contrib/llvm/tools/clang/lib/StaticAnalyzer/Checkers/ArrayBoundCheckerV2.cpp

   1 //== ArrayBoundCheckerV2.cpp ------------------------------------*- C++ -*--==//
   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 defines ArrayBoundCheckerV2, which is a path-sensitive check
  11 // which looks for an out-of-bound array element access.
  12 //
  13 //===----------------------------------------------------------------------===//
  14
  15 #include "ClangSACheckers.h"
  16 #include "clang/AST/CharUnits.h"
  17 #include "clang/StaticAnalyzer/Core/BugReporter/BugType.h"
  18 #include "clang/StaticAnalyzer/Core/Checker.h"
  19 #include "clang/StaticAnalyzer/Core/CheckerManager.h"
  20 #include "clang/StaticAnalyzer/Core/PathSensitive/CheckerContext.h"
  21 #include "clang/StaticAnalyzer/Core/PathSensitive/ExprEngine.h"
  22 #include "llvm/ADT/SmallString.h"
  23 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  24
  25 using namespace clang;
  26 using namespace ento;
  27
  28 namespace {
  29 class ArrayBoundCheckerV2 :
  30     public Checker<check::Location> {
  31   mutable std::unique_ptr<BuiltinBug> BT;
  32
  33   enum OOB_Kind { OOB_Precedes, OOB_Excedes, OOB_Tainted };
  34
  35   void reportOOB(CheckerContext &C, ProgramStateRef errorState,
  36                  OOB_Kind kind) const;
  37
  38 public:
  39   void checkLocation(SVal l, bool isLoad, const Stmt*S,
  40                      CheckerContext &C) const;
  41 };
  42
  43 // FIXME: Eventually replace RegionRawOffset with this class.
  44 class RegionRawOffsetV2 {
  45 private:
  46   const SubRegion *baseRegion;
  47   SVal byteOffset;
  48
  49   RegionRawOffsetV2()
  50     : baseRegion(nullptr), byteOffset(UnknownVal()) {}
  51
  52 public:
  53   RegionRawOffsetV2(const SubRegion* base, SVal offset)
  54     : baseRegion(base), byteOffset(offset) {}
  55
  56   NonLoc getByteOffset() const { return byteOffset.castAs<NonLoc>(); }
  57   const SubRegion *getRegion() const { return baseRegion; }
  58
  59   static RegionRawOffsetV2 computeOffset(ProgramStateRef state,
  60                                          SValBuilder &svalBuilder,
  61                                          SVal location);
  62
  63   void dump() const;
  64   void dumpToStream(raw_ostream &os) const;
  65 };
  66 }
  67
  68 static SVal computeExtentBegin(SValBuilder &svalBuilder,
  69                                const MemRegion *region) {
  70   while (true)
  71     switch (region->getKind()) {
  72       default:
  73         return svalBuilder.makeZeroArrayIndex();
  74       case MemRegion::SymbolicRegionKind:
  75         // FIXME: improve this later by tracking symbolic lower bounds
  76         // for symbolic regions.
  77         return UnknownVal();
  78       case MemRegion::ElementRegionKind:
  79         region = cast<SubRegion>(region)->getSuperRegion();
  80         continue;
  81     }
  82 }
  83
  84 void ArrayBoundCheckerV2::checkLocation(SVal location, bool isLoad,
  85                                         const Stmt* LoadS,
  86                                         CheckerContext &checkerContext) const {
  87
  88   // NOTE: Instead of using ProgramState::assumeInBound(), we are prototyping
  89   // some new logic here that reasons directly about memory region extents.
  90   // Once that logic is more mature, we can bring it back to assumeInBound()
  91   // for all clients to use.
  92   //
  93   // The algorithm we are using here for bounds checking is to see if the
  94   // memory access is within the extent of the base region.  Since we
  95   // have some flexibility in defining the base region, we can achieve
  96   // various levels of conservatism in our buffer overflow checking.
  97   ProgramStateRef state = checkerContext.getState();
  98   ProgramStateRef originalState = state;
  99
 100   SValBuilder &svalBuilder = checkerContext.getSValBuilder();
 101   const RegionRawOffsetV2 &rawOffset =
 102     RegionRawOffsetV2::computeOffset(state, svalBuilder, location);
 103
 104   if (!rawOffset.getRegion())
 105     return;
 106
 107   // CHECK LOWER BOUND: Is byteOffset < extent begin?
