contrib/llvm/lib/CodeGen/StackProtector.cpp

   1 //===-- StackProtector.cpp - Stack Protector Insertion --------------------===//
   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 pass inserts stack protectors into functions which need them. A variable
  11 // with a random value in it is stored onto the stack before the local variables
  12 // are allocated. Upon exiting the block, the stored value is checked. If it's
  13 // changed, then there was some sort of violation and the program aborts.
  14 //
  15 //===----------------------------------------------------------------------===//
  16
  17 #include "llvm/CodeGen/StackProtector.h"
  18 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
  19 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  20 #include "llvm/Analysis/BranchProbabilityInfo.h"
  21 #include "llvm/Analysis/EHPersonalities.h"
  22 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
  23 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
  24 #include "llvm/IR/Attributes.h"
  25 #include "llvm/IR/Constants.h"
  26 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
  27 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
  28 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
  29 #include "llvm/IR/Function.h"
  30 #include "llvm/IR/GlobalValue.h"
  31 #include "llvm/IR/GlobalVariable.h"
  32 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
  33 #include "llvm/IR/Instructions.h"
  34 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
  35 #include "llvm/IR/Intrinsics.h"
  36 #include "llvm/IR/MDBuilder.h"
  37 #include "llvm/IR/Module.h"
  38 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  39 #include "llvm/Target/TargetSubtargetInfo.h"
  40 #include <cstdlib>
  41 using namespace llvm;
  42
  43 #define DEBUG_TYPE "stack-protector"
  44
  45 STATISTIC(NumFunProtected, "Number of functions protected");
  46 STATISTIC(NumAddrTaken, "Number of local variables that have their address"
  47                         " taken.");
  48
  49 static cl::opt<bool> EnableSelectionDAGSP("enable-selectiondag-sp",
  50                                           cl::init(true), cl::Hidden);
  51
  52 char StackProtector::ID = 0;
  53 INITIALIZE_PASS(StackProtector, "stack-protector", "Insert stack protectors",
  54                 false, true)
  55
  56 FunctionPass *llvm::createStackProtectorPass(const TargetMachine *TM) {
  57   return new StackProtector(TM);
  58 }
  59
  60 StackProtector::SSPLayoutKind
  61 StackProtector::getSSPLayout(const AllocaInst *AI) const {
  62   return AI ? Layout.lookup(AI) : SSPLK_None;
  63 }
  64
  65 void StackProtector::adjustForColoring(const AllocaInst *From,
  66                                        const AllocaInst *To) {
  67   // When coloring replaces one alloca with another, transfer the SSPLayoutKind
  68   // tag from the remapped to the target alloca. The remapped alloca should
  69   // have a size smaller than or equal to the replacement alloca.
  70   SSPLayoutMap::iterator I = Layout.find(From);
  71   if (I != Layout.end()) {
  72     SSPLayoutKind Kind = I->second;
  73     Layout.erase(I);
  74
  75     // Transfer the tag, but make sure that SSPLK_AddrOf does not overwrite
  76     // SSPLK_SmallArray or SSPLK_LargeArray, and make sure that
  77     // SSPLK_SmallArray does not overwrite SSPLK_LargeArray.
  78     I = Layout.find(To);
  79     if (I == Layout.end())
  80       Layout.insert(std::make_pair(To, Kind));
  81     else if (I->second != SSPLK_LargeArray && Kind != SSPLK_AddrOf)
  82       I->second = Kind;
  83   }
  84 }
  85
  86 bool StackProtector::runOnFunction(Function &Fn) {
  87   F = &Fn;
  88   M = F->getParent();
  89   DominatorTreeWrapperPass *DTWP =
  90       getAnalysisIfAvailable<DominatorTreeWrapperPass>();
  91   DT = DTWP ? &DTWP->getDomTree() : nullptr;
  92   TLI = TM->getSubtargetImpl(Fn)->getTargetLowering();
  93   HasPrologue = false;
  94   HasIRCheck = false;
  95
  96   Attribute Attr = Fn.getFnAttribute("stack-protector-buffer-size");
  97   if (Attr.isStringAttribute() &&
  98       Attr.getValueAsString().getAsInteger(10, SSPBufferSize))
  99     return false; // Invalid integer string
 100
 101   if (!RequiresStackProtector())
 102     return false;
 103
 104   // TODO(etienneb): Functions with funclets are not correctly supported now.
