lib/Transforms/Instrumentation/SanitizerCoverage.cpp

   1 //===-- SanitizerCoverage.cpp - coverage instrumentation for sanitizers ---===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
   6 // License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9 //
  10 // Coverage instrumentation that works with AddressSanitizer
  11 // and potentially with other Sanitizers.
  12 //
  13 // We create a Guard variable with the same linkage
  14 // as the function and inject this code into the entry block (CoverageLevel=1)
  15 // or all blocks (CoverageLevel>=2):
  16 // if (Guard < 0) {
  17 //    __sanitizer_cov(&Guard);
  18 // }
  19 // The accesses to Guard are atomic. The rest of the logic is
  20 // in __sanitizer_cov (it's fine to call it more than once).
  21 //
  22 // With CoverageLevel>=3 we also split critical edges this effectively
  23 // instrumenting all edges.
  24 //
  25 // CoverageLevel>=4 add indirect call profiling implented as a function call.
  26 //
  27 // This coverage implementation provides very limited data:
  28 // it only tells if a given function (block) was ever executed. No counters.
  29 // But for many use cases this is what we need and the added slowdown small.
  30 //
  31 //===----------------------------------------------------------------------===//
  32
  33 #include "llvm/Transforms/Instrumentation.h"
  34 #include "llvm/ADT/ArrayRef.h"
  35 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
  36 #include "llvm/IR/CallSite.h"
  37 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
  38 #include "llvm/IR/Function.h"
  39 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
  40 #include "llvm/IR/InlineAsm.h"
  41 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
  42 #include "llvm/IR/MDBuilder.h"
  43 #include "llvm/IR/Module.h"
  44 #include "llvm/IR/Type.h"
  45 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  46 #include "llvm/Support/Debug.h"
  47 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  48 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  49 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
  50 #include "llvm/Transforms/Utils/ModuleUtils.h"
  51
  52 using namespace llvm;
  53
  54 #define DEBUG_TYPE "sancov"
  55
  56 static const char *const kSanCovModuleInitName = "__sanitizer_cov_module_init";
  57 static const char *const kSanCovName = "__sanitizer_cov";
  58 static const char *const kSanCovWithCheckName = "__sanitizer_cov_with_check";
  59 static const char *const kSanCovIndirCallName = "__sanitizer_cov_indir_call16";
  60 static const char *const kSanCovTraceEnter = "__sanitizer_cov_trace_func_enter";
  61 static const char *const kSanCovTraceBB = "__sanitizer_cov_trace_basic_block";
  62 static const char *const kSanCovModuleCtorName = "sancov.module_ctor";
  63 static const uint64_t    kSanCtorAndDtorPriority = 2;
  64
  65 static cl::opt<int> ClCoverageLevel("sanitizer-coverage-level",
  66        cl::desc("Sanitizer Coverage. 0: none, 1: entry block, 2: all blocks, "
  67                 "3: all blocks and critical edges, "
  68                 "4: above plus indirect calls"),
  69        cl::Hidden, cl::init(0));
  70
  71 static cl::opt<unsigned> ClCoverageBlockThreshold(
  72     "sanitizer-coverage-block-threshold",
  73     cl::desc("Use a callback with a guard check inside it if there are"
  74              " more than this number of blocks."),
  75     cl::Hidden, cl::init(500));
  76
  77 static cl::opt<bool>
  78     ClExperimentalTracing("sanitizer-coverage-experimental-tracing",
  79                           cl::desc("Experimental basic-block tracing: insert "
  80                                    "callbacks at every basic block"),
  81                           cl::Hidden, cl::init(false));
  82
  83 // Experimental 8-bit counters used as an additional search heuristic during
  84 // coverage-guided fuzzing.
  85 // The counters are not thread-friendly:
  86 //   - contention on these counters may cause significant slowdown;
  87 //   - the counter updates are racy and the results may be inaccurate.
  88 // They are also inaccurate due to 8-bit integer overflow.
