sys/vm/memguard.c

   1 /*-
   2  * Copyright (c) 2005, Bosko Milekic <bmilekic@FreeBSD.org>.
   3  * Copyright (c) 2010 Isilon Systems, Inc. (http://www.isilon.com/)
   4  * All rights reserved.
   5  *
   6  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   7  * modification, are permitted provided that the following conditions
   8  * are met:
   9  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  10  *    notice unmodified, this list of conditions, and the following
  11  *    disclaimer.
  12  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  13  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  14  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  15  *
  16  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR
  17  * IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES
  18  * OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED.
  19  * IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT,
  20  * INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT
  21  * NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE,
  22  * DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY
  23  * THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT
  24  * (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF
  25  * THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
  26  */
  27
  28 #include <sys/cdefs.h>
  29 __FBSDID("$FreeBSD$");
  30
  31 /*
  32  * MemGuard is a simple replacement allocator for debugging only
  33  * which provides ElectricFence-style memory barrier protection on
  34  * objects being allocated, and is used to detect tampering-after-free
  35  * scenarios.
  36  *
  37  * See the memguard(9) man page for more information on using MemGuard.
  38  */
  39
  40 #include "opt_vm.h"
  41
  42 #include <sys/param.h>
  43 #include <sys/systm.h>
  44 #include <sys/kernel.h>
  45 #include <sys/types.h>
  46 #include <sys/queue.h>
  47 #include <sys/lock.h>
  48 #include <sys/mutex.h>
  49 #include <sys/malloc.h>
  50 #include <sys/sysctl.h>
  51 #include <sys/vmem.h>
  52
  53 #include <vm/vm.h>
  54 #include <vm/uma.h>
  55 #include <vm/vm_param.h>
  56 #include <vm/vm_page.h>
  57 #include <vm/vm_map.h>
  58 #include <vm/vm_object.h>
  59 #include <vm/vm_kern.h>
  60 #include <vm/vm_extern.h>
  61 #include <vm/uma_int.h>
  62 #include <vm/memguard.h>
  63
  64 static SYSCTL_NODE(_vm, OID_AUTO, memguard, CTLFLAG_RW, NULL, "MemGuard data");
  65 /*
  66  * The vm_memguard_divisor variable controls how much of kmem_map should be
  67  * reserved for MemGuard.
  68  */
  69 static u_int vm_memguard_divisor;
  70 SYSCTL_UINT(_vm_memguard, OID_AUTO, divisor, CTLFLAG_RDTUN,
  71     &vm_memguard_divisor,
  72     0, "(kmem_size/memguard_divisor) == memguard submap size");
  73
  74 /*
  75  * Short description (ks_shortdesc) of memory type to monitor.
  76  */
  77 static char vm_memguard_desc[128] = "";
  78 static struct malloc_type *vm_memguard_mtype = NULL;
  79 TUNABLE_STR("vm.memguard.desc", vm_memguard_desc, sizeof(vm_memguard_desc));
  80 static int
  81 memguard_sysctl_desc(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
  82 {
  83         char desc[sizeof(vm_memguard_desc)];
  84         int error;
  85
  86         strlcpy(desc, vm_memguard_desc, sizeof(desc));
  87         error = sysctl_handle_string(oidp, desc, sizeof(desc), req);
  88         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
  89                 return (error);
  90
  91         mtx_lock(&malloc_mtx);
  92         /* If mtp is NULL, it will be initialized in memguard_cmp() */
  93         vm_memguard_mtype = malloc_desc2type(desc);
  94         strlcpy(vm_memguard_desc, desc, sizeof(vm_memguard_desc));
  95         mtx_unlock(&malloc_mtx);
  96         return (error);
  97 }
  98 SYSCTL_PROC(_vm_memguard, OID_AUTO, desc,