 105   // Do nothing if this is funclet-based personality.
 106   if (Fn.hasPersonalityFn()) {
 107     EHPersonality Personality = classifyEHPersonality(Fn.getPersonalityFn());
 108     if (isFuncletEHPersonality(Personality))
 109       return false;
 110   }
 111
 112   ++NumFunProtected;
 113   return InsertStackProtectors();
 114 }
 115
 116 /// \param [out] IsLarge is set to true if a protectable array is found and
 117 /// it is "large" ( >= ssp-buffer-size).  In the case of a structure with
 118 /// multiple arrays, this gets set if any of them is large.
 119 bool StackProtector::ContainsProtectableArray(Type *Ty, bool &IsLarge,
 120                                               bool Strong,
 121                                               bool InStruct) const {
 122   if (!Ty)
 123     return false;
 124   if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(Ty)) {
 125     if (!AT->getElementType()->isIntegerTy(8)) {
 126       // If we're on a non-Darwin platform or we're inside of a structure, don't
 127       // add stack protectors unless the array is a character array.
 128       // However, in strong mode any array, regardless of type and size,
 129       // triggers a protector.
 130       if (!Strong && (InStruct || !Trip.isOSDarwin()))
 131         return false;
 132     }
 133
 134     // If an array has more than SSPBufferSize bytes of allocated space, then we
 135     // emit stack protectors.
 136     if (SSPBufferSize <= M->getDataLayout().getTypeAllocSize(AT)) {
 137       IsLarge = true;
 138       return true;
 139     }
 140
 141     if (Strong)
 142       // Require a protector for all arrays in strong mode
 143       return true;
 144   }
 145
 146   const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(Ty);
 147   if (!ST)
 148     return false;
 149
 150   bool NeedsProtector = false;
 151   for (StructType::element_iterator I = ST->element_begin(),
 152                                     E = ST->element_end();
 153        I != E; ++I)
 154     if (ContainsProtectableArray(*I, IsLarge, Strong, true)) {
 155       // If the element is a protectable array and is large (>= SSPBufferSize)
 156       // then we are done.  If the protectable array is not large, then
 157       // keep looking in case a subsequent element is a large array.
 158       if (IsLarge)
 159         return true;
 160       NeedsProtector = true;
 161     }
 162
 163   return NeedsProtector;
 164 }
 165
 166 bool StackProtector::HasAddressTaken(const Instruction *AI) {
 167   for (const User *U : AI->users()) {
 168     if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
 169       if (AI == SI->getValueOperand())
 170         return true;
 171     } else if (const PtrToIntInst *SI = dyn_cast<PtrToIntInst>(U)) {
 172       if (AI == SI->getOperand(0))
 173         return true;
 174     } else if (isa<CallInst>(U)) {
 175       return true;
 176     } else if (isa<InvokeInst>(U)) {
 177       return true;
 178     } else if (const SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(U)) {
 179       if (HasAddressTaken(SI))
 180         return true;
 181     } else if (const PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(U)) {
 182       // Keep track of what PHI nodes we have already visited to ensure
 183       // they are only visited once.
 184       if (VisitedPHIs.insert(PN).second)
 185         if (HasAddressTaken(PN))
 186           return true;
 187     } else if (const GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
 188       if (HasAddressTaken(GEP))
 189         return true;
 190     } else if (const BitCastInst *BI = dyn_cast<BitCastInst>(U)) {
 191       if (HasAddressTaken(BI))
 192         return true;
 193     }
 194   }
 195   return false;
 196 }
 197
 198 /// \brief Check whether or not this function needs a stack protector based
 199 /// upon the stack protector level.
 200 ///
 201 /// We use two heuristics: a standard (ssp) and strong (sspstrong).
