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:Original: Documentation/dev-tools/kasan.rst
:Translator: 万家兵 Wan Jiabing <wanjiabing@vivo.com>

内核地址消毒剂(KASAN)
=====================

概述
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KernelAddressSANitizer(KASAN)是一种动态内存安全错误检测工具，主要功能是
检查内存越界访问和使用已释放内存的问题。KASAN有三种模式:

1. 通用KASAN（与用户空间的ASan类似）
2. 基于软件标签的KASAN（与用户空间的HWASan类似）
3. 基于硬件标签的KASAN（基于硬件内存标签）

由于通用KASAN的内存开销较大，通用KASAN主要用于调试。基于软件标签的KASAN
可用于dogfood测试，因为它具有较低的内存开销，并允许将其用于实际工作量。
基于硬件标签的KASAN具有较低的内存和性能开销，因此可用于生产。同时可用于
检测现场内存问题或作为安全缓解措施。

软件KASAN模式（#1和#2）使用编译时工具在每次内存访问之前插入有效性检查，
因此需要一个支持它的编译器版本。

通用KASAN在GCC和Clang受支持。GCC需要8.3.0或更高版本。任何受支持的Clang
版本都是兼容的，但从Clang 11才开始支持检测全局变量的越界访问。

基于软件标签的KASAN模式仅在Clang中受支持。

硬件KASAN模式（#3）依赖硬件来执行检查，但仍需要支持内存标签指令的编译器
版本。GCC 10+和Clang 11+支持此模式。

两种软件KASAN模式都适用于SLUB和SLAB内存分配器，而基于硬件标签的KASAN目前
仅支持SLUB。

目前x86_64、arm、arm64、xtensa、s390、riscv架构支持通用KASAN模式，仅
arm64架构支持基于标签的KASAN模式。

用法
----

要启用KASAN，请使用以下命令配置内核::

	  CONFIG_KASAN=y

同时在 ``CONFIG_KASAN_GENERIC`` (启用通用KASAN模式)， ``CONFIG_KASAN_SW_TAGS``
(启用基于硬件标签的KASAN模式)，和 ``CONFIG_KASAN_HW_TAGS`` (启用基于硬件标签
的KASAN模式)之间进行选择。

对于软件模式，还可以在 ``CONFIG_KASAN_OUTLINE`` 和 ``CONFIG_KASAN_INLINE``
之间进行选择。outline和inline是编译器插桩类型。前者产生较小的二进制文件，
而后者快1.1-2倍。

要将受影响的slab对象的alloc和free堆栈跟踪包含到报告中，请启用
``CONFIG_STACKTRACE`` 。要包括受影响物理页面的分配和释放堆栈跟踪的话，
请启用 ``CONFIG_PAGE_OWNER`` 并使用 ``page_owner=on`` 进行引导。