 108   //  If so, we are doing a load/store
 109   //  before the first valid offset in the memory region.
 110
 111   SVal extentBegin = computeExtentBegin(svalBuilder, rawOffset.getRegion());
 112
 113   if (Optional<NonLoc> NV = extentBegin.getAs<NonLoc>()) {
 114     SVal lowerBound =
 115         svalBuilder.evalBinOpNN(state, BO_LT, rawOffset.getByteOffset(), *NV,
 116                                 svalBuilder.getConditionType());
 117
 118     Optional<NonLoc> lowerBoundToCheck = lowerBound.getAs<NonLoc>();
 119     if (!lowerBoundToCheck)
 120       return;
 121
 122     ProgramStateRef state_precedesLowerBound, state_withinLowerBound;
 123     std::tie(state_precedesLowerBound, state_withinLowerBound) =
 124       state->assume(*lowerBoundToCheck);
 125
 126     // Are we constrained enough to definitely precede the lower bound?
 127     if (state_precedesLowerBound && !state_withinLowerBound) {
 128       reportOOB(checkerContext, state_precedesLowerBound, OOB_Precedes);
 129       return;
 130     }
 131
 132     // Otherwise, assume the constraint of the lower bound.
 133     assert(state_withinLowerBound);
 134     state = state_withinLowerBound;
 135   }
 136
 137   do {
 138     // CHECK UPPER BOUND: Is byteOffset >= extent(baseRegion)?  If so,
 139     // we are doing a load/store after the last valid offset.
 140     DefinedOrUnknownSVal extentVal =
 141       rawOffset.getRegion()->getExtent(svalBuilder);
 142     if (!extentVal.getAs<NonLoc>())
 143       break;
 144
 145     SVal upperbound
 146       = svalBuilder.evalBinOpNN(state, BO_GE, rawOffset.getByteOffset(),
 147                                 extentVal.castAs<NonLoc>(),
 148                                 svalBuilder.getConditionType());
 149
 150     Optional<NonLoc> upperboundToCheck = upperbound.getAs<NonLoc>();
 151     if (!upperboundToCheck)
 152       break;
 153
 154     ProgramStateRef state_exceedsUpperBound, state_withinUpperBound;
 155     std::tie(state_exceedsUpperBound, state_withinUpperBound) =
 156       state->assume(*upperboundToCheck);
 157
 158     // If we are under constrained and the index variables are tainted, report.
 159     if (state_exceedsUpperBound && state_withinUpperBound) {
 160       if (state->isTainted(rawOffset.getByteOffset()))
 161         reportOOB(checkerContext, state_exceedsUpperBound, OOB_Tainted);
 162         return;
 163     }
 164
 165     // If we are constrained enough to definitely exceed the upper bound, report.
 166     if (state_exceedsUpperBound) {
 167       assert(!state_withinUpperBound);
 168       reportOOB(checkerContext, state_exceedsUpperBound, OOB_Excedes);
 169       return;
 170     }
 171
 172     assert(state_withinUpperBound);
 173     state = state_withinUpperBound;
 174   }
 175   while (false);
 176
 177   if (state != originalState)
 178     checkerContext.addTransition(state);
 179 }
 180
 181 void ArrayBoundCheckerV2::reportOOB(CheckerContext &checkerContext,
 182                                     ProgramStateRef errorState,
 183                                     OOB_Kind kind) const {
 184
 185   ExplodedNode *errorNode = checkerContext.generateErrorNode(errorState);
 186   if (!errorNode)
 187     return;
 188
 189   if (!BT)
 190     BT.reset(new BuiltinBug(this, "Out-of-bound access"));
 191
 192   // FIXME: This diagnostics are preliminary.  We should get far better
 193   // diagnostics for explaining buffer overruns.
