AddressSanitizer

AddressSanitizer (ASan) là một công cụ dựa trên trình biên dịch giúp phát hiện các lỗi bộ nhớ trong mã gốc.

ASan phát hiện:

  • Chặn tràn (overflow)/chặn trống (underflow) cho ngăn xếp (stack) và bộ nhớ khối xếp (heap)
  • Sử dụng bộ nhớ khối xếp sau khi giải phóng
  • Sử dụng ngăn xếp bên ngoài phạm vi
  • Giải phóng gấp đôi/Giải phóng đối tượng không phải bộ nhớ khối xếp

ASan chạy trên cả ARM 32-bit và 64-bit, cùng với x86 và x86-64. Mức hao tổn CPU của ASan là khoảng 2x, mức hao tổn kích thước mã trong khoảng từ 50% đến 2x và mức hao tổn bộ nhớ khá lớn (tuỳ theo mô hình phân bổ, nhưng vào khoảng 2x).

Android 10 và nhánh phát hành mới nhất của AOSP trên AArch64 hỗ trợ Hardware-assisted AddressSanitizer (HWASan), một công cụ tương tự có mức hao tổn RAM thấp hơn và phạm vi lỗi được phát hiện lớn hơn. Ngoài các lỗi được ASan phát hiện, HWASan còn phát hiện việc sử dụng ngăn xếp sau khi trả về.

HWASan có mức hao tổn CPU và kích thước mã tương tự, nhưng mức hao tổn RAM nhỏ hơn nhiều (15%). HWASan là không xác định. Chỉ có 256 giá trị thẻ có thể, vì vậy, xác suất bỏ sót bất kỳ lỗi nào là 0,4%. HWASan không có các vùng màu đỏ có kích thước giới hạn của ASan để phát hiện lỗi tràn và vùng cách ly có dung lượng giới hạn để phát hiện lỗi sử dụng sau khi giải phóng, vì vậy, HWASan không quan tâm đến việc lỗi tràn lớn đến mức nào hoặc bộ nhớ đã được giải phóng bao lâu. Điều này giúp HWASan tốt hơn ASan. Bạn có thể đọc thêm về thiết kế của HWASan hoặc về việc sử dụng HWASan trên Android.

Ngoài lỗi tràn bộ nhớ khối xếp, ASan còn phát hiện lỗi tràn ngăn xếp/toàn cục và nhanh chóng với mức hao tổn bộ nhớ tối thiểu.

Tài liệu này mô tả cách tạo và chạy một phần/toàn bộ Android bằng ASan. Nếu bạn đang tạo một ứng dụng SDK/NDK bằng ASan, hãy xem bài viết Address Sanitizer.

Vệ sinh từng tệp thực thi bằng ASan

Thêm LOCAL_SANITIZE:=address hoặc sanitize: { address: true } vào quy tắc tạo cho tệp thực thi. Bạn có thể tìm kiếm mã để xem các ví dụ hiện có hoặc tìm các trình vệ sinh khác có sẵn.

Khi phát hiện thấy lỗi, ASan sẽ in một báo cáo chi tiết cả vào đầu ra tiêu chuẩn và vào logcat, sau đó làm hỏng quy trình.

Vệ sinh các thư viện dùng chung bằng ASan

Do cách hoạt động của ASan, thư viện được tạo bằng ASan chỉ có thể được sử dụng bởi một tệp thực thi được tạo bằng ASan.

Để vệ sinh một thư viện dùng chung được sử dụng trong nhiều tệp thực thi (không phải tất cả đều được tạo bằng ASan), bạn cần 2 bản sao của thư viện. Cách được đề xuất để thực hiện việc này là thêm nội dung sau vào Android.mk cho mô-đun được đề cập:

LOCAL_SANITIZE:=address
LOCAL_MODULE_RELATIVE_PATH := asan

Thao tác này sẽ đặt thư viện vào /system/lib/asan thay vì /system/lib. Sau đó, hãy chạy tệp thực thi bằng:

LD_LIBRARY_PATH=/system/lib/asan

Đối với các trình nền hệ thống, hãy thêm nội dung sau vào phần thích hợp của /init.rc hoặc /init.$device$.rc.

setenv LD_LIBRARY_PATH /system/lib/asan

Xác minh rằng quy trình đang sử dụng các thư viện từ /system/lib/asan khi có bằng cách đọc /proc/$PID/maps. Nếu không, bạn có thể cần tắt SELinux:

adb root
adb shell setenforce 0
# restart the process with adb shell kill $PID
# if it is a system service, or may be adb shell stop; adb shell start.

Dấu vết ngăn xếp tốt hơn

ASan sử dụng một bộ tháo dỡ (unwinder) nhanh dựa trên con trỏ khung để ghi lại dấu vết ngăn xếp cho mọi sự kiện phân bổ bộ nhớ và giải phóng bộ nhớ trong chương trình. Hầu hết Android được tạo mà không có con trỏ khung. Do đó, bạn thường chỉ nhận được một hoặc hai khung có ý nghĩa. Để khắc phục vấn đề này, hãy tạo lại thư viện bằng ASan (nên dùng!) hoặc bằng:

LOCAL_CFLAGS:=-fno-omit-frame-pointer
LOCAL_ARM_MODE:=arm

Hoặc đặt ASAN_OPTIONS=fast_unwind_on_malloc=0 trong môi trường quy trình. Cách sau có thể tốn rất nhiều CPU, tuỳ thuộc vào mức tải.