错误报告
~~~~~~~~

典型的KASAN报告如下所示::

    ==================================================================
    BUG: KASAN: slab-out-of-bounds in kmalloc_oob_right+0xa8/0xbc [test_kasan]
    Write of size 1 at addr ffff8801f44ec37b by task insmod/2760

    CPU: 1 PID: 2760 Comm: insmod Not tainted 4.19.0-rc3+ #698
    Hardware name: QEMU Standard PC (i440FX + PIIX, 1996), BIOS 1.10.2-1 04/01/2014
    Call Trace:
     dump_stack+0x94/0xd8
     print_address_description+0x73/0x280
     kasan_report+0x144/0x187
     __asan_report_store1_noabort+0x17/0x20
     kmalloc_oob_right+0xa8/0xbc [test_kasan]
     kmalloc_tests_init+0x16/0x700 [test_kasan]
     do_one_initcall+0xa5/0x3ae
     do_init_module+0x1b6/0x547
     load_module+0x75df/0x8070
     __do_sys_init_module+0x1c6/0x200
     __x64_sys_init_module+0x6e/0xb0
     do_syscall_64+0x9f/0x2c0
     entry_SYSCALL_64_after_hwframe+0x44/0xa9
    RIP: 0033:0x7f96443109da
    RSP: 002b:00007ffcf0b51b08 EFLAGS: 00000202 ORIG_RAX: 00000000000000af
    RAX: ffffffffffffffda RBX: 000055dc3ee521a0 RCX: 00007f96443109da
    RDX: 00007f96445cff88 RSI: 0000000000057a50 RDI: 00007f9644992000
    RBP: 000055dc3ee510b0 R08: 0000000000000003 R09: 0000000000000000
    R10: 00007f964430cd0a R11: 0000000000000202 R12: 00007f96445cff88
    R13: 000055dc3ee51090 R14: 0000000000000000 R15: 0000000000000000

    Allocated by task 2760:
     save_stack+0x43/0xd0
     kasan_kmalloc+0xa7/0xd0
     kmem_cache_alloc_trace+0xe1/0x1b0
     kmalloc_oob_right+0x56/0xbc [test_kasan]
     kmalloc_tests_init+0x16/0x700 [test_kasan]
     do_one_initcall+0xa5/0x3ae
     do_init_module+0x1b6/0x547
     load_module+0x75df/0x8070
     __do_sys_init_module+0x1c6/0x200
     __x64_sys_init_module+0x6e/0xb0
     do_syscall_64+0x9f/0x2c0
     entry_SYSCALL_64_after_hwframe+0x44/0xa9

    Freed by task 815:
     save_stack+0x43/0xd0
     __kasan_slab_free+0x135/0x190
     kasan_slab_free+0xe/0x10
     kfree+0x93/0x1a0
     umh_complete+0x6a/0xa0
     call_usermodehelper_exec_async+0x4c3/0x640
     ret_from_fork+0x35/0x40

    The buggy address belongs to the object at ffff8801f44ec300
     which belongs to the cache kmalloc-128 of size 128
    The buggy address is located 123 bytes inside of
     128-byte region [ffff8801f44ec300, ffff8801f44ec380)
    The buggy address belongs to the page:
    page:ffffea0007d13b00 count:1 mapcount:0 mapping:ffff8801f7001640 index:0x0
    flags: 0x200000000000100(slab)
    raw: 0200000000000100 ffffea0007d11dc0 0000001a0000001a ffff8801f7001640
    raw: 0000000000000000 0000000080150015 00000001ffffffff 0000000000000000
    page dumped because: kasan: bad access detected

    Memory state around the buggy address:
     ffff8801f44ec200: fc fc fc fc fc fc fc fc fb fb fb fb fb fb fb fb
     ffff8801f44ec280: fb fb fb fb fb fb fb fb fc fc fc fc fc fc fc fc
    >ffff8801f44ec300: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 03
                                                                    ^
     ffff8801f44ec380: fc fc fc fc fc fc fc fc fb fb fb fb fb fb fb fb
     ffff8801f44ec400: fb fb fb fb fb fb fb fb fc fc fc fc fc fc fc fc
    ==================================================================

报告标题总结了发生的错误类型以及导致该错误的访问类型。紧随其后的是错误访问的
堆栈跟踪、所访问内存分配位置的堆栈跟踪（对于访问了slab对象的情况）以及对象
被释放的位置的堆栈跟踪（对于访问已释放内存的问题报告）。接下来是对访问的
slab对象的描述以及关于访问的内存页的信息。

最后，报告展示了访问地址周围的内存状态。在内部，KASAN单独跟踪每个内存颗粒的
内存状态，根据KASAN模式分为8或16个对齐字节。报告的内存状态部分中的每个数字
都显示了围绕访问地址的其中一个内存颗粒的状态。

对于通用KASAN，每个内存颗粒的大小为8个字节。每个颗粒的状态被编码在一个影子字节
中。这8个字节可以是可访问的，部分访问的，已释放的或成为Redzone的一部分。KASAN
对每个影子字节使用以下编码:00表示对应内存区域的所有8个字节都可以访问；数字N
(1 <= N <= 7)表示前N个字节可访问，其他(8 - N)个字节不可访问；任何负值都表示
无法访问整个8字节。KASAN使用不同的负值来区分不同类型的不可访问内存，如redzones
或已释放的内存（参见 mm/kasan/kasan.h）。

在上面的报告中，箭头指向影子字节 ``03`` ，表示访问的地址是部分可访问的。

对于基于标签的KASAN模式，报告最后的部分显示了访问地址周围的内存标签
(参考 `实施细则`_ 章节)。

请注意，KASAN错误标题（如 ``slab-out-of-bounds`` 或 ``use-after-free`` ）
是尽量接近的:KASAN根据其拥有的有限信息打印出最可能的错误类型。错误的实际类型
可能会有所不同。

通用KASAN还报告两个辅助调用堆栈跟踪。这些堆栈跟踪指向代码中与对象交互但不直接
出现在错误访问堆栈跟踪中的位置。目前，这包括 call_rcu() 和排队的工作队列。

启动参数
~~~~~~~~