  89 static cl::opt<bool> ClUse8bitCounters("sanitizer-coverage-8bit-counters",
  90                                        cl::desc("Experimental 8-bit counters"),
  91                                        cl::Hidden, cl::init(false));
  92
  93 namespace {
  94
  95 class SanitizerCoverageModule : public ModulePass {
  96  public:
  97    SanitizerCoverageModule(int CoverageLevel = 0)
  98        : ModulePass(ID),
  99          CoverageLevel(std::max(CoverageLevel, (int)ClCoverageLevel)) {}
 100   bool runOnModule(Module &M) override;
 101   bool runOnFunction(Function &F);
 102   static char ID;  // Pass identification, replacement for typeid
 103   const char *getPassName() const override {
 104     return "SanitizerCoverageModule";
 105   }
 106
 107  private:
 108   void InjectCoverageForIndirectCalls(Function &F,
 109                                       ArrayRef<Instruction *> IndirCalls);
 110   bool InjectCoverage(Function &F, ArrayRef<BasicBlock *> AllBlocks,
 111                       ArrayRef<Instruction *> IndirCalls);
 112   void SetNoSanitizeMetada(Instruction *I);
 113   void InjectCoverageAtBlock(Function &F, BasicBlock &BB, bool UseCalls);
 114   Function *SanCovFunction;
 115   Function *SanCovWithCheckFunction;
 116   Function *SanCovIndirCallFunction;
 117   Function *SanCovModuleInit;
 118   Function *SanCovTraceEnter, *SanCovTraceBB;
 119   InlineAsm *EmptyAsm;
 120   Type *IntptrTy;
 121   LLVMContext *C;
 122
 123   GlobalVariable *GuardArray;
 124   GlobalVariable *EightBitCounterArray;
 125
 126   int CoverageLevel;
 127 };
 128
 129 }  // namespace
 130
 131 static Function *checkInterfaceFunction(Constant *FuncOrBitcast) {
 132   if (Function *F = dyn_cast<Function>(FuncOrBitcast))
 133      return F;
 134   std::string Err;
 135   raw_string_ostream Stream(Err);
 136   Stream << "SanitizerCoverage interface function redefined: "
 137          << *FuncOrBitcast;
 138   report_fatal_error(Err);
 139 }
 140
 141 bool SanitizerCoverageModule::runOnModule(Module &M) {
 142   if (!CoverageLevel) return false;
 143   C = &(M.getContext());
 144   auto &DL = M.getDataLayout();
 145   IntptrTy = Type::getIntNTy(*C, DL.getPointerSizeInBits());
 146   Type *VoidTy = Type::getVoidTy(*C);
 147   IRBuilder<> IRB(*C);
 148   Type *Int8PtrTy = PointerType::getUnqual(IRB.getInt8Ty());
 149   Type *Int32PtrTy = PointerType::getUnqual(IRB.getInt32Ty());
 150
 151   Function *CtorFunc =
 152       Function::Create(FunctionType::get(VoidTy, false),
 153                        GlobalValue::InternalLinkage, kSanCovModuleCtorName, &M);
 154   ReturnInst::Create(*C, BasicBlock::Create(*C, "", CtorFunc));
 155   appendToGlobalCtors(M, CtorFunc, kSanCtorAndDtorPriority);
 156
 157   SanCovFunction = checkInterfaceFunction(
 158       M.getOrInsertFunction(kSanCovName, VoidTy, Int32PtrTy, nullptr));
 159   SanCovWithCheckFunction = checkInterfaceFunction(
 160       M.getOrInsertFunction(kSanCovWithCheckName, VoidTy, Int32PtrTy, nullptr));
 161   SanCovIndirCallFunction = checkInterfaceFunction(M.getOrInsertFunction(
 162       kSanCovIndirCallName, VoidTy, IntptrTy, IntptrTy, nullptr));
 163   SanCovModuleInit = checkInterfaceFunction(M.getOrInsertFunction(
 164       kSanCovModuleInitName, Type::getVoidTy(*C), Int32PtrTy, IntptrTy,
 165       Int8PtrTy, Int8PtrTy, nullptr));
 166   SanCovModuleInit->setLinkage(Function::ExternalLinkage);
 167   // We insert an empty inline asm after cov callbacks to avoid callback merge.