  99     CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE, 0, 0,
 100     memguard_sysctl_desc, "A", "Short description of memory type to monitor");
 101
 102 static vm_offset_t memguard_cursor;
 103 static vm_offset_t memguard_base;
 104 static vm_size_t memguard_mapsize;
 105 static vm_size_t memguard_physlimit;
 106 static u_long memguard_wasted;
 107 static u_long memguard_wrap;
 108 static u_long memguard_succ;
 109 static u_long memguard_fail_kva;
 110 static u_long memguard_fail_pgs;
 111
 112 SYSCTL_ULONG(_vm_memguard, OID_AUTO, cursor, CTLFLAG_RD,
 113     &memguard_cursor, 0, "MemGuard cursor");
 114 SYSCTL_ULONG(_vm_memguard, OID_AUTO, mapsize, CTLFLAG_RD,
 115     &memguard_mapsize, 0, "MemGuard private arena size");
 116 SYSCTL_ULONG(_vm_memguard, OID_AUTO, phys_limit, CTLFLAG_RD,
 117     &memguard_physlimit, 0, "Limit on MemGuard memory consumption");
 118 SYSCTL_ULONG(_vm_memguard, OID_AUTO, wasted, CTLFLAG_RD,
 119     &memguard_wasted, 0, "Excess memory used through page promotion");
 120 SYSCTL_ULONG(_vm_memguard, OID_AUTO, wrapcnt, CTLFLAG_RD,
 121     &memguard_wrap, 0, "MemGuard cursor wrap count");
 122 SYSCTL_ULONG(_vm_memguard, OID_AUTO, numalloc, CTLFLAG_RD,
 123     &memguard_succ, 0, "Count of successful MemGuard allocations");
 124 SYSCTL_ULONG(_vm_memguard, OID_AUTO, fail_kva, CTLFLAG_RD,
 125     &memguard_fail_kva, 0, "MemGuard failures due to lack of KVA");
 126 SYSCTL_ULONG(_vm_memguard, OID_AUTO, fail_pgs, CTLFLAG_RD,
 127     &memguard_fail_pgs, 0, "MemGuard failures due to lack of pages");
 128
 129 #define MG_GUARD_AROUND         0x001
 130 #define MG_GUARD_ALLLARGE       0x002
 131 #define MG_GUARD_NOFREE         0x004
 132 static int memguard_options = MG_GUARD_AROUND;
 133 TUNABLE_INT("vm.memguard.options", &memguard_options);
 134 SYSCTL_INT(_vm_memguard, OID_AUTO, options, CTLFLAG_RW,
 135     &memguard_options, 0,
 136     "MemGuard options:\n"
 137     "\t0x001 - add guard pages around each allocation\n"
 138     "\t0x002 - always use MemGuard for allocations over a page\n"
 139     "\t0x004 - guard uma(9) zones with UMA_ZONE_NOFREE flag");
 140
 141 static u_int memguard_minsize;
 142 static u_long memguard_minsize_reject;
 143 SYSCTL_UINT(_vm_memguard, OID_AUTO, minsize, CTLFLAG_RW,
 144     &memguard_minsize, 0, "Minimum size for page promotion");
 145 SYSCTL_ULONG(_vm_memguard, OID_AUTO, minsize_reject, CTLFLAG_RD,
 146     &memguard_minsize_reject, 0, "# times rejected for size");
 147
 148 static u_int memguard_frequency;
 149 static u_long memguard_frequency_hits;
 150 TUNABLE_INT("vm.memguard.frequency", &memguard_frequency);
 151 SYSCTL_UINT(_vm_memguard, OID_AUTO, frequency, CTLFLAG_RW,
 152     &memguard_frequency, 0, "Times in 100000 that MemGuard will randomly run");
 153 SYSCTL_ULONG(_vm_memguard, OID_AUTO, frequency_hits, CTLFLAG_RD,
 154     &memguard_frequency_hits, 0, "# times MemGuard randomly chose");
 155
 156
 157 /*
 158  * Return a fudged value to be used for vm_kmem_size for allocating
 159  * the kmem_map.  The memguard memory will be a submap.
 160  */
 161 unsigned long
 162 memguard_fudge(unsigned long km_size, const struct vm_map *parent_map)
 163 {
 164         u_long mem_pgs, parent_size;
 165
 166         vm_memguard_divisor = 10;
 167         TUNABLE_INT_FETCH("vm.memguard.divisor", &vm_memguard_divisor);
 168
 169         parent_size = vm_map_max(parent_map) - vm_map_min(parent_map) +
 170             PAGE_SIZE;
 171         /* Pick a conservative value if provided value sucks. */
 172         if ((vm_memguard_divisor <= 0) ||
 173             ((parent_size / vm_memguard_divisor) == 0))
 174                 vm_memguard_divisor = 10;
 175         /*
 176          * Limit consumption of physical pages to
 177          * 1/vm_memguard_divisor of system memory.  If the KVA is
 178          * smaller than this then the KVA limit comes into play first.
