2021-05-12 14:32:11
Kasan - Linux 核心的記憶體檢測工具
2020-06-16 17:25:22
Kernel address sanitizer (Kasan) 是一款隨 Linux 核心程式碼一同發布和維護的記憶體檢測工具，由核心社群維護和發展。本文簡要介紹 Kasan 的原理及使用方法。
引言
Kasan 是 Kernel Address Sanitizer 的縮寫，它是一個動態檢測記憶體錯誤的工具，主要功能是檢查記憶體越界存取和使用已釋放的記憶體等問題。Kasan 整合在 Linux 核心中，隨 Linux 核心程式碼一起發布，並由核心社群維護和發展。
背景
Kasan 可以追溯到 LLVM 的 sanitizers 專案（https://github.com/google/sanitizers），這個專案包含了 AddressSanitizer，MemorySanitizer，ThreadSanitizer 和 LeakSanitizer 等工具。但這些工具只能檢測使用者空間的記憶體問題。通過在編譯時加入指定的選項，就可以給使用者程式加入 Address Sanitizer 功能。
清單 1. 使用者空間記憶體錯誤程式碼範例
// To compile: g++ -O -g -fsanitize=address use-after-free.c
int main(int argc, char **argv) {
int *array = new int[10];
delete [] array;
return array[argc]; // BOOM
}
當執行以上有記憶體使用錯誤的程式時，加入 Address Sanitizer 功能的的版本會報告如下的錯誤資訊，而沒有任何選項的版本則會正常結束程式。
清單 2. Address Sanitizer 執行結果
tengrui@virtualbox:~/workspace/cc$ g++ -O -g -fsanitize=address use-after-free.cc
tengrui@virtualbox:~/workspace/cc$ ./a.out
=================================================================
==4206==ERROR: AddressSanitizer: heap-use-after-free on address
0x60400000dfd4 at pc 0x0000004007d4 bp 0x7ffdfdd414f0 sp 0x7ffdfdd414e0
READ of size 4 at 0x60400000dfd4 thread T0
#0 0x4007d3 in main /home/tengrui/workspace/cc/use-after-free.cc:4
#1 0x7f8aa150882f in __libc_start_main (/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6+0x2082f)
#2 0x4006b8 in _start (/home/tengrui/workspace/cc/a.out+0x4006b8)
0x60400000dfd4 is located 4 bytes inside of 40-byte region
[0x60400000dfd0,0x60400000dff8)
freed by thread T0 here:
#0 0x7f8aa194abca in operator delete[](void*)
(/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libasan.so.2+0x99bca)
#1 0x4007a7 in main /home/tengrui/workspace/cc/use-after-free.cc:3
previously allocated by thread T0 here:
#0 0x7f8aa194a5d2 in operator new[](unsigned long)
(/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libasan.so.2+0x995d2)
#1 0x400797 in main /home/tengrui/workspace/cc/use-after-free.cc:2
SUMMARY: AddressSanitizer:
heap-use-after-free /home/tengrui/workspace/cc/use-after-free.cc:4 main
Shadow bytes around the buggy address:
0x0c087fff9ba0: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
0x0c087fff9bb0: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
0x0c087fff9bc0: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
0x0c087fff9bd0: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
0x0c087fff9be0: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
=>0x0c087fff9bf0: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa[fd]fd fd fd fd fa
0x0c087fff9c00: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
0x0c087fff9c10: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
0x0c087fff9c20: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
0x0c087fff9c30: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
0x0c087fff9c40: fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa fa
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
Heap right redzone: fb
Freed heap region: fd
Stack left redzone: f1
Stack mid redzone: f2
Stack right redzone: f3
Stack partial redzone: f4
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
==4206==ABORTING
Andrey Ryabinin 借鑑了 AddressSanitizer 的思想，並在 Linux 核心中實現了 Kernel Address Sanitizer。所以 Kasan 也可以看成是用於核心空間的 Address Sanitizer。
原理
Kasan 的原理是利用“額外”的記憶體來標記那些可以被使用的記憶體的狀態。這些做標記的區域被稱為影子區域（shadow region）。了解 Linux 記憶體管理的讀者知道，記憶體中的每個物理頁在記憶體中都會有一個 struct page 這樣的結構體來表示，即每 4KB 的頁需要 40B 的結構體，大約 1% 的記憶體用來表示記憶體本身。Kasan 與其類似但“浪費”更為嚴重，影子區域的比例是 1:8，即總記憶體的九分之一會被“浪費”。用官方文件中的例子，如果有 128TB 的可用記憶體，需要有額外 16TB 的記憶體用來做標記。
做標記的方法比較簡單，將可用記憶體按照 8 子節的大小分組，如果每組中所有 8 個位元組都可以存取，則影子記憶體中相應的地方用全零（0x00）表示；如果可用記憶體的前 N（1 到 7 範圍之間）個位元組可用，則影子記憶體中響應的位置用 N 表示；其它情況影子記憶體用負數表示該記憶體不可用。
圖 1. Kasan 記憶體布局原理
使用
Kasan 是核心的一部分，使用時需要重新設定、編譯並安裝核心。Kasan 在 Linux 核心 4.0 版本時被引入核心，所以選擇的核心程式碼需要高於 4.0 版本。另外，最基本的 Kasan 功能需要 GCC4.9.2 支援，更多的支援則需要 GCC5.0 及以上版本。
首先是設定和編譯核心。
執行如下命令啟動圖形設定介面：
清單 3. Linux 圖形設定命令
make menuconfig
圖 2. Kasan 核心選項設定介面
圖 3. Kasan 模式選項
然後重新編譯並安裝核心即可，除了通用的編譯和安裝命令，在 Fedora 這種發行版本中，還需要更新 grub。
清單 4. Linux 核心編譯、安裝命令
make menuconfig make sudo make modules_install sudo make install
清單 5. Grub 設定命令
sudo grub2mkconfig – o /boot/grub/grub.cfg
其它發行版本請參考相關文件。
更多詳情見請繼續閱讀下一頁的精彩內容： http://www.linuxidc.com/Linux/2016-12/138712p2.htm
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