 168   EmptyAsm = InlineAsm::get(FunctionType::get(IRB.getVoidTy(), false),
 169                             StringRef(""), StringRef(""),
 170                             /*hasSideEffects=*/true);
 171
 172   if (ClExperimentalTracing) {
 173     SanCovTraceEnter = checkInterfaceFunction(
 174         M.getOrInsertFunction(kSanCovTraceEnter, VoidTy, Int32PtrTy, nullptr));
 175     SanCovTraceBB = checkInterfaceFunction(
 176         M.getOrInsertFunction(kSanCovTraceBB, VoidTy, Int32PtrTy, nullptr));
 177   }
 178
 179   // At this point we create a dummy array of guards because we don't
 180   // know how many elements we will need.
 181   Type *Int32Ty = IRB.getInt32Ty();
 182   Type *Int8Ty = IRB.getInt8Ty();
 183
 184   GuardArray =
 185       new GlobalVariable(M, Int32Ty, false, GlobalValue::ExternalLinkage,
 186                          nullptr, "__sancov_gen_cov_tmp");
 187   if (ClUse8bitCounters)
 188     EightBitCounterArray =
 189         new GlobalVariable(M, Int8Ty, false, GlobalVariable::ExternalLinkage,
 190                            nullptr, "__sancov_gen_cov_tmp");
 191
 192   for (auto &F : M)
 193     runOnFunction(F);
 194
 195   // Now we know how many elements we need. Create an array of guards
 196   // with one extra element at the beginning for the size.
 197   Type *Int32ArrayNTy =
 198       ArrayType::get(Int32Ty, SanCovFunction->getNumUses() + 1);
 199   GlobalVariable *RealGuardArray = new GlobalVariable(
 200       M, Int32ArrayNTy, false, GlobalValue::PrivateLinkage,
 201       Constant::getNullValue(Int32ArrayNTy), "__sancov_gen_cov");
 202
 203
 204   // Replace the dummy array with the real one.
 205   GuardArray->replaceAllUsesWith(
 206       IRB.CreatePointerCast(RealGuardArray, Int32PtrTy));
 207   GuardArray->eraseFromParent();
 208
 209   GlobalVariable *RealEightBitCounterArray;
 210   if (ClUse8bitCounters) {
 211     // Make sure the array is 16-aligned.
 212     static const int kCounterAlignment = 16;
 213     Type *Int8ArrayNTy =
 214         ArrayType::get(Int8Ty, RoundUpToAlignment(SanCovFunction->getNumUses(),
 215                                                   kCounterAlignment));
 216     RealEightBitCounterArray = new GlobalVariable(
 217         M, Int8ArrayNTy, false, GlobalValue::PrivateLinkage,
 218         Constant::getNullValue(Int8ArrayNTy), "__sancov_gen_cov_counter");
 219     RealEightBitCounterArray->setAlignment(kCounterAlignment);
 220     EightBitCounterArray->replaceAllUsesWith(
 221         IRB.CreatePointerCast(RealEightBitCounterArray, Int8PtrTy));
 222     EightBitCounterArray->eraseFromParent();
 223   }
 224
 225   // Create variable for module (compilation unit) name
 226   Constant *ModNameStrConst =
 227       ConstantDataArray::getString(M.getContext(), M.getName(), true);
 228   GlobalVariable *ModuleName =
 229       new GlobalVariable(M, ModNameStrConst->getType(), true,
 230                          GlobalValue::PrivateLinkage, ModNameStrConst);
 231
 232   // Call __sanitizer_cov_module_init
 233   IRB.SetInsertPoint(CtorFunc->getEntryBlock().getTerminator());
 234   IRB.CreateCall4(
 235       SanCovModuleInit, IRB.CreatePointerCast(RealGuardArray, Int32PtrTy),
 236       ConstantInt::get(IntptrTy, SanCovFunction->getNumUses()),
 237       ClUse8bitCounters
 238           ? IRB.CreatePointerCast(RealEightBitCounterArray, Int8PtrTy)
 239           : Constant::getNullValue(Int8PtrTy),
 240       IRB.CreatePointerCast(ModuleName, Int8PtrTy));
 241   return true;
 242 }
 243
 244 bool SanitizerCoverageModule::runOnFunction(Function &F) {
 245   if (F.empty()) return false;
 246   if (F.getName().find(".module_ctor") != std::string::npos)
 247     return false;  // Should not instrument sanitizer init functions.
