電子發(fā)燒友App
由于虛擬機(jī)的存在，Android應(yīng)用開發(fā)者們通常不用考慮內(nèi)存訪問相關(guān)的錯誤。而一旦我們深入到Native世界中，原本面容和善的內(nèi)存便開始兇惡起來。這時，由于程序員寫法不規(guī)范、邏輯疏漏而導(dǎo)致的內(nèi)存錯誤會統(tǒng)統(tǒng)跳到我們面前，對我們嘲諷一番。
這些錯誤既影響了程序的穩(wěn)定性，也影響了程序的安全性，因為好多惡意代碼就通過內(nèi)存錯誤來完成入侵。不過麻煩的是，Native世界中的內(nèi)存錯誤很難排查，因為很多時候?qū)е聠栴}的地方和發(fā)生問題的地方相隔甚遠(yuǎn)。為了更好地解決這些問題，各路大神紛紛祭出自己手中的神器，相互PK，相互補(bǔ)充。
ASAN（Address Sanitizer）和HWASAN（Hardware-assisted Address Sanitizer）就是這些工具中的佼佼者。
在ASAN出來之前，市面上的內(nèi)存調(diào)試工具要么慢，要么只能檢測部分內(nèi)存錯誤，要么這兩個缺點都有?？傊粔騼?yōu)秀。
HWASAN則是ASAN的升級版，它利用了64位機(jī)器上忽略高位地址的特性，將這些被忽略的高位地址重新利用起來，從而大大降低了工具對于CPU和內(nèi)存帶來的額外負(fù)載。
1. ASAN
ASAN工具包含兩大塊：
插樁模塊（Instrumentation module）
一個運行時庫（Runtime library）
插樁模塊主要會做兩件事：
對所有的memory access都去檢查該內(nèi)存所對應(yīng)的shadow memory的狀態(tài)。這是靜態(tài)插樁，因此需要重新編譯。
為所有棧上對象和全局對象創(chuàng)建前后的保護(hù)區(qū)（Poisoned redzone），為檢測溢出做準(zhǔn)備。
運行時庫也同樣會做兩件事：
替換默認(rèn)路徑的malloc/free等函數(shù)。為所有堆對象創(chuàng)建前后的保護(hù)區(qū)，將free掉的堆區(qū)域隔離（quarantine）一段時間，避免它立即被分配給其他人使用。
對錯誤情況進(jìn)行輸出，包括堆棧信息。
1.1 Shadow Memory
如果想要了解ASAN的實現(xiàn)原理，那么shadow memory將是第一個需要了解的概念。
Shadow memory有一些元數(shù)據(jù)的思維在里面。它雖然也是內(nèi)存中的一塊區(qū)域，但是其中的數(shù)據(jù)僅僅反應(yīng)其他正常內(nèi)存的狀態(tài)信息。所以可以理解為正常內(nèi)存的元數(shù)據(jù)，而正常內(nèi)存中存儲的才是程序真正需要的數(shù)據(jù)。
Malloc函數(shù)返回的地址通常是8字節(jié)對齊的，因此任意一個由（對齊的）8字節(jié)所組成的內(nèi)存區(qū)域必然落在以下9種狀態(tài)之中：最前面的k（0≤k≤8）字節(jié)是可尋址的，而剩下的8-k字節(jié)是不可尋址的。這9種狀態(tài)便可以用shadow memory中的一個字節(jié)來進(jìn)行編碼。
實際上，一個byte可以編碼的狀態(tài)總共有256（2^8）種，因此用在這里綽綽有余。
Shadow memory和normal memory的映射關(guān)系如上圖所示。一個byte的shadow memory反映8個byte normal memory的狀態(tài)。那如何根據(jù)normal memory的地址找到它對應(yīng)的shadow memory呢？
對于64位機(jī)器上的Android而言，二者的轉(zhuǎn)換公式如下：
Shadow memory address = （Normal memory address 》》 3） + 0x100000000
右移三位的目的是為了完成 81的映射，而加一個offset是為了和Normal memory區(qū)分開來。最終內(nèi)存空間種會存在如下的映射關(guān)系：
Bad代表的是shadow memory的shadow memory，因此其中數(shù)據(jù)沒有意義，該內(nèi)存區(qū)域不可使用。
上文中提到，8字節(jié)組成的memory region共有9中狀態(tài)：
1~7個字節(jié)可尋址（共七種），shadow memory的值為1~7。
8個字節(jié)都可尋址，shadow memory的值為0。
0個字節(jié)可尋址，shadow memory的值為負(fù)數(shù)。
為什么0個字節(jié)可尋址的情況shadow memory不為0，而是負(fù)數(shù)呢？是因為0個字節(jié)可尋址其實可以繼續(xù)分為多種情況，譬如：
這塊區(qū)域是heap redzones
這塊區(qū)域是stack redzones
這塊區(qū)域是global redzones
這塊區(qū)域是freed memory
對所有0個字節(jié)可尋址的normal memory region的訪問都是非法的，ASAN將會報錯。而根據(jù)其shadow memory的值便可以具體判斷是哪一種錯。