KASAN受通用 ``panic_on_warn`` 命令行参数的影响。启用该功能后，KASAN在打印错误
报告后会引起内核恐慌。

默认情况下，KASAN只为第一次无效内存访问打印错误报告。使用 ``kasan_multi_shot`` ，
KASAN会针对每个无效访问打印报告。这有效地禁用了KASAN报告的 ``panic_on_warn`` 。

基于硬件标签的KASAN模式（请参阅下面有关各种模式的部分）旨在在生产中用作安全缓解
措施。因此，它支持允许禁用KASAN或控制其功能的引导参数。

- ``kasan=off`` 或 ``=on`` 控制KASAN是否启用 (默认: ``on`` )。

- ``kasan.mode=sync`` 或 ``=async`` 控制KASAN是否配置为同步或异步执行模式(默认:
  ``sync`` )。同步模式：当标签检查错误发生时，立即检测到错误访问。异步模式：
  延迟错误访问检测。当标签检查错误发生时，信息存储在硬件中（在arm64的
  TFSR_EL1寄存器中）。内核会定期检查硬件，并且仅在这些检查期间报告标签错误。

- ``kasan.stacktrace=off`` 或 ``=on`` 禁用或启用alloc和free堆栈跟踪收集
  (默认: ``on`` )。

- ``kasan.fault=report`` 或 ``=panic`` 控制是只打印KASAN报告还是同时使内核恐慌
  (默认: ``report`` )。即使启用了 ``kasan_multi_shot`` ，也会发生内核恐慌。

实施细则
--------

通用KASAN
~~~~~~~~~

软件KASAN模式使用影子内存来记录每个内存字节是否可以安全访问，并使用编译时工具
在每次内存访问之前插入影子内存检查。

通用KASAN将1/8的内核内存专用于其影子内存（16TB以覆盖x86_64上的128TB），并使用
具有比例和偏移量的直接映射将内存地址转换为其相应的影子地址。

这是将地址转换为其相应影子地址的函数::

    static inline void *kasan_mem_to_shadow(const void *addr)
    {
	return (void *)((unsigned long)addr >> KASAN_SHADOW_SCALE_SHIFT)
		+ KASAN_SHADOW_OFFSET;
    }

在这里 ``KASAN_SHADOW_SCALE_SHIFT = 3`` 。

编译时工具用于插入内存访问检查。编译器在每次访问大小为1、2、4、8或16的内存之前
插入函数调用( ``__asan_load*(addr)`` , ``__asan_store*(addr)``)。这些函数通过
检查相应的影子内存来检查内存访问是否有效。

使用inline插桩，编译器不进行函数调用，而是直接插入代码来检查影子内存。此选项
显著地增大了内核体积，但与outline插桩内核相比，它提供了x1.1-x2的性能提升。

通用KASAN是唯一一种通过隔离延迟重新使用已释放对象的模式
（参见 mm/kasan/quarantine.c 以了解实现）。

基于软件标签的KASAN模式
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

基于软件标签的KASAN使用软件内存标签方法来检查访问有效性。目前仅针对arm64架构实现。

基于软件标签的KASAN使用arm64 CPU的顶部字节忽略(TBI)特性在内核指针的顶部字节中
存储一个指针标签。它使用影子内存来存储与每个16字节内存单元相关的内存标签(因此，
它将内核内存的1/16专用于影子内存)。

在每次内存分配时，基于软件标签的KASAN都会生成一个随机标签，用这个标签标记分配
的内存，并将相同的标签嵌入到返回的指针中。

基于软件标签的KASAN使用编译时工具在每次内存访问之前插入检查。这些检查确保正在
访问的内存的标签等于用于访问该内存的指针的标签。如果标签不匹配，基于软件标签
的KASAN会打印错误报告。

基于软件标签的KASAN也有两种插桩模式（outline，发出回调来检查内存访问；inline，
执行内联的影子内存检查）。使用outline插桩模式，会从执行访问检查的函数打印错误
报告。使用inline插桩，编译器会发出 ``brk`` 指令，并使用专用的 ``brk`` 处理程序
来打印错误报告。

基于软件标签的KASAN使用0xFF作为匹配所有指针标签（不检查通过带有0xFF指针标签
的指针进行的访问）。值0xFE当前保留用于标记已释放的内存区域。

基于软件标签的KASAN目前仅支持对Slab和page_alloc内存进行标记。

基于硬件标签的KASAN模式
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

基于硬件标签的KASAN在概念上类似于软件模式，但它是使用硬件内存标签作为支持而
不是编译器插桩和影子内存。

基于硬件标签的KASAN目前仅针对arm64架构实现，并且基于ARMv8.5指令集架构中引入
的arm64内存标记扩展(MTE)和最高字节忽略(TBI)。

特殊的arm64指令用于为每次内存分配指定内存标签。相同的标签被指定给指向这些分配
的指针。在每次内存访问时，硬件确保正在访问的内存的标签等于用于访问该内存的指针
的标签。如果标签不匹配，则会生成故障并打印报告。

基于硬件标签的KASAN使用0xFF作为匹配所有指针标签（不检查通过带有0xFF指针标签的
指针进行的访问）。值0xFE当前保留用于标记已释放的内存区域。

基于硬件标签的KASAN目前仅支持对Slab和page_alloc内存进行标记。

如果硬件不支持MTE（ARMv8.5之前），则不会启用基于硬件标签的KASAN。在这种情况下，
所有KASAN引导参数都将被忽略。

请注意，启用CONFIG_KASAN_HW_TAGS始终会导致启用内核中的TBI。即使提供了
``kasan.mode=off`` 或硬件不支持MTE（但支持TBI）。

基于硬件标签的KASAN只报告第一个发现的错误。之后，MTE标签检查将被禁用。

影子内存
--------

内核将内存映射到地址空间的几个不同部分。内核虚拟地址的范围很大：没有足够的真实
内存来支持内核可以访问的每个地址的真实影子区域。因此，KASAN只为地址空间的某些
部分映射真实的影子。

默认行为
~~~~~~~~