 248   if (CoverageLevel >= 3)
 249     SplitAllCriticalEdges(F);
 250   SmallVector<Instruction*, 8> IndirCalls;
 251   SmallVector<BasicBlock*, 16> AllBlocks;
 252   for (auto &BB : F) {
 253     AllBlocks.push_back(&BB);
 254     if (CoverageLevel >= 4)
 255       for (auto &Inst : BB) {
 256         CallSite CS(&Inst);
 257         if (CS && !CS.getCalledFunction())
 258           IndirCalls.push_back(&Inst);
 259       }
 260   }
 261   InjectCoverage(F, AllBlocks, IndirCalls);
 262   return true;
 263 }
 264
 265 bool
 266 SanitizerCoverageModule::InjectCoverage(Function &F,
 267                                         ArrayRef<BasicBlock *> AllBlocks,
 268                                         ArrayRef<Instruction *> IndirCalls) {
 269   if (!CoverageLevel) return false;
 270
 271   if (CoverageLevel == 1) {
 272     InjectCoverageAtBlock(F, F.getEntryBlock(), false);
 273   } else {
 274     for (auto BB : AllBlocks)
 275       InjectCoverageAtBlock(F, *BB,
 276                             ClCoverageBlockThreshold < AllBlocks.size());
 277   }
 278   InjectCoverageForIndirectCalls(F, IndirCalls);
 279   return true;
 280 }
 281
 282 // On every indirect call we call a run-time function
 283 // __sanitizer_cov_indir_call* with two parameters:
 284 //   - callee address,
 285 //   - global cache array that contains kCacheSize pointers (zero-initialized).
 286 //     The cache is used to speed up recording the caller-callee pairs.
 287 // The address of the caller is passed implicitly via caller PC.
 288 // kCacheSize is encoded in the name of the run-time function.
 289 void SanitizerCoverageModule::InjectCoverageForIndirectCalls(
 290     Function &F, ArrayRef<Instruction *> IndirCalls) {
 291   if (IndirCalls.empty()) return;
 292   const int kCacheSize = 16;
 293   const int kCacheAlignment = 64;  // Align for better performance.
 294   Type *Ty = ArrayType::get(IntptrTy, kCacheSize);
 295   for (auto I : IndirCalls) {
 296     IRBuilder<> IRB(I);
 297     CallSite CS(I);
 298     Value *Callee = CS.getCalledValue();
 299     if (dyn_cast<InlineAsm>(Callee)) continue;
 300     GlobalVariable *CalleeCache = new GlobalVariable(
 301         *F.getParent(), Ty, false, GlobalValue::PrivateLinkage,
 302         Constant::getNullValue(Ty), "__sancov_gen_callee_cache");
 303     CalleeCache->setAlignment(kCacheAlignment);
 304     IRB.CreateCall2(SanCovIndirCallFunction,
 305                     IRB.CreatePointerCast(Callee, IntptrTy),
 306                     IRB.CreatePointerCast(CalleeCache, IntptrTy));
 307   }
 308 }
 309
 310 void SanitizerCoverageModule::SetNoSanitizeMetada(Instruction *I) {
 311   I->setMetadata(
 312       I->getParent()->getParent()->getParent()->getMDKindID("nosanitize"),
 313       MDNode::get(*C, None));
 314 }
 315
 316 void SanitizerCoverageModule::InjectCoverageAtBlock(Function &F, BasicBlock &BB,
 317                                                     bool UseCalls) {
 318   BasicBlock::iterator IP = BB.getFirstInsertionPt(), BE = BB.end();
 319   // Skip static allocas at the top of the entry block so they don't become
 320   // dynamic when we split the block.  If we used our optimized stack layout,
 321   // then there will only be one alloca and it will come first.
