contrib/compiler-rt/lib/safestack/safestack.cc

   1 //===-- safestack.cc ------------------------------------------------------===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
   6 // License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9 //
  10 // This file implements the runtime support for the safe stack protection
  11 // mechanism. The runtime manages allocation/deallocation of the unsafe stack
  12 // for the main thread, as well as all pthreads that are created/destroyed
  13 // during program execution.
  14 //
  15 //===----------------------------------------------------------------------===//
  16
  17 #include <limits.h>
  18 #include <pthread.h>
  19 #include <stddef.h>
  20 #include <stdint.h>
  21 #include <unistd.h>
  22 #include <sys/resource.h>
  23 #include <sys/types.h>
  24 #include <sys/user.h>
  25
  26 #include "interception/interception.h"
  27 #include "sanitizer_common/sanitizer_common.h"
  28
  29 // TODO: The runtime library does not currently protect the safe stack beyond
  30 // relying on the system-enforced ASLR. The protection of the (safe) stack can
  31 // be provided by three alternative features:
  32 //
  33 // 1) Protection via hardware segmentation on x86-32 and some x86-64
  34 // architectures: the (safe) stack segment (implicitly accessed via the %ss
  35 // segment register) can be separated from the data segment (implicitly
  36 // accessed via the %ds segment register). Dereferencing a pointer to the safe
  37 // segment would result in a segmentation fault.
  38 //
  39 // 2) Protection via software fault isolation: memory writes that are not meant
  40 // to access the safe stack can be prevented from doing so through runtime
  41 // instrumentation. One way to do it is to allocate the safe stack(s) in the
  42 // upper half of the userspace and bitmask the corresponding upper bit of the
  43 // memory addresses of memory writes that are not meant to access the safe
  44 // stack.
  45 //
  46 // 3) Protection via information hiding on 64 bit architectures: the location
  47 // of the safe stack(s) can be randomized through secure mechanisms, and the
  48 // leakage of the stack pointer can be prevented. Currently, libc can leak the
  49 // stack pointer in several ways (e.g. in longjmp, signal handling, user-level
  50 // context switching related functions, etc.). These can be fixed in libc and
  51 // in other low-level libraries, by either eliminating the escaping/dumping of
  52 // the stack pointer (i.e., %rsp) when that's possible, or by using
  53 // encryption/PTR_MANGLE (XOR-ing the dumped stack pointer with another secret
  54 // we control and protect better, as is already done for setjmp in glibc.)
  55 // Furthermore, a static machine code level verifier can be ran after code
  56 // generation to make sure that the stack pointer is never written to memory,
  57 // or if it is, its written on the safe stack.
  58 //
  59 // Finally, while the Unsafe Stack pointer is currently stored in a thread
  60 // local variable, with libc support it could be stored in the TCB (thread
  61 // control block) as well, eliminating another level of indirection and making
  62 // such accesses faster. Alternatively, dedicating a separate register for
  63 // storing it would also be possible.
  64
  65 /// Minimum stack alignment for the unsafe stack.
  66 const unsigned kStackAlign = 16;
  67
  68 /// Default size of the unsafe stack. This value is only used if the stack
  69 /// size rlimit is set to infinity.
  70 const unsigned kDefaultUnsafeStackSize = 0x2800000;
  71
  72 /// Runtime page size obtained through sysconf
  73 static unsigned pageSize;
  74
  75 // TODO: To make accessing the unsafe stack pointer faster, we plan to
  76 // eventually store it directly in the thread control block data structure on
  77 // platforms where this structure is pointed to by %fs or %gs. This is exactly
  78 // the same mechanism as currently being used by the traditional stack
  79 // protector pass to store the stack guard (see getStackCookieLocation()
  80 // function above). Doing so requires changing the tcbhead_t struct in glibc
  81 // on Linux and tcb struct in libc on FreeBSD.
  82 //
  83 // For now, store it in a thread-local variable.
  84 extern "C" {
  85 __attribute__((visibility(
  86     "default"))) __thread void *__safestack_unsafe_stack_ptr = nullptr;
  87 }
  88
  89 // Per-thread unsafe stack information. It's not frequently accessed, so there
  90 // it can be kept out of the tcb in normal thread-local variables.
  91 static __thread void *unsafe_stack_start = nullptr;
  92 static __thread size_t unsafe_stack_size = 0;
  93 static __thread size_t unsafe_stack_guard = 0;
  94
  95 static inline void *unsafe_stack_alloc(size_t size, size_t guard) {
  96   CHECK_GE(size + guard, size);
  97   void *addr = MmapOrDie(size + guard, "unsafe_stack_alloc");
  98   MprotectNoAccess((uptr)addr, (uptr)guard);
  99   return (char *)addr + guard;
 100 }
 101
 102 static inline void unsafe_stack_setup(void *start, size_t size, size_t guard) {
 103   CHECK_GE((char *)start + size, (char *)start);
 104   CHECK_GE((char *)start + guard, (char *)start);
 105   void *stack_ptr = (char *)start + size;
 106   CHECK_EQ((((size_t)stack_ptr) & (kStackAlign - 1)), 0);
 107
 108   __safestack_unsafe_stack_ptr = stack_ptr;
 109   unsafe_stack_start = start;
 110   unsafe_stack_size = size;
 111   unsafe_stack_guard = guard;
 112 }
 113
 114 static void unsafe_stack_free() {
 115   if (unsafe_stack_start) {
 116     UnmapOrDie((char *)unsafe_stack_start - unsafe_stack_guard,
 117                unsafe_stack_size + unsafe_stack_guard);
 118   }
 119   unsafe_stack_start = nullptr;
 120 }
 121
 122 /// Thread data for the cleanup handler
 123 static pthread_key_t thread_cleanup_key;
 124
 125 /// Safe stack per-thread information passed to the thread_start function
 126 struct tinfo {
 127   void *(*start_routine)(void *);
 128   void *start_routine_arg;
 129
 130   void *unsafe_stack_start;
 131   size_t unsafe_stack_size;
 132   size_t unsafe_stack_guard;
 133 };
 134
 135 /// Wrap the thread function in order to deallocate the unsafe stack when the
 136 /// thread terminates by returning from its main function.
