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基于SLUB的DEBUG功能,如何幫忙檢測內(nèi)存越界和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存

Linux閱碼場 ? 2018-02-08 14:11 ? 次閱讀

本文簡介:SLAB內(nèi)存分配器-SLUB的DEBUG功能,如何幫忙檢測內(nèi)存越界(out-of-bounds)和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存(use-after-free)。本文目錄:

1. 前言

2. SLUB DEBUG功能

3. object layout

4. SLUB DEBUG原理

5. slabinfo

1. 前言

在工作中,經(jīng)常會遇到由于越界導(dǎo)致的各種奇怪的問題。為什么越界訪問導(dǎo)致的問題很奇怪呢?在工作差不多半年的時間里我就遇到了很多越界訪問導(dǎo)致的問題(不得不吐槽下IC廠商提供的driver,總是隱藏著bug)。比如說越界訪問導(dǎo)致的死機(jī)問題,這種問題的出現(xiàn)一般需要長時間測試才能發(fā)現(xiàn),而且發(fā)現(xiàn)的時候即使有panic log。你也沒什么頭緒。這是為什么呢?假設(shè)驅(qū)動A通過kmalloc()申請了一段內(nèi)存,不注意越界改寫了與其相鄰的object的數(shù)據(jù)(經(jīng)過我之前一篇SLUB的文章分析,你應(yīng)該明白kmalloc基于kmem_cache實(shí)現(xiàn)的),假設(shè)被改寫的object是B驅(qū)動使用的,巧合B驅(qū)動使用object存儲的是地址數(shù)據(jù),如果B驅(qū)動訪問這個地址。那么完了,B驅(qū)動死了,panic也是怪B驅(qū)動。試想一下,這塊被改寫的object是哪個驅(qū)動使用,是不是哪個驅(qū)動就倒霉了?并且每一次死機(jī)的log中panic極有可能發(fā)生在不同的模塊。但是真正的元兇卻是A驅(qū)動,他沒事你還不知道,是不是很恐怖?簡直是借刀殺人啊!

當(dāng)然,越界訪問也不一定會死機(jī)。之前就遇到一個很奇怪的問題。有兩個全局?jǐn)?shù)組變量(用作存儲字符串)分別被模塊C和D使用。這兩個數(shù)組是上層需要顯示的name信息。當(dāng)C和D模塊都工作的時候,發(fā)現(xiàn)C模塊的name顯示不對,但是D模塊的name顯示正常。將D模塊remove,發(fā)現(xiàn)C模塊的name顯示正確。當(dāng)時看了下System.map文件,發(fā)現(xiàn)這兩個全局?jǐn)?shù)組變量分配的內(nèi)存是在一起的,由于D模塊越界寫導(dǎo)致的。而這種情況就不會死機(jī)。但是當(dāng)你遇到這種情況的時候,你很驚訝,怎么會這樣?兩個模塊之間根本就沒關(guān)系啊!如果完全不借助檢測工具去查找問題是相當(dāng)費(fèi)時間的。而且有可能還沒什么頭緒。

這種問題我們該怎么定位?因此我們遇到一種debug的手段,可以檢測out-of-bounds(oob)問題。剛才的第一種情況就可以SLUB自帶debug功能。針對第二種情況就需要借助更加強(qiáng)大的KASAN工具(后續(xù)會有文章介紹)。

因此,我們需要一種debug手段幫助我們定位問題。SLUB DEBUG就是其中的一種。但是SLUB DEBUG僅僅針對從slub分配器分配的內(nèi)存,如果你需要檢測從棧中或者數(shù)據(jù)區(qū)分配內(nèi)存的問題,就不行了。當(dāng)然了,你可以選擇KASAN。本文主要關(guān)注SLUB DEBUG的原理,如何定位這些問題的。

SLUB DEBUG檢測oob問題原理也很簡單,既然為了發(fā)現(xiàn)是否越界,那么就在分配出去的內(nèi)存尾部添加一段額外的內(nèi)存,填充特殊數(shù)字(magic num)。我們只需要檢測這塊額外的內(nèi)存的數(shù)據(jù)是否被修改就可以知道是否發(fā)生了oob情況。而這段額外的內(nèi)存就叫做Redzone。直譯過來“紅色區(qū)域”是不是有種神圣不可侵犯的感覺。