 322   for (; IP != BE; ++IP) {
 323     AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(IP);
 324     if (!AI || !AI->isStaticAlloca())
 325       break;
 326   }
 327
 328   bool IsEntryBB = &BB == &F.getEntryBlock();
 329   DebugLoc EntryLoc =
 330       IsEntryBB ? IP->getDebugLoc().getFnDebugLoc(*C) : IP->getDebugLoc();
 331   IRBuilder<> IRB(IP);
 332   IRB.SetCurrentDebugLocation(EntryLoc);
 333   SmallVector<Value *, 1> Indices;
 334   Value *GuardP = IRB.CreateAdd(
 335       IRB.CreatePointerCast(GuardArray, IntptrTy),
 336       ConstantInt::get(IntptrTy, (1 + SanCovFunction->getNumUses()) * 4));
 337   Type *Int32PtrTy = PointerType::getUnqual(IRB.getInt32Ty());
 338   GuardP = IRB.CreateIntToPtr(GuardP, Int32PtrTy);
 339   if (UseCalls) {
 340     IRB.CreateCall(SanCovWithCheckFunction, GuardP);
 341   } else {
 342     LoadInst *Load = IRB.CreateLoad(GuardP);
 343     Load->setAtomic(Monotonic);
 344     Load->setAlignment(4);
 345     SetNoSanitizeMetada(Load);
 346     Value *Cmp = IRB.CreateICmpSGE(Constant::getNullValue(Load->getType()), Load);
 347     Instruction *Ins = SplitBlockAndInsertIfThen(
 348         Cmp, IP, false, MDBuilder(*C).createBranchWeights(1, 100000));
 349     IRB.SetInsertPoint(Ins);
 350     IRB.SetCurrentDebugLocation(EntryLoc);
 351     // __sanitizer_cov gets the PC of the instruction using GET_CALLER_PC.
 352     IRB.CreateCall(SanCovFunction, GuardP);
 353     IRB.CreateCall(EmptyAsm);  // Avoids callback merge.
 354   }
 355
 356   if(ClUse8bitCounters) {
 357     IRB.SetInsertPoint(IP);
 358     Value *P = IRB.CreateAdd(
 359         IRB.CreatePointerCast(EightBitCounterArray, IntptrTy),
 360         ConstantInt::get(IntptrTy, SanCovFunction->getNumUses() - 1));
 361     P = IRB.CreateIntToPtr(P, IRB.getInt8PtrTy());
 362     LoadInst *LI = IRB.CreateLoad(P);
 363     Value *Inc = IRB.CreateAdd(LI, ConstantInt::get(IRB.getInt8Ty(), 1));
 364     StoreInst *SI = IRB.CreateStore(Inc, P);
 365     SetNoSanitizeMetada(LI);
 366     SetNoSanitizeMetada(SI);
 367   }
 368
 369   if (ClExperimentalTracing) {
 370     // Experimental support for tracing.
 371     // Insert a callback with the same guard variable as used for coverage.
 372     IRB.SetInsertPoint(IP);
 373     IRB.CreateCall(IsEntryBB ? SanCovTraceEnter : SanCovTraceBB, GuardP);
 374   }
 375 }
 376
 377 char SanitizerCoverageModule::ID = 0;
 378 INITIALIZE_PASS(SanitizerCoverageModule, "sancov",
 379     "SanitizerCoverage: TODO."
 380     "ModulePass", false, false)
 381 ModulePass *llvm::createSanitizerCoverageModulePass(int CoverageLevel) {
 382   return new SanitizerCoverageModule(CoverageLevel);
 383 }