 194
 195   SmallString<256> buf;
 196   llvm::raw_svector_ostream os(buf);
 197   os << "Out of bound memory access ";
 198   switch (kind) {
 199   case OOB_Precedes:
 200     os << "(accessed memory precedes memory block)";
 201     break;
 202   case OOB_Excedes:
 203     os << "(access exceeds upper limit of memory block)";
 204     break;
 205   case OOB_Tainted:
 206     os << "(index is tainted)";
 207     break;
 208   }
 209
 210   checkerContext.emitReport(
 211       llvm::make_unique<BugReport>(*BT, os.str(), errorNode));
 212 }
 213
 214 void RegionRawOffsetV2::dump() const {
 215   dumpToStream(llvm::errs());
 216 }
 217
 218 void RegionRawOffsetV2::dumpToStream(raw_ostream &os) const {
 219   os << "raw_offset_v2{" << getRegion() << ',' << getByteOffset() << '}';
 220 }
 221
 222
 223 // Lazily computes a value to be used by 'computeOffset'.  If 'val'
 224 // is unknown or undefined, we lazily substitute '0'.  Otherwise,
 225 // return 'val'.
 226 static inline SVal getValue(SVal val, SValBuilder &svalBuilder) {
 227   return val.getAs<UndefinedVal>() ? svalBuilder.makeArrayIndex(0) : val;
 228 }
 229
 230 // Scale a base value by a scaling factor, and return the scaled
 231 // value as an SVal.  Used by 'computeOffset'.
 232 static inline SVal scaleValue(ProgramStateRef state,
 233                               NonLoc baseVal, CharUnits scaling,
 234                               SValBuilder &sb) {
 235   return sb.evalBinOpNN(state, BO_Mul, baseVal,
 236                         sb.makeArrayIndex(scaling.getQuantity()),
 237                         sb.getArrayIndexType());
 238 }
 239
 240 // Add an SVal to another, treating unknown and undefined values as
 241 // summing to UnknownVal.  Used by 'computeOffset'.
 242 static SVal addValue(ProgramStateRef state, SVal x, SVal y,
 243                      SValBuilder &svalBuilder) {
 244   // We treat UnknownVals and UndefinedVals the same here because we
 245   // only care about computing offsets.
 246   if (x.isUnknownOrUndef() || y.isUnknownOrUndef())
 247     return UnknownVal();
 248
 249   return svalBuilder.evalBinOpNN(state, BO_Add, x.castAs<NonLoc>(),
 250                                  y.castAs<NonLoc>(),
 251                                  svalBuilder.getArrayIndexType());
 252 }
 253
 254 /// Compute a raw byte offset from a base region.  Used for array bounds
 255 /// checking.
 256 RegionRawOffsetV2 RegionRawOffsetV2::computeOffset(ProgramStateRef state,
 257                                                    SValBuilder &svalBuilder,
 258                                                    SVal location)
 259 {
 260   const MemRegion *region = location.getAsRegion();
 261   SVal offset = UndefinedVal();
 262
 263   while (region) {
 264     switch (region->getKind()) {
 265       default: {
 266         if (const SubRegion *subReg = dyn_cast<SubRegion>(region)) {
 267           offset = getValue(offset, svalBuilder);
 268           if (!offset.isUnknownOrUndef())
 269             return RegionRawOffsetV2(subReg, offset);
 270         }
 271         return RegionRawOffsetV2();
 272       }
 273       case MemRegion::ElementRegionKind: {
 274         const ElementRegion *elemReg = cast<ElementRegion>(region);
 275         SVal index = elemReg->getIndex();
 276         if (!index.getAs<NonLoc>())
 277           return RegionRawOffsetV2();
 278         QualType elemType = elemReg->getElementType();
 279         // If the element is an incomplete type, go no further.
 280         ASTContext &astContext = svalBuilder.getContext();
 281         if (elemType->isIncompleteType())
 282           return RegionRawOffsetV2();
 283
 284         // Update the offset.
 285         offset = addValue(state,
 286                           getValue(offset, svalBuilder),
 287                           scaleValue(state,
 288                           index.castAs<NonLoc>(),
 289                           astContext.getTypeSizeInChars(elemType),
 290                           svalBuilder),
 291                           svalBuilder);
 292
 293         if (offset.isUnknownOrUndef())
 294           return RegionRawOffsetV2();
 295
 296         region = elemReg->getSuperRegion();
 297         continue;
 298       }
 299     }
 300   }
 301   return RegionRawOffsetV2();
 302 }
 303
 304 void ento::registerArrayBoundCheckerV2(CheckerManager &mgr) {
 305   mgr.registerChecker<ArrayBoundCheckerV2>();
 306 }