說明:slab是最早加入linux的,在那時只有slab的存在。隨著時間的推移slub出現(xiàn)了,slub是在slab基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn),在大型機(jī)上表現(xiàn)出色。而slob是針對小型系統(tǒng)設(shè)計的。由于slub實(shí)現(xiàn)的接口和slab接口保持一致(雖然你用的是slub分配器,但是很多函數(shù)名稱和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還是依然和slab一致),所以有時候用slab來統(tǒng)稱slab, slub和slob。slab, slub和slob僅僅是分配內(nèi)存策略不同。管理的思想基本一致。本篇文章中說的是slub分配器debug原理。但是針對分配器管理的內(nèi)存,下文統(tǒng)稱為slab緩存池。所以文章中slub和slab會混用,表示同一個意思。

注:文章代碼分析基于linux-4.15.0-rc3。

2.SLUB DEBUG功能

SLUB DEBUG可以檢測內(nèi)存越界(out-of-bounds)和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存(use-after-free)等問題。

1.1. 如何打開功能

重新配置kernel選項,打開如下選項即可。

CONFIG_SLUB=y

CONFIG_SLUB_DEBUG=y

CONFIG_SLUB_DEBUG_ON=y

1.2. 如何使用

程序中的bug如果想用SLUB DEBUG去檢測,還需要slabinfo命令。因?yàn)椋琒LUB內(nèi)存檢測功能在某些情況下不能立刻檢測出來,必須主動觸發(fā),因此我們需要借助slabinfo命令觸發(fā)SLUB allocator檢測功能。和KASAN相比較而言,這也是SLUB DEBUG的一個劣勢。畢竟KASAN可以做到在越界問題出現(xiàn)時就報出問題。

slabinfo工具源碼位于tools/vm目錄。可以使用如下命令編譯slabinfo工具(針對ARM64 architecture)。

aarch64-linux-gnu-gcc -o slabinfo slabinfo.c

當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)之后,就可以運(yùn)行slaninfo –v命令觸發(fā)SLUB allocator檢測所有的object,并將log信息輸出到syslog。接下來的任務(wù)就是查看log信息是否包含SLUB allocator輸出的bug log。其實(shí)有些bug是不需要運(yùn)行slabinfo命令即可捕捉,但是有些卻必須使用slabinfo –v命令才可以。下一節(jié)將會介紹SLUB DEBUG的原理,為你揭開哪些bug不需要slabinfo命令。

3. object layout

配置kernel選項CONFIG_SLUB_DEBUG_ON后,在創(chuàng)建kmem_cache的時候會傳遞很多flags(SLAB_CONSISTENCY_CHECKS、SLAB_RED_ZONE、SLAB_POISON、SLAB_STORE_USER)。針對這些flags,SLUB allocator管理的object對象的format將會發(fā)生變化。如下圖所示。

基于SLUB的DEBUG功能,如何幫忙檢測內(nèi)存越界和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存

SLUB DEBUG關(guān)閉的情況下,free pointer是內(nèi)嵌在object之中的,但是SLUB DEBUG打開之后,free pointer是在object之外,并且多了很多其他的內(nèi)存,例如red zone、trace和red_left_pad等。這里之所以將FP后移就是因?yàn)闉榱藱z測use-after-free問題,當(dāng)free object時會在將object填充magic num(0x6b)。如果不后移的話,豈不是破壞了object之間的單鏈表關(guān)系。

3.1. Red zone有什么用

從圖中我們可以看到在object后面緊接著就是Red zone區(qū)域,那么Red zone有什么作用呢?既然緊隨其后,自然是檢測右邊界越界訪問(right out-of-bounds access)。原理很簡單,在Red zone區(qū)域填充magic num,檢查Red zone區(qū)域數(shù)據(jù)是否被修改即可知道是否發(fā)生right oob。

可能你會想到如果越過Redzone,直接改寫了FP,豈不是檢測不到oob了,并且鏈表結(jié)構(gòu)也被破壞了。其實(shí)在check_object()函數(shù)中會調(diào)用check_valid_pointer()來檢查FP是否valid,如果invalid,同樣會print error syslog。

