]> granicus.if.org Git - clang/blob - docs/SanitizerCoverage.rst
[analyzer] Provide .def-files and visitors for SVal/SymExpr/MemRegion, v2.
[clang] / docs / SanitizerCoverage.rst
1 =================
2 SanitizerCoverage
3 =================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 Introduction
9 ============
10
11 Sanitizer tools have a very simple code coverage tool built in. It allows to
12 get function-level, basic-block-level, and edge-level coverage at a very low
13 cost.
14
15 How to build and run
16 ====================
17
18 SanitizerCoverage can be used with :doc:`AddressSanitizer`,
19 :doc:`LeakSanitizer`, :doc:`MemorySanitizer`, and UndefinedBehaviorSanitizer.
20 In addition to ``-fsanitize=``, pass one of the following compile-time flags:
21
22 * ``-fsanitize-coverage=func`` for function-level coverage (very fast).
23 * ``-fsanitize-coverage=bb`` for basic-block-level coverage (may add up to 30%
24   **extra** slowdown).
25 * ``-fsanitize-coverage=edge`` for edge-level coverage (up to 40% slowdown).
26
27 You may also specify ``-fsanitize-coverage=indirect-calls`` for
28 additional `caller-callee coverage`_.
29
30 At run time, pass ``coverage=1`` in ``ASAN_OPTIONS``, ``LSAN_OPTIONS``,
31 ``MSAN_OPTIONS`` or ``UBSAN_OPTIONS``, as appropriate.
32
33 To get `Coverage counters`_, add ``-fsanitize-coverage=8bit-counters``
34 to one of the above compile-time flags. At runtime, use
35 ``*SAN_OPTIONS=coverage=1:coverage_counters=1``.
36
37 Example:
38
39 .. code-block:: console
40
41     % cat -n cov.cc
42          1  #include <stdio.h>
43          2  __attribute__((noinline))
44          3  void foo() { printf("foo\n"); }
45          4
46          5  int main(int argc, char **argv) {
47          6    if (argc == 2)
48          7      foo();
49          8    printf("main\n");
50          9  }
51     % clang++ -g cov.cc -fsanitize=address -fsanitize-coverage=func
52     % ASAN_OPTIONS=coverage=1 ./a.out; ls -l *sancov
53     main
54     -rw-r----- 1 kcc eng 4 Nov 27 12:21 a.out.22673.sancov
55     % ASAN_OPTIONS=coverage=1 ./a.out foo ; ls -l *sancov
56     foo
57     main
58     -rw-r----- 1 kcc eng 4 Nov 27 12:21 a.out.22673.sancov
59     -rw-r----- 1 kcc eng 8 Nov 27 12:21 a.out.22679.sancov
60
61 Every time you run an executable instrumented with SanitizerCoverage
62 one ``*.sancov`` file is created during the process shutdown.
63 If the executable is dynamically linked against instrumented DSOs,
64 one ``*.sancov`` file will be also created for every DSO.
65
66 Postprocessing
67 ==============
68
69 The format of ``*.sancov`` files is very simple: the first 8 bytes is the magic,
70 one of ``0xC0BFFFFFFFFFFF64`` and ``0xC0BFFFFFFFFFFF32``. The last byte of the
71 magic defines the size of the following offsets. The rest of the data is the
72 offsets in the corresponding binary/DSO that were executed during the run.
73
74 A simple script
75 ``$LLVM/projects/compiler-rt/lib/sanitizer_common/scripts/sancov.py`` is
76 provided to dump these offsets.
77
78 .. code-block:: console
79
80     % sancov.py print a.out.22679.sancov a.out.22673.sancov
81     sancov.py: read 2 PCs from a.out.22679.sancov
82     sancov.py: read 1 PCs from a.out.22673.sancov
83     sancov.py: 2 files merged; 2 PCs total
84     0x465250
85     0x4652a0
86
87 You can then filter the output of ``sancov.py`` through ``addr2line --exe
88 ObjectFile`` or ``llvm-symbolizer --obj ObjectFile`` to get file names and line
89 numbers:
90
91 .. code-block:: console
92
93     % sancov.py print a.out.22679.sancov a.out.22673.sancov 2> /dev/null | llvm-symbolizer --obj a.out