Shadow byte legend （one shadow byte represents 8 application bytes）： Addressable： 00 Partially addressable： 01 02 03 04 05 06 07 Heap left redzone： fa （實際上Heap right redzone也是fa） Freed Heap region： fd Stack left redzone： f1 Stack mid redzone： f2 Stack right redzone： f3 Stack after return： f5 Stack use after scope： f8 Global redzone： f9 Global init order： f6 Poisoned by user： f7 Container overflow： fc Array cookie： ac Intra object redzone： bb ASan internal： fe Left alloca redzone： ca Right alloca redzone： cb Shadow gap： cc
1.2 檢測算法
ShadowAddr = （Addr 》》 3） + Offset;k = *ShadowAddr;if （k ！= 0 && （（Addr & 7） + AccessSize 》 k）） ReportAndCrash（Addr）;
在每次內(nèi)存訪問時，都會執(zhí)行如上的偽代碼，以判斷此次內(nèi)存訪問是否合規(guī)。
首先根據(jù)normal memory的地址找到對應(yīng)shadow memory的地址，然后取出其中存取的byte值：k。
k！=0，說明Normal memory region中的8個字節(jié)并不是都可以被尋址的。
Addr & 7，將得知此次內(nèi)存訪問是從memory region的第幾個byte開始的。
AccessSize是此次內(nèi)存訪問需要訪問的字節(jié)長度。
（Addr&7）+AccessSize 》 k，則說明此次內(nèi)存訪問將會訪問到不可尋址的字節(jié)。（具體可分為k大于0和小于0兩種情況來分析）
當(dāng)此次內(nèi)存訪問可能會訪問到不可尋址的字節(jié)時，ASAN會報錯并結(jié)合shadow memory中具體的值明確錯誤類型。
1.3 典型錯誤
1.3.1 Use-After-Free
想要檢測UseAfterFree的錯誤，需要有兩點保證：
已經(jīng)free掉的內(nèi)存區(qū)域需要被標(biāo)記成特殊的狀態(tài)。在ASAN的實現(xiàn)里，free掉的normal memory對應(yīng)的shadow memory值為0xfd（猜測有freed的意思）。
已經(jīng)free掉的內(nèi)存區(qū)域需要放入隔離區(qū)一段時間，防止發(fā)生錯誤時該區(qū)域已經(jīng)通過malloc重新分配給其他人使用。一旦分配給其他人使用，則可能漏掉UseAfterFree的錯誤。
測試代碼：
// RUN： clang -O -g -fsanitize=address %t && 。/a.outint main（int argc， char **argv） { int *array = new int［100］; delete ［］ array; return array［argc］; // BOOM}
ASAN輸出的錯誤信息：
===================================================================6254== ERROR： AddressSanitizer： heap-use-after-free on address 0x603e0001fc64 at pc 0x417f6a bp 0x7fff626b3250 sp 0x7fff626b3248READ of size 4 at 0x603e0001fc64 thread T0 #0 0x417f69 in main example_UseAfterFree.cc:5 #1 0x7fae62b5076c （/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6+0x2176c） #2 0x417e54 （a.out+0x417e54）0x603e0001fc64 is located 4 bytes inside of 400-byte region ［0x603e0001fc60，0x603e0001fdf0）freed by thread T0 here： #0 0x40d4d2 in operator delete［］（void*） /home/kcc/llvm/projects/compiler-rt/lib/asan/asan_new_delete.cc:61 #1 0x417f2e in main example_UseAfterFree.cc:4previously allocated by thread T0 here： #0 0x40d312 in operator new［］（unsigned long） /home/kcc/llvm/projects/compiler-rt/lib/asan/asan_new_delete.cc:46 #1 0x417f1e in main example_UseAfterFree.cc:3Shadow bytes around the buggy address： 0x1c07c0003f30： fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa 0x1c07c0003f40： fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa 0x1c07c0003f50： fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa 0x1c07c0003f60： fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa 0x1c07c0003f70： fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa=》0x1c07c0003f80： fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa［fd］fd