3.2. padding有什么用

padding是sizeof(void *) bytes的填充區(qū)域,在分配slab緩存池時,會將所有的內(nèi)存填充0x5a。同樣在free/alloc object的時候作為檢測的一種途徑。如果padding區(qū)域的數(shù)據(jù)不是0x5a,就代表發(fā)生了“Object padding overwritten”問題。這也是有可能,越界跨度很大。

3.3. red_left_pad有什么用

red_left_pad和Red zone的作用一致。都是為了檢測oob。區(qū)別就是Red zone檢測right oob,而red_left_pad是檢測left oob。如果僅僅看到上面圖片中object layout。你可能會好奇,如果發(fā)生left oob,那么應(yīng)該是前一個object的red_left_pad區(qū)域被改寫,而不是當(dāng)前object的red_left_pad。如果你注意到這個問題,還是很機(jī)智的,這都被你發(fā)現(xiàn)了。為了避免這種情況的發(fā)生,SLUB allocator在初始化slab緩存池的時候會做一個轉(zhuǎn)換。

基于SLUB的DEBUG功能,如何幫忙檢測內(nèi)存越界和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存

如果你去追蹤kmem_cache_create(),在calculate_sizes()中布局object。區(qū)域劃分的layout就如同你看到上圖的上半部分。當(dāng)我第一次看到這段代碼的時候,我也這么認(rèn)為。實(shí)際上卻不是這樣的。在struct page結(jié)構(gòu)中有一個freelist指針,freelist會指向第一個available object。在構(gòu)建object之間的單鏈表的時候,object首地址實(shí)際上都會加上一個red_left_pad的偏移,這樣實(shí)際的layout就如同圖片中轉(zhuǎn)換之后的layout。為什么會這樣呢?因?yàn)樵谟蠸LUB DEBUG功能的時候,并沒有檢測left oob功能。這種轉(zhuǎn)換是后續(xù)一個補(bǔ)丁的修改。補(bǔ)丁就是為了增加left oob檢測功能。

做了轉(zhuǎn)換之后的red_left_pad就可以檢測leftoob。檢測的方法和Red zone區(qū)域一樣,填充的magic num也一樣,差別只是檢測的區(qū)域不一樣而已。

4. SLUB DEBUG原理

經(jīng)過上一節(jié)分析應(yīng)該很清楚了大概的原理了。從high level考慮,SLUB就是利用特殊區(qū)域填充特殊的magic num,在每一次alloc/free的時候檢查magic num是否被意外修改。

4.1. magic num

SLUB 中有哪些magic num呢?所有使用的magic num都宏定義在include/linux/poison.h文件。

基于SLUB的DEBUG功能,如何幫忙檢測內(nèi)存越界和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存

SLUB_RED_INACTIVE和SLUB_RED_ACTIVE用來填充Red zone和red_left_pad,目的是檢測oob。POISON_INUSE用來填充padding區(qū)域,同樣可以用來檢測oob,只不過是poison overwrite。POISON_FREE作用是檢測use-after-free問題。POISON_END是object可用區(qū)域的最后一個字節(jié)填充。

4.2. slab緩存池填充

當(dāng)SLUB allocator申請一塊內(nèi)存作為slab 緩存池的時候,會將整塊內(nèi)存填充POISON_INUSE。如下圖所示。

然后通過init_object()函數(shù)將相關(guān)的區(qū)域填充成free object的情況,并且建立單鏈表。注意freelist指針指向的位置,SLUB_DEBUG on和off的情況下是不一樣的。主要就是3.3節(jié)提到的轉(zhuǎn)換關(guān)系。為什么這里填充成freeobject的情況呢?其實(shí)就是為了假裝我這里都是free的object,也是符合情理的。object初始化流程如下。

基于SLUB的DEBUG功能,如何幫忙檢測內(nèi)存越界和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存

4.3. free objectlayout

剛分配slab緩存池和free object之后,系統(tǒng)都會通過調(diào)用init_object()函數(shù)初始化object各個區(qū)域,主要是填充magic num。free object layout如下圖所示。