 137 static void *thread_start(void *arg) {
 138   struct tinfo *tinfo = (struct tinfo *)arg;
 139
 140   void *(*start_routine)(void *) = tinfo->start_routine;
 141   void *start_routine_arg = tinfo->start_routine_arg;
 142
 143   // Setup the unsafe stack; this will destroy tinfo content
 144   unsafe_stack_setup(tinfo->unsafe_stack_start, tinfo->unsafe_stack_size,
 145                      tinfo->unsafe_stack_guard);
 146
 147   // Make sure out thread-specific destructor will be called
 148   // FIXME: we can do this only any other specific key is set by
 149   // intercepting the pthread_setspecific function itself
 150   pthread_setspecific(thread_cleanup_key, (void *)1);
 151
 152   return start_routine(start_routine_arg);
 153 }
 154
 155 /// Thread-specific data destructor
 156 static void thread_cleanup_handler(void *_iter) {
 157   // We want to free the unsafe stack only after all other destructors
 158   // have already run. We force this function to be called multiple times.
 159   // User destructors that might run more then PTHREAD_DESTRUCTOR_ITERATIONS-1
 160   // times might still end up executing after the unsafe stack is deallocated.
 161   size_t iter = (size_t)_iter;
 162   if (iter < PTHREAD_DESTRUCTOR_ITERATIONS) {
 163     pthread_setspecific(thread_cleanup_key, (void *)(iter + 1));
 164   } else {
 165     // This is the last iteration
 166     unsafe_stack_free();
 167   }
 168 }
 169
 170 /// Intercept thread creation operation to allocate and setup the unsafe stack
 171 INTERCEPTOR(int, pthread_create, pthread_t *thread,
 172             const pthread_attr_t *attr,
 173             void *(*start_routine)(void*), void *arg) {
 174
 175   size_t size = 0;
 176   size_t guard = 0;
 177
 178   if (attr) {
 179     pthread_attr_getstacksize(attr, &size);
 180     pthread_attr_getguardsize(attr, &guard);
 181   } else {
 182     // get pthread default stack size
 183     pthread_attr_t tmpattr;
 184     pthread_attr_init(&tmpattr);
 185     pthread_attr_getstacksize(&tmpattr, &size);
 186     pthread_attr_getguardsize(&tmpattr, &guard);
 187     pthread_attr_destroy(&tmpattr);
 188   }
 189
 190   CHECK_NE(size, 0);
 191   CHECK_EQ((size & (kStackAlign - 1)), 0);
 192   CHECK_EQ((guard & (pageSize - 1)), 0);
 193
 194   void *addr = unsafe_stack_alloc(size, guard);
 195   struct tinfo *tinfo =
 196       (struct tinfo *)(((char *)addr) + size - sizeof(struct tinfo));
 197   tinfo->start_routine = start_routine;
 198   tinfo->start_routine_arg = arg;
 199   tinfo->unsafe_stack_start = addr;
 200   tinfo->unsafe_stack_size = size;
 201   tinfo->unsafe_stack_guard = guard;
 202
 203   return REAL(pthread_create)(thread, attr, thread_start, tinfo);
 204 }
 205
 206 extern "C" __attribute__((visibility("default")))
 207 #if !SANITIZER_CAN_USE_PREINIT_ARRAY
 208 // On ELF platforms, the constructor is invoked using .preinit_array (see below)
 209 __attribute__((constructor(0)))
 210 #endif
 211 void __safestack_init() {
 212   // Determine the stack size for the main thread.
 213   size_t size = kDefaultUnsafeStackSize;
 214   size_t guard = 4096;
 215
 216   struct rlimit limit;
 217   if (getrlimit(RLIMIT_STACK, &limit) == 0 && limit.rlim_cur != RLIM_INFINITY)
 218     size = limit.rlim_cur;
 219
 220   // Allocate unsafe stack for main thread
 221   void *addr = unsafe_stack_alloc(size, guard);
 222
 223   unsafe_stack_setup(addr, size, guard);
 224   pageSize = sysconf(_SC_PAGESIZE);
 225
 226   // Initialize pthread interceptors for thread allocation
 227   INTERCEPT_FUNCTION(pthread_create);
 228
 229   // Setup the cleanup handler
 230   pthread_key_create(&thread_cleanup_key, thread_cleanup_handler);
 231 }
 232
 233 #if SANITIZER_CAN_USE_PREINIT_ARRAY
 234 // On ELF platforms, run safestack initialization before any other constructors.
 235 // On other platforms we use the constructor attribute to arrange to run our
 236 // initialization early.
 237 extern "C" {
 238 __attribute__((section(".preinit_array"),
 239                used)) void (*__safestack_preinit)(void) = __safestack_init;
 240 }
 241 #endif
 242
 243 extern "C"
 244     __attribute__((visibility("default"))) void *__get_unsafe_stack_start() {
 245   return unsafe_stack_start;
 246 }
 247
 248 extern "C"
 249     __attribute__((visibility("default"))) void *__get_unsafe_stack_ptr() {
 250   return __safestack_unsafe_stack_ptr;
 251 }