]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - README.md
Merge pull request #767 from RalfJung/rustup
[rust.git] / README.md
1 # Miri [![Build Status](https://travis-ci.com/rust-lang/miri.svg?branch=master)](https://travis-ci.com/rust-lang/miri) [![Windows build status](https://ci.appveyor.com/api/projects/status/github/rust-lang/miri?svg=true)](https://ci.appveyor.com/project/rust-lang-libs/miri)
2
3
4 An experimental interpreter for [Rust][rust]'s
5 [mid-level intermediate representation][mir] (MIR).  It can run binaries and
6 test suites of cargo projects and detect certain classes of undefined behavior,
7 for example:
8
9 * Out-of-bounds memory accesses and use-after-free
10 * Invalid use of uninitialized data
11 * Violation of intrinsic preconditions (an [`unreachable_unchecked`] being
12   reached, calling [`copy_nonoverlapping`] with overlapping ranges, ...)
13 * Not sufficiently aligned memory accesses and references
14 * Violation of basic type invariants (a `bool` that is not 0 or 1, for example,
15   or an invalid enum discriminant)
16 * WIP: Violations of the rules governing aliasing for reference types
17
18 Miri has already discovered some [real-world bugs](#bugs-found-by-miri).  If you
19 found a bug with Miri, we'd appreciate if you tell us and we'll add it to the
20 list!
21
22 Be aware that Miri will not catch all possible errors in your program, and
23 cannot run all programs:
24
25 * There are still plenty of open questions around the basic invariants for some
26   types and when these invariants even have to hold. Miri tries to avoid false
27   positives here, so if you program runs fine in Miri right now that is by no
28   means a guarantee that it is UB-free when these questions get answered. In
29   particular, Miri does currently not check that integers are initialized or
30   that references point to valid data.
31 * If the program relies on unspecified details of how data is laid out, it will
32   still run fine in Miri -- but might break (including causing UB) on different
33   compiler versions or different platforms.
34 * Miri is fully deterministic and does not actually pick a base address in
35   virtual memory for the program's allocations.  If program behavior depends on
36   the base address of an allocation, Miri will stop execution (with a few
37   exceptions to make some common pointer comparisons work).
38 * Miri runs the program as a platform-independent interpreter, so the program
39   has no access to any platform-specific APIs or FFI. A few APIs have been
40   implemented (such as printing to stdout) but most have not: for example, Miri
41   currently does not support concurrency, or networking, or file system access,
42   or gathering entropy from the system.
43
44 [rust]: https://www.rust-lang.org/
45 [mir]: https://github.com/rust-lang/rfcs/blob/master/text/1211-mir.md
46 [`unreachable_unchecked`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/hint/fn.unreachable_unchecked.html
47 [`copy_nonoverlapping`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/ptr/fn.copy_nonoverlapping.html
48
49
50 ## Running Miri on your own project (and its test suite)
51
52 Install Miri via `rustup`:
53
54 ```sh
55 rustup component add miri
56 ```
57
58 If `rustup` says the `miri` component is unavailable, that's because not all nightly releases come with all tools. Check out [this website](https://rust-lang.github.io/rustup-components-history) to determine a nightly version that comes with Miri and install that, e.g. using `rustup install nightly-2019-03-28`.
59
60 Now you can run your project in Miri:
61
62 1. Run `cargo clean` to eliminate any cached dependencies.  Miri needs your
63    dependencies to be compiled the right way, that would not happen if they have
64    previously already been compiled.
65 2. To run all tests in your project through Miri, use `cargo miri test`.
66 3. If you have a binary project, you can run it through Miri using `cargo miri run`.
67
68 The first time you run Miri, it will perform some extra setup and install some
69 dependencies.  It will ask you for confirmation before installing anything.  If
70 you run Miri on CI, run `cargo miri setup` to avoid getting interactive
71 questions.
72
73 You can pass arguments to Miri after the first `--`, and pass arguments to the
74 interpreted program or test suite after the second `--`.  For example, `cargo
75 miri run -- -Zmiri-disable-validation` runs the program without validation of
76 basic type invariants and references.  `cargo miri test -- -- -Zunstable-options
77 --exclude-should-panic` skips `#[should_panic]` tests, which is a good idea
78 because Miri does not support unwinding or catching panics.