基于SLUB的DEBUG功能,如何幫忙檢測內(nèi)存越界和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存

red_left_pad和Red zone填充了SLUB_RED_INACTIVE(0xbb);

object填充了POISON_FREE(0x6b),但是最后一個byte填充POISON_END(0xa5);

padding在allocate_slab的時候就已經(jīng)被填充POISON_INUSE(0x5a),如果程序意外改變,當(dāng)檢測到padding被改變的時候,會output error syslog并繼續(xù)填充0x5a。

4.4. alloc object layout

當(dāng)從SLUB allocator申請一個object時,系統(tǒng)同樣會調(diào)用init_object()初始化成想要的模樣。alloc object layout如下圖所示。

基于SLUB的DEBUG功能,如何幫忙檢測內(nèi)存越界和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存

red_left_pad和Red zone填充了SLUB_RED_ACTIVE(0xcc);

object填充了POISON_FREE(0x6b),但是最后一個byte填充POISON_END(0xa5);

padding在allocate_slab的時候就已經(jīng)被填充POISON_INUSE(0x5a),如果程序意外改變,當(dāng)檢測到padding被改變的時候,會output error syslog并繼續(xù)填充0x5a。

alloc object layout和free object layout相比較而言,也僅僅是red_left_pad和Red zone的不同。既然該填充的數(shù)據(jù)都搞定了,下面就是如何檢查oob、use-after-free等問題了。

4.5. out-of-bounds bugs detect

下面使用demo例程來說明oob檢測。我們使用kmalloc分配32 bytes內(nèi)存,然后制造越界訪問第33個元素,必然會越界訪問。由于kmalloc是基于SLUB allocator,因此此bug可以檢測。

基于SLUB的DEBUG功能,如何幫忙檢測內(nèi)存越界和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存

運(yùn)行后的object layout如下圖所示。

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我們可以看到,Red zone區(qū)域本來應(yīng)該0xcc的地方被修改成了0x88。很明顯這是一個Redzone overwritten問題。那么系統(tǒng)什么時候會檢測到這個嚴(yán)重的bug呢?就在你kfree()之后。kfree()中會去檢測釋放的object中各個區(qū)域的值是否valid。Redzone區(qū)域的值全是0xcc就是valid,因此這里會檢測0x88不是0xcc,進(jìn)而輸出errorsyslog。kfree()最終會調(diào)用free_consistency_checks()檢測object。free_consistency_checks()函數(shù)如下。

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check_valid_pointer()負(fù)責(zé)檢測object的free pointer指針數(shù)據(jù)是否valid。oob是有可能導(dǎo)致這種情況得到發(fā)生。

on_freelist()檢測object是否已經(jīng)free,可以檢測多次free的bug。

check_object()會檢測Red zone區(qū)域的數(shù)值是否被改變,因此這里就會報出bug。

如果是左邊界越界訪問,是否也同樣可以檢測出呢?可以測試以下demo例程。

基于SLUB的DEBUG功能,如何幫忙檢測內(nèi)存越界和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存

運(yùn)行后的object layout如下圖所示。

基于SLUB的DEBUG功能,如何幫忙檢測內(nèi)存越界和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存

檢測方法大同小異,這里也是最終在free_consistency_checks()函數(shù)中通過檢測red_left_pad區(qū)域發(fā)現(xiàn)left oob問題。

可能你會想如果我只申請內(nèi)存不釋放的話,這個bug還能檢測到嗎?其實(shí)這里是不行的。我們只能借助slabinfo工具主動觸發(fā)檢測功能。所以,這也是SLUB DEBUG的一個劣勢,它不能做到動態(tài)監(jiān)測。它的檢測機(jī)制是被動的。

4.6. use-after-free bugs detect

如果是use-after-free問題,我們該如何檢測呢?首先上demo例程。

基于SLUB的DEBUG功能,如何幫忙檢測內(nèi)存越界和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存

運(yùn)行之后object layout如下圖所示。

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還記得上面說的嗎?SLUB DEBUG是被動的。因此這里就要選擇slabinfo工具了。命令中斷輸入slabinfo –v即可。slabinfo檢測的原理也很簡單,便利所有已經(jīng)釋放的object,檢查object區(qū)域是否全是0x6b(最后一個字節(jié)oxa5)即可,如果不是的話,自然就是use-after-free。

