Clang Project

clang_source_code/docs/UndefinedBehaviorSanitizer.rst
1==========================
2UndefinedBehaviorSanitizer
3==========================
4
5.. contents::
6   :local:
7
8Introduction
9============
10
11UndefinedBehaviorSanitizer (UBSan) is a fast undefined behavior detector.
12UBSan modifies the program at compile-time to catch various kinds of undefined
13behavior during program execution, for example:
14
15* Using misaligned or null pointer
16* Signed integer overflow
17* Conversion to, from, or between floating-point types which would
18  overflow the destination
19
20See the full list of available :ref:`checks <ubsan-checks>` below.
21
22UBSan has an optional run-time library which provides better error reporting.
23The checks have small runtime cost and no impact on address space layout or ABI.
24
25How to build
26============
27
28Build LLVM/Clang with `CMake <https://llvm.org/docs/CMake.html>`_.
29
30Usage
31=====
32
33Use ``clang++`` to compile and link your program with ``-fsanitize=undefined``
34flag. Make sure to use ``clang++`` (not ``ld``) as a linker, so that your
35executable is linked with proper UBSan runtime libraries. You can use ``clang``
36instead of ``clang++`` if you're compiling/linking C code.
37
38.. code-block:: console
39
40  % cat test.cc
41  int main(int argc, char **argv) {
42    int k = 0x7fffffff;
43    k += argc;
44    return 0;
45  }
46  % clang++ -fsanitize=undefined test.cc
47  % ./a.out
48  test.cc:3:5: runtime error: signed integer overflow: 2147483647 + 1 cannot be represented in type 'int'
49
50You can enable only a subset of :ref:`checks <ubsan-checks>` offered by UBSan,
51and define the desired behavior for each kind of check:
52
53* ``-fsanitize=...``: print a verbose error report and continue execution (default);
54* ``-fno-sanitize-recover=...``: print a verbose error report and exit the program;
55* ``-fsanitize-trap=...``: execute a trap instruction (doesn't require UBSan run-time support).
56
57For example if you compile/link your program as:
58
59.. code-block:: console
60
61  % clang++ -fsanitize=signed-integer-overflow,null,alignment -fno-sanitize-recover=null -fsanitize-trap=alignment
62
63the program will continue execution after signed integer overflows, exit after
64the first invalid use of a null pointer, and trap after the first use of misaligned
65pointer.
66
67.. _ubsan-checks:
68
69Available checks
70================
71
72Available checks are:
73
74  -  ``-fsanitize=alignment``: Use of a misaligned pointer or creation
75     of a misaligned reference. Also sanitizes assume_aligned-like attributes.
76  -  ``-fsanitize=bool``: Load of a ``bool`` value which is neither
77     ``true`` nor ``false``.
78  -  ``-fsanitize=builtin``: Passing invalid values to compiler builtins.
79  -  ``-fsanitize=bounds``: Out of bounds array indexing, in cases
80     where the array bound can be statically determined.
81  -  ``-fsanitize=enum``: Load of a value of an enumerated type which
82     is not in the range of representable values for that enumerated
83     type.
84  -  ``-fsanitize=float-cast-overflow``: Conversion to, from, or
85     between floating-point types which would overflow the
86     destination.
87  -  ``-fsanitize=float-divide-by-zero``: Floating point division by
88     zero.
89  -  ``-fsanitize=function``: Indirect call of a function through a
90     function pointer of the wrong type (Darwin/Linux, C++ and x86/x86_64
91     only).
92  -  ``-fsanitize=implicit-unsigned-integer-truncation``,
93     ``-fsanitize=implicit-signed-integer-truncation``: Implicit conversion from
94     integer of larger bit width to smaller bit width, if that results in data
95     loss. That is, if the demoted value, after casting back to the original
96     width, is not equal to the original value before the downcast.
97     The ``-fsanitize=implicit-unsigned-integer-truncation`` handles conversions
98     between two ``unsigned`` types, while
99     ``-fsanitize=implicit-signed-integer-truncation`` handles the rest of the
100     conversions - when either one, or both of the types are signed.
101     Issues caught by these sanitizers are not undefined behavior,
102     but are often unintentional.
103  -  ``-fsanitize=implicit-integer-sign-change``: Implicit conversion between
104     integer types, if that changes the sign of the value. That is, if the the
105     original value was negative and the new value is positive (or zero),
106     or the original value was positive, and the new value is negative.
107     Issues caught by this sanitizer are not undefined behavior,
108     but are often unintentional.
109  -  ``-fsanitize=integer-divide-by-zero``: Integer division by zero.
110  -  ``-fsanitize=nonnull-attribute``: Passing null pointer as a function
111     parameter which is declared to never be null.
112  -  ``-fsanitize=null``: Use of a null pointer or creation of a null
113     reference.
114  -  ``-fsanitize=nullability-arg``: Passing null as a function parameter
115     which is annotated with ``_Nonnull``.
116  -  ``-fsanitize=nullability-assign``: Assigning null to an lvalue which
117     is annotated with ``_Nonnull``.