 202 /// The standard heuristic which will add a guard variable to functions that
 203 /// call alloca with a either a variable size or a size >= SSPBufferSize,
 204 /// functions with character buffers larger than SSPBufferSize, and functions
 205 /// with aggregates containing character buffers larger than SSPBufferSize. The
 206 /// strong heuristic will add a guard variables to functions that call alloca
 207 /// regardless of size, functions with any buffer regardless of type and size,
 208 /// functions with aggregates that contain any buffer regardless of type and
 209 /// size, and functions that contain stack-based variables that have had their
 210 /// address taken.
 211 bool StackProtector::RequiresStackProtector() {
 212   bool Strong = false;
 213   bool NeedsProtector = false;
 214   for (const BasicBlock &BB : *F)
 215     for (const Instruction &I : BB)
 216       if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I))
 217         if (CI->getCalledFunction() ==
 218             Intrinsic::getDeclaration(F->getParent(),
 219                                       Intrinsic::stackprotector))
 220           HasPrologue = true;
 221
 222   if (F->hasFnAttribute(Attribute::SafeStack))
 223     return false;
 224
 225   if (F->hasFnAttribute(Attribute::StackProtectReq)) {
 226     NeedsProtector = true;
 227     Strong = true; // Use the same heuristic as strong to determine SSPLayout
 228   } else if (F->hasFnAttribute(Attribute::StackProtectStrong))
 229     Strong = true;
 230   else if (HasPrologue)
 231     NeedsProtector = true;
 232   else if (!F->hasFnAttribute(Attribute::StackProtect))
 233     return false;
 234
 235   for (const BasicBlock &BB : *F) {
 236     for (const Instruction &I : BB) {
 237       if (const AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(&I)) {
 238         if (AI->isArrayAllocation()) {
 239           // SSP-Strong: Enable protectors for any call to alloca, regardless
 240           // of size.
 241           if (Strong)
 242             return true;
 243
 244           if (const auto *CI = dyn_cast<ConstantInt>(AI->getArraySize())) {
 245             if (CI->getLimitedValue(SSPBufferSize) >= SSPBufferSize) {
 246               // A call to alloca with size >= SSPBufferSize requires
 247               // stack protectors.
 248               Layout.insert(std::make_pair(AI, SSPLK_LargeArray));
 249               NeedsProtector = true;
 250             } else if (Strong) {
 251               // Require protectors for all alloca calls in strong mode.
 252               Layout.insert(std::make_pair(AI, SSPLK_SmallArray));
 253               NeedsProtector = true;
 254             }
 255           } else {
 256             // A call to alloca with a variable size requires protectors.
 257             Layout.insert(std::make_pair(AI, SSPLK_LargeArray));
 258             NeedsProtector = true;
 259           }
 260           continue;
 261         }
 262
 263         bool IsLarge = false;
 264         if (ContainsProtectableArray(AI->getAllocatedType(), IsLarge, Strong)) {
 265           Layout.insert(std::make_pair(AI, IsLarge ? SSPLK_LargeArray
 266                                                    : SSPLK_SmallArray));
 267           NeedsProtector = true;
 268           continue;
 269         }
 270
 271         if (Strong && HasAddressTaken(AI)) {
 272           ++NumAddrTaken;
 273           Layout.insert(std::make_pair(AI, SSPLK_AddrOf));
 274           NeedsProtector = true;
 275         }
 276       }
 277     }
 278   }
 279
 280   return NeedsProtector;
 281 }
 282
 283 /// Create a stack guard loading and populate whether SelectionDAG SSP is
 284 /// supported.
 285 static Value *getStackGuard(const TargetLoweringBase *TLI, Module *M,
 286                             IRBuilder<> &B,
 287                             bool *SupportsSelectionDAGSP = nullptr) {
 288   if (Value *Guard = TLI->getIRStackGuard(B))
 289     return B.CreateLoad(Guard, true, "StackGuard");
 290
 291   // Use SelectionDAG SSP handling, since there isn't an IR guard.
 292   //
 293   // This is more or less weird, since we optionally output whether we
 294   // should perform a SelectionDAG SP here. The reason is that it's strictly
 295   // defined as !TLI->getIRStackGuard(B), where getIRStackGuard is also
 296   // mutating. There is no way to get this bit without mutating the IR, so
 297   // getting this bit has to happen in this right time.
