually starts with
294 ``"Scudo ERROR:"`` followed by a short summary of the problem that occurred as
295 well as the pointer(s) involved. Once again, Scudo is meant to be a mitigation,
296 and might not be the most useful of tools to help you root-cause the issue,
297 please consider `ASan <https://github.com/google/sanitizers/wiki/AddressSanitizer>`_
298 for this purpose.
300 Here is a list of the current error messages and their potential cause:
302 - ``"corrupted chunk header"``: the checksum verification of the chunk header
303   has failed. This is likely due to one of two things: the header was
304   overwritten (partially or totally), or the pointer passed to the function is
305   not a chunk at all;
307 - ``"race on chunk header"``: two different threads are attempting to manipulate
308   the same header at the same time. This is usually symptomatic of a
309   race-condition or general lack of locking when performing operations on that
310   chunk;
312 - ``"invalid chunk state"``: the chunk is not in the expected state for a given
313   operation, eg: it is not allocated when trying to free it, or it's not
314   quarantined when trying to recycle it, etc. A double-free is the typical
315   reason this error would occur;
317 - ``"misaligned pointer"``: we strongly enforce basic alignment requirements, 8
318   bytes on 32-bit platforms, 16 bytes on 64-bit platforms. If a pointer passed
319   to our functions does not fit those, something is definitely wrong.
321 - ``"allocation type mismatch"``: when the optional deallocation type mismatch
322   check is enabled, a deallocation function called on a chunk has to match the
323   type of function that was called to allocate it. Security implications of such
324   a mismatch are not necessarily obvious but situational at best;
326 - ``"invalid sized delete"``: when the C++14 sized delete operator is used, and
327   the optional check enabled, this indicates that the size passed when
328   deallocating a chunk is not congruent with the one requested when allocating
329   it. This is likely to be a `compiler issue <https://software.intel.com/en-us/forums/intel-c-compiler/topic/783942>`_,
330   as was the case with Intel C++ Compiler, or some type confusion on the object
331   being deallocated;
333 - ``"RSS limit exhausted"``: the maximum RSS optionally specified has been
334   exceeded;
336 Several other error messages relate to parameter checking on the libc allocation
337 APIs and are fairly straightforward to understand.