79
80 When running code via `cargo miri`, the `miri` config flag is set.  You can
81 use this to exclude test cases that will fail under Miri because they do things
82 Miri does not support:
83
84 ```rust
85 #[cfg(not(miri))]
86 #[test]
87 fn does_not_work_on_miri() {
88     let x = 0u8;
89     assert!(&x as *const _ as usize % 4 < 4);
90 }
91 ```
92
93 ### Common Problems
94
95 When using the above instructions, you may encounter a number of confusing compiler
96 errors.
97
98 #### "found possibly newer version of crate `std` which `<dependency>` depends on"
99
100 Your build directory may contain artifacts from an earlier build that have/have
101 not been built for Miri. Run `cargo clean` before switching from non-Miri to
102 Miri builds and vice-versa.
103
104 #### "found crate `std` compiled by an incompatible version of rustc"
105
106 You may be running `cargo miri` with a different compiler version than the one
107 used to build the custom libstd that Miri uses, and Miri failed to detect that.
108 Try deleting `~/.cache/miri`.
109
110 #### "no mir for `std::rt::lang_start_internal`"
111
112 This means the sysroot you are using was not compiled with Miri in mind.  This
113 should never happen when you use `cargo miri` because that takes care of setting
114 up the sysroot.  If you are using `miri` (the Miri driver) directly, see
115 [below][testing-miri] for how to set up the sysroot.
116
117 ## Development and Debugging
118
119 If you want to hack on miri yourself, great!  Here are some resources you might
120 find useful.
121
122 ### Using a nightly rustc
123
124 Miri heavily relies on internal rustc interfaces to execute MIR.  Still, some
125 things (like adding support for a new intrinsic or a shim for an external
126 function being called) can be done by working just on the Miri side.
127
128 To prepare, make sure you are using a nightly Rust compiler.  Then you should be
129 able to just `cargo build` Miri.
130
131 In case this fails, your nightly might be incompatible with Miri master.  The
132 `rust-version` file contains the commit hash of rustc that Miri is currently
133 tested against; you can use that to find a nightly that works or you might have
134 to wait for the next nightly to get released.
135
136 ### Testing the Miri driver
137 [testing-miri]: #testing-the-miri-driver
138
139 The Miri driver in the `miri` binary is the "heart" of Miri: it is basically a
140 version of `rustc` that, instead of compiling your code, runs it.  It accepts
141 all the same flags as `rustc` (though the ones only affecting code generation
142 and linking obviously will have no effect) [and more][miri-flags].
143
144 Running the Miri driver requires some fiddling with environment variables, so
145 the `miri` script helps you do that.  For example, you can run the driver on a
146 particular file by doing
147
148 ```sh
149 ./miri run tests/run-pass/format.rs
150 ./miri run tests/run-pass/hello.rs --target i686-unknown-linux-gnu
151 ```
152
153 and you can run the test suite using:
154
155 ```
156 ./miri test
157 ```
158
159 `./miri test FILTER` only runs those tests that contain `FILTER` in their
160 filename (including the base directory, e.g. `./miri test fail` will run all
161 compile-fail tests).
162
163 You can get a trace of which MIR statements are being executed by setting the
164 `MIRI_LOG` environment variable.  For example:
165
166 ```sh
167 MIRI_LOG=info ./miri run tests/run-pass/vecs.rs
168 ```
169
170 Setting `MIRI_LOG` like this will configure logging for Miri itself as well as
171 the `rustc::mir::interpret` and `rustc_mir::interpret` modules in rustc.  You
172 can also do more targeted configuration, e.g. the following helps debug the
173 stacked borrows implementation:
174
175 ```sh
176 MIRI_LOG=rustc_mir::interpret=info,miri::stacked_borrows ./miri run tests/run-pass/vecs.rs
177 ```
178
179 In addition, you can set `MIRI_BACKTRACE=1` to get a backtrace of where an
180 evaluation error was originally raised.
181
182 ### Testing `cargo miri`
183
184 Working with the driver directly gives you full control, but you also lose all
185 the convenience provided by cargo.  Once your test case depends on a crate, it
186 is probably easier to test it with the cargo wrapper.  You can install your
187 development version of Miri using
188
189 ```
190 ./miri install
191 ```
192
193 and then you can use it as if it was installed by `rustup`.  Make sure you use
194 the same toolchain when calling `cargo miri` that you used when installing Miri!