 298   //
 299   // We could have define a new function TLI::supportsSelectionDAGSP(), but that
 300   // will put more burden on the backends' overriding work, especially when it
 301   // actually conveys the same information getIRStackGuard() already gives.
 302   if (SupportsSelectionDAGSP)
 303     *SupportsSelectionDAGSP = true;
 304   TLI->insertSSPDeclarations(*M);
 305   return B.CreateCall(Intrinsic::getDeclaration(M, Intrinsic::stackguard));
 306 }
 307
 308 /// Insert code into the entry block that stores the stack guard
 309 /// variable onto the stack:
 310 ///
 311 ///   entry:
 312 ///     StackGuardSlot = alloca i8*
 313 ///     StackGuard = <stack guard>
 314 ///     call void @llvm.stackprotector(StackGuard, StackGuardSlot)
 315 ///
 316 /// Returns true if the platform/triple supports the stackprotectorcreate pseudo
 317 /// node.
 318 static bool CreatePrologue(Function *F, Module *M, ReturnInst *RI,
 319                            const TargetLoweringBase *TLI, AllocaInst *&AI) {
 320   bool SupportsSelectionDAGSP = false;
 321   IRBuilder<> B(&F->getEntryBlock().front());
 322   PointerType *PtrTy = Type::getInt8PtrTy(RI->getContext());
 323   AI = B.CreateAlloca(PtrTy, nullptr, "StackGuardSlot");
 324
 325   Value *GuardSlot = getStackGuard(TLI, M, B, &SupportsSelectionDAGSP);
 326   B.CreateCall(Intrinsic::getDeclaration(M, Intrinsic::stackprotector),
 327                {GuardSlot, AI});
 328   return SupportsSelectionDAGSP;
 329 }
 330
 331 /// InsertStackProtectors - Insert code into the prologue and epilogue of the
 332 /// function.
 333 ///
 334 ///  - The prologue code loads and stores the stack guard onto the stack.
 335 ///  - The epilogue checks the value stored in the prologue against the original
 336 ///    value. It calls __stack_chk_fail if they differ.
 337 bool StackProtector::InsertStackProtectors() {
 338   bool SupportsSelectionDAGSP =
 339       EnableSelectionDAGSP && !TM->Options.EnableFastISel;
 340   AllocaInst *AI = nullptr;       // Place on stack that stores the stack guard.
 341
 342   for (Function::iterator I = F->begin(), E = F->end(); I != E;) {
 343     BasicBlock *BB = &*I++;
 344     ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BB->getTerminator());
 345     if (!RI)
 346       continue;
 347
 348     // Generate prologue instrumentation if not already generated.
 349     if (!HasPrologue) {
 350       HasPrologue = true;
 351       SupportsSelectionDAGSP &= CreatePrologue(F, M, RI, TLI, AI);
 352     }
 353
 354     // SelectionDAG based code generation. Nothing else needs to be done here.
 355     // The epilogue instrumentation is postponed to SelectionDAG.
 356     if (SupportsSelectionDAGSP)
 357       break;
 358
 359     // Set HasIRCheck to true, so that SelectionDAG will not generate its own
 360     // version. SelectionDAG called 'shouldEmitSDCheck' to check whether
 361     // instrumentation has already been generated.
 362     HasIRCheck = true;
 363
 364     // Generate epilogue instrumentation. The epilogue intrumentation can be
 365     // function-based or inlined depending on which mechanism the target is
 366     // providing.
 367     if (Value* GuardCheck = TLI->getSSPStackGuardCheck(*M)) {
 368       // Generate the function-based epilogue instrumentation.
 369       // The target provides a guard check function, generate a call to it.
 370       IRBuilder<> B(RI);
 371       LoadInst *Guard = B.CreateLoad(AI, true, "Guard");
 372       CallInst *Call = B.CreateCall(GuardCheck, {Guard});
 373       llvm::Function *Function = cast<llvm::Function>(GuardCheck);
 374       Call->setAttributes(Function->getAttributes());
 375       Call->setCallingConv(Function->getCallingConv());
 376     } else {
 377       // Generate the epilogue with inline instrumentation.