 179          * This prevents memguard's page promotions from completely
 180          * using up memory, since most malloc(9) calls are sub-page.
 181          */
 182         mem_pgs = cnt.v_page_count;
 183         memguard_physlimit = (mem_pgs / vm_memguard_divisor) * PAGE_SIZE;
 184         /*
 185          * We want as much KVA as we can take safely.  Use at most our
 186          * allotted fraction of the parent map's size.  Limit this to
 187          * twice the physical memory to avoid using too much memory as
 188          * pagetable pages (size must be multiple of PAGE_SIZE).
 189          */
 190         memguard_mapsize = round_page(parent_size / vm_memguard_divisor);
 191         if (memguard_mapsize / (2 * PAGE_SIZE) > mem_pgs)
 192                 memguard_mapsize = mem_pgs * 2 * PAGE_SIZE;
 193         if (km_size + memguard_mapsize > parent_size)
 194                 memguard_mapsize = 0;
 195         return (km_size + memguard_mapsize);
 196 }
 197
 198 /*
 199  * Initialize the MemGuard mock allocator.  All objects from MemGuard come
 200  * out of a single VM map (contiguous chunk of address space).
 201  */
 202 void
 203 memguard_init(vmem_t *parent)
 204 {
 205         vm_offset_t base;
 206
 207         vmem_alloc(parent, memguard_mapsize, M_BESTFIT | M_WAITOK, &base);
 208         vmem_init(memguard_arena, "memguard arena", base, memguard_mapsize,
 209             PAGE_SIZE, 0, M_WAITOK);
 210         memguard_cursor = base;
 211         memguard_base = base;
 212
 213         printf("MEMGUARD DEBUGGING ALLOCATOR INITIALIZED:\n");
 214         printf("\tMEMGUARD map base: 0x%lx\n", (u_long)base);
 215         printf("\tMEMGUARD map size: %jd KBytes\n",
 216             (uintmax_t)memguard_mapsize >> 10);
 217 }
 218
 219 /*
 220  * Run things that can't be done as early as memguard_init().
 221  */
 222 static void
 223 memguard_sysinit(void)
 224 {
 225         struct sysctl_oid_list *parent;
 226
 227         parent = SYSCTL_STATIC_CHILDREN(_vm_memguard);
 228
 229         SYSCTL_ADD_UAUTO(NULL, parent, OID_AUTO, "mapstart", CTLFLAG_RD,
 230             &memguard_base, "MemGuard KVA base");
 231         SYSCTL_ADD_UAUTO(NULL, parent, OID_AUTO, "maplimit", CTLFLAG_RD,
 232             &memguard_mapsize, "MemGuard KVA size");
 233 #if 0
 234         SYSCTL_ADD_ULONG(NULL, parent, OID_AUTO, "mapused", CTLFLAG_RD,
 235             &memguard_map->size, "MemGuard KVA used");
 236 #endif
 237 }
 238 SYSINIT(memguard, SI_SUB_KLD, SI_ORDER_ANY, memguard_sysinit, NULL);
 239
 240 /*
 241  * v2sizep() converts a virtual address of the first page allocated for
 242  * an item to a pointer to u_long recording the size of the original
 243  * allocation request.
 244  *
 245  * This routine is very similar to those defined by UMA in uma_int.h.
 246  * The difference is that this routine stores the originally allocated
 247  * size in one of the page's fields that is unused when the page is
 248  * wired rather than the object field, which is used.
 249  */
 250 static u_long *
 251 v2sizep(vm_offset_t va)
 252 {
 253         vm_paddr_t pa;
 254         struct vm_page *p;
 255
 256         pa = pmap_kextract(va);
 257         if (pa == 0)
 258                 panic("MemGuard detected double-free of %p", (void *)va);
 259         p = PHYS_TO_VM_PAGE(pa);
 260         KASSERT(p->wire_count != 0 && p->queue == PQ_NONE,
 261             ("MEMGUARD: Expected wired page %p in vtomgfifo!", p));
 262         return (&p->plinks.memguard.p);
 263 }
 264
 265 static u_long *
 266 v2sizev(vm_offset_t va)
 267 {
 268         vm_paddr_t pa;
 269         struct vm_page *p;
 270
 271         pa = pmap_kextract(va);
 272         if (pa == 0)
 273                 panic("MemGuard detected double-free of %p", (void *)va);
 274         p = PHYS_TO_VM_PAGE(pa);
 275         KASSERT(p->wire_count != 0 && p->queue == PQ_NONE,
 276             ("MEMGUARD: Expected wired page %p in vtomgfifo!", p));
 277         return (&p->plinks.memguard.v);
 278 }
 279
 280 /*
 281  * Allocate a single object of specified size with specified flags
 282  * (either M_WAITOK or M_NOWAIT).