5. slabinfo

我們看一下slabinfo –v命令的實(shí)現(xiàn)方式以及檢查的流程。slabinfo源碼位于tools/vm/slabinfo.c文件。slabinfo –v命令執(zhí)行流程如下圖所示。

基于SLUB的DEBUG功能,如何幫忙檢測內(nèi)存越界和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存

針對系統(tǒng)中每一個slab都會執(zhí)行set_obj()函數(shù)。set_obj()代碼如下:

基于SLUB的DEBUG功能,如何幫忙檢測內(nèi)存越界和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存

set_obj()參數(shù)name傳遞的是“validate”,n傳遞的是1。作用就是向/sys/kernel/slab// validate節(jié)點(diǎn)寫“1”觸發(fā)slab檢測功能。根據(jù)validate節(jié)點(diǎn)找到寫入口函數(shù)validate_store()。調(diào)用函數(shù)執(zhí)行流如下圖所示。

基于SLUB的DEBUG功能,如何幫忙檢測內(nèi)存越界和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存

validate_slab()代碼如下:

基于SLUB的DEBUG功能,如何幫忙檢測內(nèi)存越界和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存

check_slab()會調(diào)用slab_pad_check()檢查slab padding區(qū)域。slab padding和object里面的pading不是一回事。如果說從buddy system分配的頁按照SLUB規(guī)則平分成很多object,那么有可能不能整除,那么剩下的unused區(qū)域就是slab padding。valid的數(shù)值是0x5a。如下圖所示。

get_map()利用bitmap標(biāo)記所有的available object。例如,slab緩存池一共有10個對象,按地址大小排序標(biāo)號0-9(相當(dāng)于index)。假設(shè)5和8號object已經(jīng)被分配出去。那么bitmap中除了bit5和bit8以為,其余位為1。

第一個for循環(huán)遍歷所有的available object是否有oob、use-after-free、object padding overwritten等問題發(fā)生。

第二個for循環(huán)遍歷所有已經(jīng)分配出去的object是否發(fā)生oob問題。

基于SLUB的DEBUG功能,如何幫忙檢測內(nèi)存越界和訪問已經(jīng)釋放的內(nèi)存

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原文標(biāo)題:宋牧春: Linux內(nèi)核slab內(nèi)存的越界檢查——SLUB_DEBUG

文章出處:【微信號:LinuxDev,微信公眾號:Linux閱碼場】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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    malloc在申請內(nèi)存的時候,需要指定內(nèi)存的大小,申請成功則返回這塊內(nèi)存的地址,但是free的時候,只需要指定釋放內(nèi)存的起始地址,系統(tǒng)就知
    的頭像 發(fā)表于 09-15 17:05 ?1651次閱讀
    free在<b class='flag-5'>釋放</b><b class='flag-5'>內(nèi)存</b>的時候,為什么不需要指定<b class='flag-5'>內(nèi)存</b>的大小?

    如何使用valgrind對代碼進(jìn)行內(nèi)存泄露檢測

    代碼可能存在 內(nèi)存泄露 怎么辦? 使用 valgrind 可以對代碼進(jìn)行內(nèi)存泄露檢測。 valgrind下載安裝 安裝: 1 、tar –jxvf valgrind- 3 . 21 . 0
    的頭像 發(fā)表于 10-04 14:56 ?852次閱讀
    如何使用valgrind對代碼進(jìn)行<b class='flag-5'>內(nèi)存</b>泄露<b class='flag-5'>檢測</b>

    常用的解決內(nèi)存錯誤的方法

    1. 內(nèi)存管理功能問題 由于C++語言對內(nèi)存有主動控制權(quán),內(nèi)存使用靈活和效率高,但代價是不小心使用就會導(dǎo)致以下內(nèi)存錯誤: ? memory
    的頭像 發(fā)表于 11-10 15:29 ?1493次閱讀
    常用的解決<b class='flag-5'>內(nèi)存</b>錯誤的方法
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