fd fd 0x1c07c0003f90： fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd 0x1c07c0003fa0： fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd 0x1c07c0003fb0： fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fa fa 0x1c07c0003fc0： fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa 0x1c07c0003fd0： fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
可以看到，=》指向的那行有一個byte數(shù)值用中括號給圈出來了：［fd］。它表示的是此次出錯的內(nèi)存地址對應(yīng)的shadow memory的值。而其之前的fa表示Heap left redzone，它是之前該區(qū)域有效時的遺留產(chǎn)物。連續(xù)的fd總共有50個，每一個shadow memory的byte和8個normal memory byte對應(yīng)，所以可以知道此次free的內(nèi)存總共是50×8=400bytes。這一點在上面的log中也得到了驗證，截取出來展示如下：
0x603e0001fc64 is located 4 bytes inside of 400-byte region ［0x603e0001fc60，0x603e0001fdf0）
此外，ASAN的log中不僅有出錯時的堆棧信息，還有該內(nèi)存區(qū)域之前free時的堆棧信息。因此我們可以清楚地知道該區(qū)域是如何被釋放的，從而快速定位問題，解決問題。
1.3.2 Heap-Buffer-Overflow
想要檢測HeapBufferOverflow的問題，只需要保證一點：
正常的Heap前后需要插入一定長度的安全區(qū)，而且此安全區(qū)對應(yīng)的shadow memory需要被標(biāo)記為特殊的狀態(tài)。在ASAN的實現(xiàn)里，安全區(qū)被標(biāo)記為0xfa。
測試代碼：
ASAN輸出的錯誤信息：
1405==ERROR： AddressSanitizer： heap-buffer-overflow on address 0x0060bef84165 at pc 0x0058714bfb24 bp 0x007fdff09590 sp 0x007fdff09588WRITE of size 1 at 0x0060bef84165 thread T0 #0 0x58714bfb20 （/system/bin/bootanimation+0x8b20） #1 0x7b434cd994 （/apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so+0x7e994）
0x0060bef84165 is located 1 bytes to the right of 100-byte region ［0x0060bef84100，0x0060bef84164）allocated by thread T0 here： #0 0x7b4250a1a4 （/system/lib64/libclang_rt.asan-aarch64-android.so+0xc31a4） #1 0x58714bfac8 （/system/bin/bootanimation+0x8ac8） #2 0x7b434cd994 （/apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so+0x7e994） #3 0x58714bb04c （/system/bin/bootanimation+0x404c） #4 0x7b45361b04 （/system/bin/bootanimation+0x54b04）
SUMMARY： AddressSanitizer： heap-buffer-overflow （/system/bin/bootanimation+0x8b20） Shadow bytes around the buggy address： 0x001c17df07d0： fa fa fa fa fa fa fa fa fd fd fd fd fd fd fd fd 0x001c17df07e0： fd fd fd fd fd fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa 0x001c17df07f0： fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fd fa fa fa 0x001c17df0800： fa fa fa fa fa fa fa fa fd fd fd fd fd fd fd fd 0x001c17df0810： fd fd fd fd fd fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa=》0x001c17df0820： 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00［04］fa fa fa 0x001c17df0830： fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa 0x001c17df0840： fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa 0x001c17df0850： fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa 0x001c17df0860： fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa 0x001c17df0870： fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