 283  */
 284 void *
 285 memguard_alloc(unsigned long req_size, int flags)
 286 {
 287         vm_offset_t addr;
 288         u_long size_p, size_v;
 289         int do_guard, rv;
 290
 291         size_p = round_page(req_size);
 292         if (size_p == 0)
 293                 return (NULL);
 294         /*
 295          * To ensure there are holes on both sides of the allocation,
 296          * request 2 extra pages of KVA.  We will only actually add a
 297          * vm_map_entry and get pages for the original request.  Save
 298          * the value of memguard_options so we have a consistent
 299          * value.
 300          */
 301         size_v = size_p;
 302         do_guard = (memguard_options & MG_GUARD_AROUND) != 0;
 303         if (do_guard)
 304                 size_v += 2 * PAGE_SIZE;
 305
 306         /*
 307          * When we pass our memory limit, reject sub-page allocations.
 308          * Page-size and larger allocations will use the same amount
 309          * of physical memory whether we allocate or hand off to
 310          * uma_large_alloc(), so keep those.
 311          */
 312         if (vmem_size(memguard_arena, VMEM_ALLOC) >= memguard_physlimit &&
 313             req_size < PAGE_SIZE) {
 314                 addr = (vm_offset_t)NULL;
 315                 memguard_fail_pgs++;
 316                 goto out;
 317         }
 318         /*
 319          * Keep a moving cursor so we don't recycle KVA as long as
 320          * possible.  It's not perfect, since we don't know in what
 321          * order previous allocations will be free'd, but it's simple
 322          * and fast, and requires O(1) additional storage if guard
 323          * pages are not used.
 324          *
 325          * XXX This scheme will lead to greater fragmentation of the
 326          * map, unless vm_map_findspace() is tweaked.
 327          */
 328         for (;;) {
 329                 if (vmem_xalloc(memguard_arena, size_v, 0, 0, 0,
 330                     memguard_cursor, VMEM_ADDR_MAX,
 331                     M_BESTFIT | M_NOWAIT, &addr) == 0)
 332                         break;
 333                 /*
 334                  * The map has no space.  This may be due to
 335                  * fragmentation, or because the cursor is near the
 336                  * end of the map.
 337                  */
 338                 if (memguard_cursor == memguard_base) {
 339                         memguard_fail_kva++;
 340                         addr = (vm_offset_t)NULL;
 341                         goto out;
 342                 }
 343                 memguard_wrap++;
 344                 memguard_cursor = memguard_base;
 345         }
 346         if (do_guard)
 347                 addr += PAGE_SIZE;
 348         rv = kmem_back(kmem_object, addr, size_p, flags);
 349         if (rv != KERN_SUCCESS) {
 350                 vmem_xfree(memguard_arena, addr, size_v);
 351                 memguard_fail_pgs++;
 352                 addr = (vm_offset_t)NULL;
 353                 goto out;
 354         }
 355         memguard_cursor = addr + size_v;
 356         *v2sizep(trunc_page(addr)) = req_size;
 357         *v2sizev(trunc_page(addr)) = size_v;
 358         memguard_succ++;
 359         if (req_size < PAGE_SIZE) {
 360                 memguard_wasted += (PAGE_SIZE - req_size);
 361                 if (do_guard) {
 362                         /*
 363                          * Align the request to 16 bytes, and return
 364                          * an address near the end of the page, to
 365                          * better detect array overrun.
 366                          */
 367                         req_size = roundup2(req_size, 16);
 368                         addr += (PAGE_SIZE - req_size);
 369                 }
 370         }
 371 out:
 372         return ((void *)addr);
 373 }
 374
 375 int
 376 is_memguard_addr(void *addr)
 377 {
 378         vm_offset_t a = (vm_offset_t)(uintptr_t)addr;
 379
 380         return (a >= memguard_base && a < memguard_base + memguard_mapsize);
 381 }
 382
 383 /*
 384  * Free specified single object.