118  -  ``-fsanitize=nullability-return``: Returning null from a function with
119     a return type annotated with ``_Nonnull``.
120  -  ``-fsanitize=object-size``: An attempt to potentially use bytes which
121     the optimizer can determine are not part of the object being accessed.
122     This will also detect some types of undefined behavior that may not
123     directly access memory, but are provably incorrect given the size of
124     the objects involved, such as invalid downcasts and calling methods on
125     invalid pointers. These checks are made in terms of
126     ``__builtin_object_size``, and consequently may be able to detect more
127     problems at higher optimization levels.
128  -  ``-fsanitize=pointer-overflow``: Performing pointer arithmetic which
129     overflows.
130  -  ``-fsanitize=return``: In C++, reaching the end of a
131     value-returning function without returning a value.
132  -  ``-fsanitize=returns-nonnull-attribute``: Returning null pointer
133     from a function which is declared to never return null.
134  -  ``-fsanitize=shift``: Shift operators where the amount shifted is
135     greater or equal to the promoted bit-width of the left hand side
136     or less than zero, or where the left hand side is negative. For a
137     signed left shift, also checks for signed overflow in C, and for
138     unsigned overflow in C++. You can use ``-fsanitize=shift-base`` or
139     ``-fsanitize=shift-exponent`` to check only left-hand side or
140     right-hand side of shift operation, respectively.
141  -  ``-fsanitize=signed-integer-overflow``: Signed integer overflow, where the
142     result of a signed integer computation cannot be represented in its type.
143     This includes all the checks covered by ``-ftrapv``, as well as checks for
144     signed division overflow (``INT_MIN/-1``), but not checks for
145     lossy implicit conversions performed before the computation
146     (see ``-fsanitize=implicit-conversion``). Both of these two issues are
147     handled by ``-fsanitize=implicit-conversion`` group of checks.
148  -  ``-fsanitize=unreachable``: If control flow reaches an unreachable
149     program point.
150  -  ``-fsanitize=unsigned-integer-overflow``: Unsigned integer overflow, where
151     the result of an unsigned integer computation cannot be represented in its
152     type. Unlike signed integer overflow, this is not undefined behavior, but
153     it is often unintentional. This sanitizer does not check for lossy implicit
154     conversions performed before such a computation
155     (see ``-fsanitize=implicit-conversion``).
156  -  ``-fsanitize=vla-bound``: A variable-length array whose bound
157     does not evaluate to a positive value.
158  -  ``-fsanitize=vptr``: Use of an object whose vptr indicates that it is of
159     the wrong dynamic type, or that its lifetime has not begun or has ended.
160     Incompatible with ``-fno-rtti``. Link must be performed by ``clang++``, not
161     ``clang``, to make sure C++-specific parts of the runtime library and C++
162     standard libraries are present.
163
164You can also use the following check groups:
165  -  ``-fsanitize=undefined``: All of the checks listed above other than
166     ``unsigned-integer-overflow``, ``implicit-conversion`` and the
167     ``nullability-*`` group of checks.
168  -  ``-fsanitize=undefined-trap``: Deprecated alias of
169     ``-fsanitize=undefined``.
170  -  ``-fsanitize=implicit-integer-truncation``: Catches lossy integral
171     conversions. Enables ``implicit-signed-integer-truncation`` and
172     ``implicit-unsigned-integer-truncation``.
173  -  ``-fsanitize=implicit-integer-arithmetic-value-change``: Catches implicit
174     conversions that change the arithmetic value of the integer. Enables
175     ``implicit-signed-integer-truncation`` and ``implicit-integer-sign-change``.
176  -  ``-fsanitize=implicit-conversion``: Checks for suspicious
177     behaviour of implicit conversions. Enables
178     ``implicit-unsigned-integer-truncation``,
179     ``implicit-signed-integer-truncation`` and
180     ``implicit-integer-sign-change``.
181  -  ``-fsanitize=integer``: Checks for undefined or suspicious integer
182     behavior (e.g. unsigned integer overflow).
183     Enables ``signed-integer-overflow``, ``unsigned-integer-overflow``,
184     ``shift``, ``integer-divide-by-zero``,
185     ``implicit-unsigned-integer-truncation``,
186     ``implicit-signed-integer-truncation`` and
187     ``implicit-integer-sign-change``.
188  -  ``-fsanitize=nullability``: Enables ``nullability-arg``,
189     ``nullability-assign``, and ``nullability-return``. While violating
190     nullability does not have undefined behavior, it is often unintentional,
191     so UBSan offers to catch it.
192
193Volatile
194--------
195
196The ``null``, ``alignment``, ``object-size``, and ``vptr`` checks do not apply
197to pointers to types with the ``volatile`` qualifier.
198
199Minimal Runtime
200===============
201
202There is a minimal UBSan runtime available suitable for use in production
203environments. This runtime has a small attack surface. It only provides very
204basic issue logging and deduplication, and does not support ``-fsanitize=vptr``
205checking.
206
207To use the minimal runtime, add ``-fsanitize-minimal-runtime`` to the clang
208command line options. For example, if you're used to compiling with
209``-fsanitize=undefined``, you could enable the minimal runtime with
210``-fsanitize=undefined -fsanitize-minimal-runtime``.