可以看到最終出錯的shadow memory值為0x4，表示該shadow memroy對應(yīng)的normal memory中只有前4個bytes是可尋址的。0x4的shadow memory前還有12個0x0，表示其前面的12個memory region（每個region有8個byte）都是完全可尋址的。因此所有可尋址的大小=12×8+4=100，正是代碼中malloc的size。之所以此次訪問會出錯，是因為地址0x60bef84165意圖訪問最后一個region的第五個byte，而該region只有前四個byte可尋址。由于0x4后面是0xfa，因此此次錯誤屬于HeapBufferOverflow。
1.4 缺陷
自從2011年誕生以來，ASAN已經(jīng)成功地參與了眾多大型項目，譬如Chrome和Android。雖然它的表現(xiàn)很突出，但仍然有些地方不盡如人意，重點表現(xiàn)在以下幾點：
ASAN的運行是需要消耗memory和CPU資源的，此外它也會增加代碼大小。它的性能相比于之前的工具確實有了質(zhì)的提升，但仍然無法適用于某些壓力測試場景，尤其是需要全局打開的時候。這一點在Android上尤為明顯，每當(dāng)我們想要全局打開ASAN調(diào)試某些奇葩問題時，系統(tǒng)總會因為負(fù)載過重而跑不起來。
ASAN對于UseAfterFree的檢測依賴于隔離區(qū)，而隔離時間是非永久的。也就意味著已經(jīng)free的區(qū)域過一段時間后又會重新被分配給其他人。當(dāng)它被重新分配給其他人后，原先的持有者再次訪問此塊區(qū)域?qū)⒉粫箦e。因為這一塊區(qū)域的shadow memory不再是0xfd。所以這算是ASAN漏檢的一種情況。
ASAN對于overflow的檢測依賴于安全區(qū)，而安全區(qū)總歸是有大小的。它可能是64bytes，128bytes或者其他什么值，但不管怎么樣終歸是有限的。如果某次踩踏跨過了安全區(qū)，踩踏到另一片可尋址的內(nèi)存區(qū)域，ASAN同樣不會報錯。這是ASAN的另一種漏檢。
2.HWASAN
HWASAN是ASAN工具的“升級版”，它基本上解決了上面所說的ASAN的3個問題。但是它需要64位硬件的支持，也就是說在32位的機(jī)器上該工具無法運行。
AArch64是64位的架構(gòu)，指的是寄存器的寬度是64位，但并不表示內(nèi)存的尋址范圍是2^64。真實的尋址范圍和處理器內(nèi)部的總線寬度有關(guān)，實際上ARMv8尋址只用到了低48位。也就是說，一個64bit的指針值，其中真正用于尋址的只有低48位。那么剩下的高16位干什么用呢？答案是隨意發(fā)揮。AArch64擁有地址標(biāo)記（Address tagging， or top-byte-ignore）的特性，它表示允許軟件使用64bit指針值的高8位開發(fā)特定功能。
HWASAN用這8bit來存儲一塊內(nèi)存區(qū)域的標(biāo)簽（tag）。接下來我們以堆內(nèi)存示例，展示這8bit到底如何起作用。
堆內(nèi)存通過malloc分配出來，HWASAN在它返回地址時會更改該有效地址的高8位。更改的值是一個隨機(jī)生成的單字節(jié)值，譬如0xaf。此外，該分配出來的內(nèi)存對應(yīng)的shadow memory值也設(shè)為0xaf。需要注意的是，HWASAN中normal memory和shadow memory的映射關(guān)系是161，而ASAN中二者的映射關(guān)系是81。
以下分別討論UseAfterFree和HeapOverFlow的情況。
2.1 Use-After-Free
當(dāng)一個堆內(nèi)存被分配出來時，返回給用戶空間的地址便已經(jīng)帶上了標(biāo)簽（存儲于地址的高8位）。之后通過該地址進(jìn)行內(nèi)存訪問，將先檢測地址中的標(biāo)簽值和訪問地址對應(yīng)的shadow memory的值是否相等。如果相等則驗證通過，可以進(jìn)行正常的內(nèi)存訪問。
當(dāng)該內(nèi)存被free時，HWASAN會為該塊區(qū)域分配一個新的隨機(jī)值，存儲于其對應(yīng)的shadow memory中。如果此后再有新的訪問，則地址中的標(biāo)簽值必然不等于shadow memory中存儲的新的隨機(jī)值，因此會有錯誤產(chǎn)生。通過如下圖示可以很好地明白這一點（圖中只用了4bit記錄標(biāo)記值，但不影響理解，8bit標(biāo)記值的檢測和它一致）。
2.2 Heap-Over-Flow
想要檢測HeapOverFlow，有一個前提需要滿足：相鄰的memory區(qū)域需要有不同的shadow memory值，否則將無法分辨兩個不同的memory區(qū)域。為每個memory區(qū)域隨機(jī)分配將有概率讓兩個相鄰區(qū)域具有同樣的shadow memory值，雖然概率比較小，但總歸是個缺陷。因此工具中會有其他邏輯保證這個前提。
下圖展示了HeapOverFlow的檢測過程。指針p的標(biāo)簽和訪問的地址p［32］所對應(yīng)的shadow memory值不一致，因此報錯（圖中只用了4bit記錄標(biāo)記值，但不影響理解，8bit標(biāo)記值的檢測和它一致）。
2.3 錯誤信息示例