 385  */
 386 void
 387 memguard_free(void *ptr)
 388 {
 389         vm_offset_t addr;
 390         u_long req_size, size, sizev;
 391         char *temp;
 392         int i;
 393
 394         addr = trunc_page((uintptr_t)ptr);
 395         req_size = *v2sizep(addr);
 396         sizev = *v2sizev(addr);
 397         size = round_page(req_size);
 398
 399         /*
 400          * Page should not be guarded right now, so force a write.
 401          * The purpose of this is to increase the likelihood of
 402          * catching a double-free, but not necessarily a
 403          * tamper-after-free (the second thread freeing might not
 404          * write before freeing, so this forces it to and,
 405          * subsequently, trigger a fault).
 406          */
 407         temp = ptr;
 408         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE)
 409                 temp[i] = 'M';
 410
 411         /*
 412          * This requires carnal knowledge of the implementation of
 413          * kmem_free(), but since we've already replaced kmem_malloc()
 414          * above, it's not really any worse.  We want to use the
 415          * vm_map lock to serialize updates to memguard_wasted, since
 416          * we had the lock at increment.
 417          */
 418         kmem_unback(kmem_object, addr, size);
 419         if (sizev > size)
 420                 addr -= PAGE_SIZE;
 421         vmem_xfree(memguard_arena, addr, sizev);
 422         if (req_size < PAGE_SIZE)
 423                 memguard_wasted -= (PAGE_SIZE - req_size);
 424 }
 425
 426 /*
 427  * Re-allocate an allocation that was originally guarded.
 428  */
 429 void *
 430 memguard_realloc(void *addr, unsigned long size, struct malloc_type *mtp,
 431     int flags)
 432 {
 433         void *newaddr;
 434         u_long old_size;
 435
 436         /*
 437          * Allocate the new block.  Force the allocation to be guarded
 438          * as the original may have been guarded through random
 439          * chance, and that should be preserved.
 440          */
 441         if ((newaddr = memguard_alloc(size, flags)) == NULL)
 442                 return (NULL);
 443
 444         /* Copy over original contents. */
 445         old_size = *v2sizep(trunc_page((uintptr_t)addr));
 446         bcopy(addr, newaddr, min(size, old_size));
 447         memguard_free(addr);
 448         return (newaddr);
 449 }
 450
 451 static int
 452 memguard_cmp(unsigned long size)
 453 {
 454
 455         if (size < memguard_minsize) {
 456                 memguard_minsize_reject++;
 457                 return (0);
 458         }
 459         if ((memguard_options & MG_GUARD_ALLLARGE) != 0 && size >= PAGE_SIZE)
 460                 return (1);
 461         if (memguard_frequency > 0 &&
 462             (random() % 100000) < memguard_frequency) {
 463                 memguard_frequency_hits++;
 464                 return (1);
 465         }
 466
 467         return (0);
 468 }
 469
 470 int
 471 memguard_cmp_mtp(struct malloc_type *mtp, unsigned long size)
 472 {
 473
 474         if (memguard_cmp(size))
 475                 return(1);
 476
 477 #if 1
 478         /*
 479          * The safest way of comparsion is to always compare short description
 480          * string of memory type, but it is also the slowest way.
 481          */
 482         return (strcmp(mtp->ks_shortdesc, vm_memguard_desc) == 0);
 483 #else
 484         /*
 485          * If we compare pointers, there are two possible problems:
 486          * 1. Memory type was unloaded and new memory type was allocated at the
 487          *    same address.
 488          * 2. Memory type was unloaded and loaded again, but allocated at a
 489          *    different address.
 490          */
 491         if (vm_memguard_mtype != NULL)
 492                 return (mtp == vm_memguard_mtype);
 493         if (strcmp(mtp->ks_shortdesc, vm_memguard_desc) == 0) {
 494                 vm_memguard_mtype = mtp;
 495                 return (1);
 496         }
 497         return (0);
 498 #endif
 499 }
 500
 501 int
 502 memguard_cmp_zone(uma_zone_t zone)
 503 {
 504
 505         if ((memguard_options & MG_GUARD_NOFREE) == 0 &&
 506             zone->uz_flags & UMA_ZONE_NOFREE)
 507                 return (0);
 508
 509         if (memguard_cmp(zone->uz_size))
 510                 return (1);
 511
 512         /*
 513          * The safest way of comparsion is to always compare zone name,
 514          * but it is also the slowest way.
 515          */
 516         return (strcmp(zone->uz_name, vm_memguard_desc) == 0);
 517 }