211
212Stack traces and report symbolization
213=====================================
214If you want UBSan to print symbolized stack trace for each error report, you
215will need to:
216
217#. Compile with ``-g`` and ``-fno-omit-frame-pointer`` to get proper debug
218   information in your binary.
219#. Run your program with environment variable
220   ``UBSAN_OPTIONS=print_stacktrace=1``.
221#. Make sure ``llvm-symbolizer`` binary is in ``PATH``.
222
223Silencing Unsigned Integer Overflow
224===================================
225To silence reports from unsigned integer overflow, you can set
226``UBSAN_OPTIONS=silence_unsigned_overflow=1``.  This feature, combined with
227``-fsanitize-recover=unsigned-integer-overflow``, is particularly useful for
228providing fuzzing signal without blowing up logs.
229
230Issue Suppression
231=================
232
233UndefinedBehaviorSanitizer is not expected to produce false positives.
234If you see one, look again; most likely it is a true positive!
235
236Disabling Instrumentation with ``__attribute__((no_sanitize("undefined")))``
237----------------------------------------------------------------------------
238
239You disable UBSan checks for particular functions with
240``__attribute__((no_sanitize("undefined")))``. You can use all values of
241``-fsanitize=`` flag in this attribute, e.g. if your function deliberately
242contains possible signed integer overflow, you can use
243``__attribute__((no_sanitize("signed-integer-overflow")))``.
244
245This attribute may not be
246supported by other compilers, so consider using it together with
247``#if defined(__clang__)``.
248
249Suppressing Errors in Recompiled Code (Blacklist)
250-------------------------------------------------
251
252UndefinedBehaviorSanitizer supports ``src`` and ``fun`` entity types in
253:doc:`SanitizerSpecialCaseList`, that can be used to suppress error reports
254in the specified source files or functions.
255
256Runtime suppressions
257--------------------
258
259Sometimes you can suppress UBSan error reports for specific files, functions,
260or libraries without recompiling the code. You need to pass a path to
261suppression file in a ``UBSAN_OPTIONS`` environment variable.
262
263.. code-block:: bash
264
265    UBSAN_OPTIONS=suppressions=MyUBSan.supp
266
267You need to specify a :ref:`check <ubsan-checks>` you are suppressing and the
268bug location. For example:
269
270.. code-block:: bash
271
272  signed-integer-overflow:file-with-known-overflow.cpp
273  alignment:function_doing_unaligned_access
274  vptr:shared_object_with_vptr_failures.so
275
276There are several limitations:
277
278* Sometimes your binary must have enough debug info and/or symbol table, so
279  that the runtime could figure out source file or function name to match
280  against the suppression.
281* It is only possible to suppress recoverable checks. For the example above,
282  you can additionally pass
283  ``-fsanitize-recover=signed-integer-overflow,alignment,vptr``, although
284  most of UBSan checks are recoverable by default.
285* Check groups (like ``undefined``) can't be used in suppressions file, only
286  fine-grained checks are supported.
287
288Supported Platforms
289===================
290
291UndefinedBehaviorSanitizer is supported on the following operating systems:
292
293* Android
294* Linux
295* NetBSD
296* FreeBSD
297* OpenBSD
298* OS X 10.6 onwards
299* Windows
300
301The runtime library is relatively portable and platform independent. If the OS
302you need is not listed above, UndefinedBehaviorSanitizer may already work for
303it, or could be made to work with a minor porting effort.
304
305Current Status
306==============
307
308UndefinedBehaviorSanitizer is available on selected platforms starting from LLVM
3093.3. The test suite is integrated into the CMake build and can be run with
310``check-ubsan`` command.
311
312Additional Configuration
313========================
314
315UndefinedBehaviorSanitizer adds static check data for each check unless it is
316in trap mode. This check data includes the full file name. The option
317``-fsanitize-undefined-strip-path-components=N`` can be used to trim this
318information. If ``N`` is positive, file information emitted by
319UndefinedBehaviorSanitizer will drop the first ``N`` components from the file
320path. If ``N`` is negative, the last ``N`` components will be kept.
321
322Example
323-------
324
325For a file called ``/code/library/file.cpp``, here is what would be emitted:
326
327* Default (No flag, or ``-fsanitize-undefined-strip-path-components=0``): ``/code/library/file.cpp``
328* ``-fsanitize-undefined-strip-path-components=1``: ``code/library/file.cpp``
329* ``-fsanitize-undefined-strip-path-components=2``: ``library/file.cpp``
330* ``-fsanitize-undefined-strip-path-components=-1``: ``file.cpp``
331* ``-fsanitize-undefined-strip-path-components=-2``: ``library/file.cpp``
332
333More Information
334================
335
336* From LLVM project blog:
337  `What Every C Programmer Should Know About Undefined Behavior
338  <http://blog.llvm.org/2011/05/what-every-c-programmer-should-know.html>`_
339* From John Regehr's *Embedded in Academia* blog:
340  `A Guide to Undefined Behavior in C and C++
341  <https://blog.regehr.org/archives/213>`_
342