Ký hiệu hoá

Ban đầu, báo cáo ASan chứa các tham chiếu đến độ lệch trong tệp nhị phân và thư viện dùng chung. Có 2 cách để lấy thông tin về tệp nguồn và dòng:

  • Đảm bảo rằng tệp nhị phân llvm-symbolizer có trong /system/bin. llvm-symbolizer được tạo từ các nguồn trong third_party/llvm/tools/llvm-symbolizer.
  • Lọc báo cáo thông qua tập lệnh external/compiler-rt/lib/asan/scripts/symbolize.py.

Phương pháp thứ hai có thể cung cấp nhiều dữ liệu hơn (tức là vị trí file:line) do có sẵn các thư viện được ký hiệu hoá trên máy chủ.

ASan trong ứng dụng

ASan không thể xem mã Java, nhưng có thể phát hiện lỗi trong các thư viện JNI. Để làm được điều đó, bạn cần tạo tệp thực thi bằng ASan, trong trường hợp này là /system/bin/app_process(32|64). Thao tác này sẽ bật ASan trong tất cả ứng dụng trên thiết bị cùng một lúc, đây là một tải nặng, nhưng một thiết bị có RAM 2 GB sẽ có thể xử lý việc này.

Thêm LOCAL_SANITIZE:=address vào quy tắc tạo app_process trong frameworks/base/cmds/app_process.

Chỉnh sửa phần service zygote của tệp system/core/rootdir/init.zygote(32|64).rc thích hợp để thêm các dòng sau vào khối dòng thụt lề chứa class main, cũng được thụt lề cùng một lượng:

    setenv LD_LIBRARY_PATH /system/lib/asan:/system/lib
    setenv ASAN_OPTIONS allow_user_segv_handler=true

Tạo bản dựng, đồng bộ hoá adb, cài đặt ROM khởi động nhanh và khởi động lại.

Sử dụng thuộc tính bao bọc

Phương pháp trong phần trước sẽ đưa ASan vào mọi ứng dụng trong hệ thống (thực ra là vào mọi phần tử con của quy trình Zygote). Bạn có thể chỉ chạy một (hoặc một số) ứng dụng bằng ASan, đổi một số hao tổn bộ nhớ để khởi động ứng dụng chậm hơn.

Bạn có thể thực hiện việc này bằng cách khởi động ứng dụng bằng thuộc tính wrap.. Ví dụ sau đây chạy ứng dụng Gmail trong ASan:

adb root
adb shell setenforce 0  # disable SELinux
adb shell setprop wrap.com.google.android.gm "asanwrapper"

Trong bối cảnh này, asanwrapper sẽ ghi lại /system/bin/app_process thành /system/bin/asan/app_process, được tạo bằng ASan. Thư viện này cũng thêm /system/lib/asan vào đầu đường dẫn tìm kiếm thư viện động. Bằng cách này, các thư viện được đo lường bằng ASan từ /system/lib/asan được ưu tiên hơn các thư viện thông thường trong /system/lib khi chạy bằng asanwrapper.

Nếu tìm thấy lỗi, ứng dụng sẽ gặp sự cố và báo cáo sẽ được in vào nhật ký.

SANITIZE_TARGET

Android 7.0 trở lên hỗ trợ tạo toàn bộ nền tảng Android cùng một lúc bằng ASan. (Nếu bạn đang tạo một bản phát hành cao hơn Android 9, thì HWASan là lựa chọn phù hợp hơn.)

Chạy các lệnh sau trong cùng một cây tạo.

make -j42
SANITIZE_TARGET=address make -j42

Ở chế độ này, userdata.img chứa các thư viện bổ sung và cũng phải được cài đặt ROM vào thiết bị. Sử dụng dòng lệnh sau:

fastboot flash userdata && fastboot flashall

Thao tác này sẽ tạo 2 nhóm thư viện dùng chung: thông thường trong /system/lib (lần gọi tạo đầu tiên) và được đo lường bằng ASan trong /data/asan/lib (lần gọi tạo thứ hai). Các tệp thực thi từ bản tạo thứ hai sẽ ghi đè các tệp thực thi từ bản tạo đầu tiên. Các tệp thực thi được đo lường bằng ASan sẽ nhận được một đường dẫn tìm kiếm thư viện khác bao gồm /data/asan/lib trước /system/lib thông qua việc sử dụng /system/bin/linker_asan trong PT_INTERP.

Hệ thống xây dựng sẽ xoá các thư mục đối tượng trung gian khi giá trị $SANITIZE_TARGET đã thay đổi. Thao tác này buộc phải tạo lại tất cả các mục tiêu trong khi vẫn giữ nguyên các tệp nhị phân đã cài đặt trong /system/lib.

Bạn không thể tạo một số mục tiêu bằng ASan:

  • Tệp thực thi được liên kết tĩnh
  • Mục tiêu LOCAL_CLANG:=false
  • LOCAL_SANITIZE:=false không được ASan cho SANITIZE_TARGET=address

Các tệp thực thi như thế này sẽ bị bỏ qua trong bản tạo SANITIZE_TARGET và phiên bản từ lần gọi tạo đầu tiên sẽ được giữ nguyên trong /system/bin.

Các thư viện như thế này được tạo mà không có ASan. Chúng có thể chứa một số mã ASan từ các thư viện tĩnh mà chúng phụ thuộc vào.

Giấy tờ được chấp nhận