默认情况下，体系结构仅将实际内存映射到用于线性映射的阴影区域（以及可能的其他
小区域）。对于所有其他区域 —— 例如vmalloc和vmemmap空间 —— 一个只读页面被映射
到阴影区域上。这个只读的影子页面声明所有内存访问都是允许的。

这给模块带来了一个问题：它们不存在于线性映射中，而是存在于专用的模块空间中。
通过连接模块分配器，KASAN临时映射真实的影子内存以覆盖它们。例如，这允许检测
对模块全局变量的无效访问。

这也造成了与 ``VMAP_STACK`` 的不兼容：如果堆栈位于vmalloc空间中，它将被分配
只读页面的影子内存，并且内核在尝试为堆栈变量设置影子数据时会出错。

CONFIG_KASAN_VMALLOC
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

使用 ``CONFIG_KASAN_VMALLOC`` ，KASAN可以以更大的内存使用为代价覆盖vmalloc
空间。目前，这在x86、riscv、s390和powerpc上受支持。

这通过连接到vmalloc和vmap并动态分配真实的影子内存来支持映射。

vmalloc空间中的大多数映射都很小，需要不到一整页的阴影空间。因此，为每个映射
分配一个完整的影子页面将是一种浪费。此外，为了确保不同的映射使用不同的影子
页面，映射必须与 ``KASAN_GRANULE_SIZE * PAGE_SIZE`` 对齐。

相反，KASAN跨多个映射共享后备空间。当vmalloc空间中的映射使用影子区域的特定
页面时，它会分配一个后备页面。此页面稍后可以由其他vmalloc映射共享。