94     cov.cc:3
95     cov.cc:5
96
97 How good is the coverage?
98 =========================
99
100 It is possible to find out which PCs are not covered, by subtracting the covered
101 set from the set of all instrumented PCs. The latter can be obtained by listing
102 all callsites of ``__sanitizer_cov()`` in the binary. On Linux, ``sancov.py``
103 can do this for you. Just supply the path to binary and a list of covered PCs:
104
105 .. code-block:: console
106
107     % sancov.py print a.out.12345.sancov > covered.txt
108     sancov.py: read 2 64-bit PCs from a.out.12345.sancov
109     sancov.py: 1 file merged; 2 PCs total
110     % sancov.py missing a.out < covered.txt
111     sancov.py: found 3 instrumented PCs in a.out
112     sancov.py: read 2 PCs from stdin
113     sancov.py: 1 PCs missing from coverage
114     0x4cc61c
115
116 Edge coverage
117 =============
118
119 Consider this code:
120
121 .. code-block:: c++
122
123     void foo(int *a) {
124       if (a)
125         *a = 0;
126     }
127
128 It contains 3 basic blocks, let's name them A, B, C:
129
130 .. code-block:: none
131
132     A
133     |\
134     | \
135     |  B
136     | /
137     |/
138     C
139
140 If blocks A, B, and C are all covered we know for certain that the edges A=>B
141 and B=>C were executed, but we still don't know if the edge A=>C was executed.
142 Such edges of control flow graph are called
143 `critical <http://en.wikipedia.org/wiki/Control_flow_graph#Special_edges>`_. The
144 edge-level coverage (``-fsanitize-coverage=edge``) simply splits all critical
145 edges by introducing new dummy blocks and then instruments those blocks:
146
147 .. code-block:: none
148
149     A
150     |\
151     | \
152     D  B
153     | /
154     |/
155     C
156
157 Bitset
158 ======
159
160 When ``coverage_bitset=1`` run-time flag is given, the coverage will also be
161 dumped as a bitset (text file with 1 for blocks that have been executed and 0
162 for blocks that were not).
163
164 .. code-block:: console
165
166     % clang++ -fsanitize=address -fsanitize-coverage=edge cov.cc
167     % ASAN_OPTIONS="coverage=1:coverage_bitset=1" ./a.out
168     main
169     % ASAN_OPTIONS="coverage=1:coverage_bitset=1" ./a.out 1
170     foo
171     main
172     % head *bitset*
173     ==> a.out.38214.bitset-sancov <==
174     01101
175     ==> a.out.6128.bitset-sancov <==
176     11011%
177
178 For a given executable the length of the bitset is always the same (well,
179 unless dlopen/dlclose come into play), so the bitset coverage can be
180 easily used for bitset-based corpus distillation.
181
182 Caller-callee coverage
183 ======================
184
185 (Experimental!)
186 Every indirect function call is instrumented with a run-time function call that
187 captures caller and callee.  At the shutdown time the process dumps a separate
188 file called ``caller-callee.PID.sancov`` which contains caller/callee pairs as
189 pairs of lines (odd lines are callers, even lines are callees)
190
191 .. code-block:: console
192
193     a.out 0x4a2e0c
194     a.out 0x4a6510
195     a.out 0x4a2e0c
196     a.out 0x4a87f0
197
198 Current limitations:
199
200 * Only the first 14 callees for every caller are recorded, the rest are silently
201   ignored.
202 * The output format is not very compact since caller and callee may reside in
203   different modules and we need to spell out the module names.
204 * The routine that dumps the output is not optimized for speed
205 * Only Linux x86_64 is tested so far.
206 * Sandboxes are not supported.
207
208 Coverage counters
209 =================
210
211 This experimental feature is inspired by
212 `AFL <http://lcamtuf.coredump.cx/afl/technical_details.txt>`_'s coverage
213 instrumentation. With additional compile-time and run-time flags you can get
214 more sensitive coverage information.  In addition to boolean values assigned to
215 every basic block (edge) the instrumentation will collect imprecise counters.
216 On exit, every counter will be mapped to a 8-bit bitset representing counter
217 ranges: ``1, 2, 3, 4-7, 8-15, 16-31, 32-127, 128+`` and those 8-bit bitsets will
218 be dumped to disk.