 378       // If we do not support SelectionDAG based tail calls, generate IR level
 379       // tail calls.
 380       //
 381       // For each block with a return instruction, convert this:
 382       //
 383       //   return:
 384       //     ...
 385       //     ret ...
 386       //
 387       // into this:
 388       //
 389       //   return:
 390       //     ...
 391       //     %1 = <stack guard>
 392       //     %2 = load StackGuardSlot
 393       //     %3 = cmp i1 %1, %2
 394       //     br i1 %3, label %SP_return, label %CallStackCheckFailBlk
 395       //
 396       //   SP_return:
 397       //     ret ...
 398       //
 399       //   CallStackCheckFailBlk:
 400       //     call void @__stack_chk_fail()
 401       //     unreachable
 402
 403       // Create the FailBB. We duplicate the BB every time since the MI tail
 404       // merge pass will merge together all of the various BB into one including
 405       // fail BB generated by the stack protector pseudo instruction.
 406       BasicBlock *FailBB = CreateFailBB();
 407
 408       // Split the basic block before the return instruction.
 409       BasicBlock *NewBB = BB->splitBasicBlock(RI->getIterator(), "SP_return");
 410
 411       // Update the dominator tree if we need to.
 412       if (DT && DT->isReachableFromEntry(BB)) {
 413         DT->addNewBlock(NewBB, BB);
 414         DT->addNewBlock(FailBB, BB);
 415       }
 416
 417       // Remove default branch instruction to the new BB.
 418       BB->getTerminator()->eraseFromParent();
 419
 420       // Move the newly created basic block to the point right after the old
 421       // basic block so that it's in the "fall through" position.
 422       NewBB->moveAfter(BB);
 423
 424       // Generate the stack protector instructions in the old basic block.
 425       IRBuilder<> B(BB);
 426       Value *Guard = getStackGuard(TLI, M, B);
 427       LoadInst *LI2 = B.CreateLoad(AI, true);
 428       Value *Cmp = B.CreateICmpEQ(Guard, LI2);
 429       auto SuccessProb =
 430           BranchProbabilityInfo::getBranchProbStackProtector(true);
 431       auto FailureProb =
 432           BranchProbabilityInfo::getBranchProbStackProtector(false);
 433       MDNode *Weights = MDBuilder(F->getContext())
 434                             .createBranchWeights(SuccessProb.getNumerator(),
 435                                                  FailureProb.getNumerator());
 436       B.CreateCondBr(Cmp, NewBB, FailBB, Weights);
 437     }
 438   }
 439
 440   // Return if we didn't modify any basic blocks. i.e., there are no return
 441   // statements in the function.
 442   return HasPrologue;
 443 }
 444
 445 /// CreateFailBB - Create a basic block to jump to when the stack protector
 446 /// check fails.
 447 BasicBlock *StackProtector::CreateFailBB() {
 448   LLVMContext &Context = F->getContext();
 449   BasicBlock *FailBB = BasicBlock::Create(Context, "CallStackCheckFailBlk", F);
 450   IRBuilder<> B(FailBB);
 451   B.SetCurrentDebugLocation(DebugLoc::get(0, 0, F->getSubprogram()));
 452   if (Trip.isOSOpenBSD()) {
 453     Constant *StackChkFail =
 454         M->getOrInsertFunction("__stack_smash_handler",
 455                                Type::getVoidTy(Context),
 456                                Type::getInt8PtrTy(Context), nullptr);
 457
 458     B.CreateCall(StackChkFail, B.CreateGlobalStringPtr(F->getName(), "SSH"));
 459   } else {
 460     Constant *StackChkFail =
 461         M->getOrInsertFunction("__stack_chk_fail", Type::getVoidTy(Context),
 462                                nullptr);
 463     B.CreateCall(StackChkFail, {});
 464   }
 465   B.CreateUnreachable();
 466   return FailBB;
 467 }
 468
 469 bool StackProtector::shouldEmitSDCheck(const BasicBlock &BB) const {
 470   return HasPrologue && !HasIRCheck && dyn_cast<ReturnInst>(BB.getTerminator());
 471 }