KASAN连接到vmap基础架构以懒清理未使用的影子内存。

为了避免交换映射的困难，KASAN预测覆盖vmalloc空间的阴影区域部分将不会被早期
的阴影页面覆盖，但是将不会被映射。这将需要更改特定于arch的代码。

这允许在x86上支持 ``VMAP_STACK`` ，并且可以简化对没有固定模块区域的架构的支持。

对于开发者
----------

忽略访问
~~~~~~~~

软件KASAN模式使用编译器插桩来插入有效性检查。此类检测可能与内核的某些部分
不兼容，因此需要禁用。

内核的其他部分可能会访问已分配对象的元数据。通常，KASAN会检测并报告此类访问，
但在某些情况下（例如，在内存分配器中），这些访问是有效的。

对于软件KASAN模式，要禁用特定文件或目录的检测，请将 ``KASAN_SANITIZE`` 添加
到相应的内核Makefile中:

- 对于单个文件(例如，main.o)::

    KASAN_SANITIZE_main.o := n

- 对于一个目录下的所有文件::

    KASAN_SANITIZE := n

对于软件KASAN模式，要在每个函数的基础上禁用检测，请使用KASAN特定的
``__no_sanitize_address`` 函数属性或通用的 ``noinstr`` 。

请注意，禁用编译器插桩（基于每个文件或每个函数）会使KASAN忽略在软件KASAN模式
的代码中直接发生的访问。当访问是间接发生的（通过调用检测函数）或使用没有编译器
插桩的基于硬件标签的模式时，它没有帮助。

对于软件KASAN模式，要在当前任务的一部分内核代码中禁用KASAN报告，请使用
``kasan_disable_current()``/``kasan_enable_current()`` 部分注释这部分代码。
这也会禁用通过函数调用发生的间接访问的报告。

对于基于标签的KASAN模式（包括硬件模式），要禁用访问检查，请使用
``kasan_reset_tag()`` 或 ``page_kasan_tag_reset()`` 。请注意，通过
``page_kasan_tag_reset()`` 临时禁用访问检查需要通过 ``page_kasan_tag``
/ ``page_kasan_tag_set`` 保存和恢复每页KASAN标签。

测试
~~~~

有一些KASAN测试可以验证KASAN是否正常工作并可以检测某些类型的内存损坏。
测试由两部分组成:

1. 与KUnit测试框架集成的测试。使用 ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST`` 启用。
这些测试可以通过几种不同的方式自动运行和部分验证；请参阅下面的说明。

2. 与KUnit不兼容的测试。使用 ``CONFIG_KASAN_MODULE_TEST`` 启用并且只能作为模块
运行。这些测试只能通过加载内核模块并检查内核日志以获取KASAN报告来手动验证。

如果检测到错误，每个KUnit兼容的KASAN测试都会打印多个KASAN报告之一，然后测试打印
其编号和状态。

当测试通过::

        ok 28 - kmalloc_double_kzfree

当由于 ``kmalloc`` 失败而导致测试失败时::

        # kmalloc_large_oob_right: ASSERTION FAILED at lib/test_kasan.c:163
        Expected ptr is not null, but is
        not ok 4 - kmalloc_large_oob_right

当由于缺少KASAN报告而导致测试失败时::

        # kmalloc_double_kzfree: EXPECTATION FAILED at lib/test_kasan.c:629
        Expected kasan_data->report_expected == kasan_data->report_found, but
        kasan_data->report_expected == 1
        kasan_data->report_found == 0
        not ok 28 - kmalloc_double_kzfree

最后打印所有KASAN测试的累积状态。成功::

        ok 1 - kasan

或者，如果其中一项测试失败::

        not ok 1 - kasan

有几种方法可以运行与KUnit兼容的KASAN测试。

1. 可加载模块

   启用 ``CONFIG_KUNIT`` 后，KASAN-KUnit测试可以构建为可加载模块，并通过使用
   ``insmod`` 或 ``modprobe`` 加载 ``test_kasan.ko`` 来运行。

2. 内置

   通过内置 ``CONFIG_KUNIT`` ，也可以内置KASAN-KUnit测试。在这种情况下，
   测试将在启动时作为后期初始化调用运行。

3. 使用kunit_tool

   通过内置 ``CONFIG_KUNIT`` 和 ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST`` ，还可以使用
   ``kunit_tool`` 以更易读的方式查看KUnit测试结果。这不会打印通过测试
   的KASAN报告。有关 ``kunit_tool`` 更多最新信息，请参阅
   `KUnit文档 <https://www.kernel.org/doc/html/latest/dev-tools/kunit/index.html>`_ 。

.. _KUnit: https://www.kernel.org/doc/html/latest/dev-tools/kunit/index.html