Abort message： ‘==12528==ERROR： HWAddressSanitizer： tag-mismatch on address 0x003d557e2c20 at pc 0x00748b4a6918READ of size 4 at 0x003d557e2c20 tags： d1/9b （ptr/mem） in thread T0 #0 0x748b4a6914 （/system/lib64/libutils.so+0x11914） #1 0x748a521bdc （/apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so+0x121bdc） #2 0x748a51ad7c （/apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so+0x11ad7c） #3 0x748a47f830 （/apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so+0x7f830）
［0x003d557e2c20，0x003d557e2c80） is a small unallocated heap chunk; size： 96 offset： 0Thread： T0 0x006b00002000 stack： ［0x007fcd371000，0x007fcdb71000） sz： 8388608 tls： ［0x000000000000，0x000000000000）HWAddressSanitizer can not describe address in more detail.Memory tags around the buggy address （one tag corresponds to 16 bytes）： e1 e1 e1 e1 83 83 83 83 83 00 a3 a3 a3 a3 a3 a3 b7 b7 b7 b7 b7 00 01 01 01 01 01 00 95 95 95 95 95 00 ec ec ec ec ec 00 c8 c8 c8 c8 c8 00 21 21 21 21 21 00 cb cb cb cb cb 00 b8 b8 b8 b8 b8 00 14 14 14 14 14 14 b9 b9 b9 b9 b9 b9 89 89 89 89 89 89 95 95 95 95 95 95 47 47 47 47 47 00 fe fe fe fe fe 00 c5 c5 c5 c5 c5 00 8e 8e 8e 8e 8e 8e 5c 5c 5c 5c 5c 5c af af af af af af b0 b0 b0 b0=》 b0 b0 ［9b］ 9b 9b 9b 9b 9b 1f 1f 1f 1f 1f 1f 69 69 《= 69 69 69 a0 7a 7a 7a 7a 7a ff eb eb eb eb eb eb 16 16 16 16 16 16 81 81 81 81 81 81 7f 7f 7f 7f 7f 7f 57 57 57 57 57 57 e0 e0 e0 e0 e0 e0 94 94 94 94 94 00 35 35 35 35 35 35 98 98 98 98 98 00 7d 7d 7d 7d 7d 7d 6e 6e 6e 6e 6e 6e 59 59 59 59 59 59 8e 8e 8e 8e 8e 8e 6d 6d 6d 6d 6d 6d 69 69 69 69 69 69 d5 d5 d5 d5 d5 d5 63 63 63 63 63 63
0x9b總共有6個，因此該memory區(qū)域的總長為6×16=96，與上述提示一致。
［0x003d557e2c20，0x003d557e2c80） is a small unallocated heap chunk; size： 96
2.4 優(yōu)缺點
和ASAN相比，HWASAN具有如下缺點：
可移植性較差，只適用于64位機(jī)器。
需要對Linux Kernel做一些改動以支持工具。
對于所有錯誤的檢測將有一定概率false negative（漏掉一些真實的錯誤），概率為1/256。原因是tag的生成只能從256（2^8）個數(shù)中選一個，因此不同地址的tag將有可能相同。
不過相對于這些缺點，HWASAN所擁有的優(yōu)點更加引人注目：
不再需要安全區(qū)來檢測buffer overflow，既極大地降低了工具對于內(nèi)存的消耗，也不會出現(xiàn)ASAN中某些overflow檢測不到的情況。
不再需要隔離區(qū)來檢測UseAfterFree，因此不會出現(xiàn)ASAN中某些UseAfterFree檢測不到的情況。
2.5 一個難題
上述的討論其實回避了一個問題：如果一個16字節(jié)的memory region中只有前幾個字節(jié)可尋址（假設(shè)是5），那么其對應(yīng)的shadow memory值也是5。這時，如果用地址去訪問該region的第2個字節(jié)，那么如何判斷訪問是否合規(guī)呢？
此時直接對比地址的tag和shadow memory的值肯定是不行的，因為此時的shadow memory值含義發(fā)生了變化，它不再是一個類似于tag的隨機(jī)值，而是memory region中可訪問字節(jié)的數(shù)目。
為了解決這個難題，HWASAN在這種情況下將memory region的隨機(jī)值保存在最后一個字節(jié)中。所以即便地址的tag和shadow memory的值不等，但只要和memory region中最后一個字節(jié)相等，也表明該訪問合法。
? ? ? ?責(zé)任編輯:pj
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