219
220 .. code-block:: console
221
222     % clang++ -g cov.cc -fsanitize=address -fsanitize-coverage=edge,8bit-counters
223     % ASAN_OPTIONS="coverage=1:coverage_counters=1" ./a.out
224     % ls -l *counters-sancov
225     ... a.out.17110.counters-sancov
226     % xxd *counters-sancov
227     0000000: 0001 0100 01
228
229 These counters may also be used for in-process coverage-guided fuzzers. See
230 ``include/sanitizer/coverage_interface.h``:
231
232 .. code-block:: c++
233
234     // The coverage instrumentation may optionally provide imprecise counters.
235     // Rather than exposing the counter values to the user we instead map
236     // the counters to a bitset.
237     // Every counter is associated with 8 bits in the bitset.
238     // We define 8 value ranges: 1, 2, 3, 4-7, 8-15, 16-31, 32-127, 128+
239     // The i-th bit is set to 1 if the counter value is in the i-th range.
240     // This counter-based coverage implementation is *not* thread-safe.
241
242     // Returns the number of registered coverage counters.
243     uintptr_t __sanitizer_get_number_of_counters();
244     // Updates the counter 'bitset', clears the counters and returns the number of
245     // new bits in 'bitset'.
246     // If 'bitset' is nullptr, only clears the counters.
247     // Otherwise 'bitset' should be at least
248     // __sanitizer_get_number_of_counters bytes long and 8-aligned.
249     uintptr_t
250     __sanitizer_update_counter_bitset_and_clear_counters(uint8_t *bitset);
251
252 Tracing basic blocks
253 ====================
254 An *experimental* feature to support basic block (or edge) tracing.
255 With ``-fsanitize-coverage=trace-bb`` the compiler will insert
256 ``__sanitizer_cov_trace_basic_block(s32 *id)`` before every function, basic block, or edge
257 (depending on the value of ``-fsanitize-coverage=[func,bb,edge]``).
258
259 Tracing data flow
260 =================
261
262 An *experimental* feature to support data-flow-guided fuzzing.
263 With ``-fsanitize-coverage=trace-cmp`` the compiler will insert extra instrumentation
264 around comparison instructions and switch statements.
265 The fuzzer will need to define the following functions,
266 they will be called by the instrumented code.
267
268 .. code-block:: c++
269
270   // Called before a comparison instruction.
271   // SizeAndType is a packed value containing
272   //   - [63:32] the Size of the operands of comparison in bits
273   //   - [31:0] the Type of comparison (one of ICMP_EQ, ... ICMP_SLE)
274   // Arg1 and Arg2 are arguments of the comparison.
275   void __sanitizer_cov_trace_cmp(uint64_t SizeAndType, uint64_t Arg1, uint64_t Arg2);
276
277   // Called before a switch statement.
278   // Val is the switch operand.
279   // Cases[0] is the number of case constants.
280   // Cases[1] is the size of Val in bits.
281   // Cases[2:] are the case constants.
282   void __sanitizer_cov_trace_switch(uint64_t Val, uint64_t *Cases);
283
284 This interface is a subject to change.
285 The current implementation is not thread-safe and thus can be safely used only for single-threaded targets.
286
287 Output directory
288 ================
289
290 By default, .sancov files are created in the current working directory.
291 This can be changed with ``ASAN_OPTIONS=coverage_dir=/path``:
292
293 .. code-block:: console
294
295     % ASAN_OPTIONS="coverage=1:coverage_dir=/tmp/cov" ./a.out foo
296     % ls -l /tmp/cov/*sancov
297     -rw-r----- 1 kcc eng 4 Nov 27 12:21 a.out.22673.sancov
298     -rw-r----- 1 kcc eng 8 Nov 27 12:21 a.out.22679.sancov
299
300 Sudden death
301 ============
302
303 Normally, coverage data is collected in memory and saved to disk when the
304 program exits (with an ``atexit()`` handler), when a SIGSEGV is caught, or when
305 ``__sanitizer_cov_dump()`` is called.
306
307 If the program ends with a signal that ASan does not handle (or can not handle
308 at all, like SIGKILL), coverage data will be lost. This is a big problem on
309 Android, where SIGKILL is a normal way of evicting applications from memory.
310
311 With ``ASAN_OPTIONS=coverage=1:coverage_direct=1`` coverage data is written to a
312 memory-mapped file as soon as it collected.
313
314 .. code-block:: console
315
316     % ASAN_OPTIONS="coverage=1:coverage_direct=1" ./a.out
317     main
318     % ls
319     7036.sancov.map  7036.sancov.raw  a.out
320     % sancov.py rawunpack 7036.sancov.raw
321     sancov.py: reading map 7036.sancov.map
322     sancov.py: unpacking 7036.sancov.raw
323     writing 1 PCs to a.out.7036.sancov
324     % sancov.py print a.out.7036.sancov
325     sancov.py: read 1 PCs from a.out.7036.sancov
326     sancov.py: 1 files merged; 1 PCs total
327     0x4b2bae
328
329 Note that on 64-bit platforms, this method writes 2x more data than the default,
330 because it stores full PC values instead of 32-bit offsets.
331
332 In-process fuzzing
333 ==================
334
335 Coverage data could be useful for fuzzers and sometimes it is preferable to run
336 a fuzzer in the same process as the code being fuzzed (in-process fuzzer).
337
338 You can use ``__sanitizer_get_total_unique_coverage()`` from
339 ``<sanitizer/coverage_interface.h>`` which returns the number of currently
340 covered entities in the program. This will tell the fuzzer if the coverage has
341 increased after testing every new input.
342
343 If a fuzzer finds a bug in the ASan run, you will need to save the reproducer
344 before exiting the process.  Use ``__asan_set_death_callback`` from
345 ``<sanitizer/asan_interface.h>`` to do that.
346
347 An example of such fuzzer can be found in `the LLVM tree
348 <http://llvm.org/viewvc/llvm-project/llvm/trunk/lib/Fuzzer/README.txt?view=markup>`_.
349
350 Performance
351 ===========
352
353 This coverage implementation is **fast**. With function-level coverage
354 (``-fsanitize-coverage=func``) the overhead is not measurable. With
355 basic-block-level coverage (``-fsanitize-coverage=bb``) the overhead varies
356 between 0 and 25%.
357
358 ==============  =========  =========  =========  =========  =========  =========
359      benchmark      cov0        cov1   diff 0-1       cov2   diff 0-2   diff 1-2
360 ==============  =========  =========  =========  =========  =========  =========
361  400.perlbench    1296.00    1307.00       1.01    1465.00       1.13       1.12
362      401.bzip2     858.00     854.00       1.00    1010.00       1.18       1.18
363        403.gcc     613.00     617.00       1.01     683.00       1.11       1.11
364        429.mcf     605.00     582.00       0.96     610.00       1.01       1.05
365      445.gobmk     896.00     880.00       0.98    1050.00       1.17       1.19
366      456.hmmer     892.00     892.00       1.00     918.00       1.03       1.03
367      458.sjeng     995.00    1009.00       1.01    1217.00       1.22       1.21
368 462.libquantum     497.00     492.00       0.99     534.00       1.07       1.09
369    464.h264ref    1461.00    1467.00       1.00    1543.00       1.06       1.05
370    471.omnetpp     575.00     590.00       1.03     660.00       1.15       1.12
371      473.astar     658.00     652.00       0.99     715.00       1.09       1.10
372  483.xalancbmk     471.00     491.00       1.04     582.00       1.24       1.19
373       433.milc     616.00     627.00       1.02     627.00       1.02       1.00
374       444.namd     602.00     601.00       1.00     654.00       1.09       1.09
375     447.dealII     630.00     634.00       1.01     653.00       1.04       1.03
376     450.soplex     365.00     368.00       1.01     395.00       1.08       1.07
377     453.povray     427.00     434.00       1.02     495.00       1.16       1.14
378        470.lbm     357.00     375.00       1.05     370.00       1.04       0.99
379    482.sphinx3     927.00     928.00       1.00    1000.00       1.08       1.08
380 ==============  =========  =========  =========  =========  =========  =========
381
382 Why another coverage?
383 =====================
384
385 Why did we implement yet another code coverage?
386   * We needed something that is lightning fast, plays well with
387     AddressSanitizer, and does not significantly increase the binary size.
388   * Traditional coverage implementations based in global counters
389     `suffer from contention on counters
390     <https://groups.google.com/forum/#!topic/llvm-dev/cDqYgnxNEhY>`_.