195
196 There's a test for the cargo wrapper in the `test-cargo-miri` directory; run
197 `./run-test.py` in there to execute it.
198
199 ### Using a locally built rustc
200
201 A big part of the Miri driver lives in rustc, so working on Miri will sometimes
202 require using a locally built rustc.  The bug you want to fix may actually be on
203 the rustc side, or you just need to get more detailed trace of the execution
204 than what is possible with release builds -- in both cases, you should develop
205 miri against a rustc you compiled yourself, with debug assertions (and hence
206 tracing) enabled.
207
208 The setup for a local rustc works as follows:
209 ```sh
210 git clone https://github.com/rust-lang/rust/ rustc
211 cd rustc
212 cp config.toml.example config.toml
213 # Now edit `config.toml` and set `debug-assertions = true` and `test-miri = true`.
214 # The latter is important to build libstd with the right flags for miri.
215 # This step can take 30 minutes and more.
216 ./x.py build src/rustc
217 # If you change something, you can get a faster rebuild by doing
218 ./x.py --keep-stage 0 build src/rustc
219 # You may have to change the architecture in the next command
220 rustup toolchain link custom build/x86_64-unknown-linux-gnu/stage2
221 # Now cd to your Miri directory, then configure rustup
222 rustup override set custom
223 ```
224
225 With this, you should now have a working development setup!  See
226 [above][testing-miri] for how to proceed working with the Miri driver.
227
228 ### Miri `-Z` flags and environment variables
229 [miri-flags]: #miri--z-flags-and-environment-variables
230
231 Several `-Z` flags are relevant for Miri:
232
233 * `-Zmiri-seed=<hex>` is a custom `-Z` flag added by Miri.  It enables the
234   interpreted program to seed an RNG with system entropy.  Miri will keep an RNG
235   on its own that is seeded with the given seed, and use that to generate the
236   "system entropy" that seeds the RNG(s) in the interpreted program.
237   **NOTE**: This entropy is not good enough for cryptographic use!  Do not
238   generate secret keys in Miri or perform other kinds of cryptographic
239   operations that rely on proper random numbers.
240 * `-Zmiri-disable-validation` disables enforcing the validity invariant, which
241   is enforced by default.  This is mostly useful for debugging; it means Miri
242   will miss bugs in your program.  However, this can also help to make Miri run
243   faster.
244 * `-Zmir-opt-level` controls how many MIR optimizations are performed.  Miri
245   overrides the default to be `0`; be advised that using any higher level can
246   make Miri miss bugs in your program because they got optimized away.
247 * `-Zalways-encode-mir` makes rustc dump MIR even for completely monomorphic
248   functions.  This is needed so that Miri can execute such functions, so Miri
249   sets this flag per default.
250
251 Moreover, Miri recognizes some environment variables:
252
253 * `MIRI_SYSROOT` (recognized by `miri`, `cargo miri` and the test suite)
254   indicates the sysroot to use.
255 * `MIRI_TARGET` (recognized by the test suite) indicates which target
256   architecture to test against.  `miri` and `cargo miri` accept the `--target`
257   flag for the same purpose.
258
259 ## Contributing and getting help
260
261 Check out the issues on this GitHub repository for some ideas. There's lots that
262 needs to be done that I haven't documented in the issues yet, however. For more
263 ideas or help with running or hacking on Miri, you can open an issue here on
264 GitHub or contact us (`oli-obk` and `RalfJ`) on the [Rust Zulip].
265
266 [Rust Zulip]: https://rust-lang.zulipchat.com
267
268 ## History
269
270 This project began as part of an undergraduate research course in 2015 by
271 @solson at the [University of Saskatchewan][usask].  There are [slides] and a
272 [report] available from that project.  In 2016, @oli-obk joined to prepare miri
273 for eventually being used as const evaluator in the Rust compiler itself
274 (basically, for `const` and `static` stuff), replacing the old evaluator that
275 worked directly on the AST.  In 2017, @RalfJung did an internship with Mozilla
276 and began developing miri towards a tool for detecting undefined behavior, and
277 also using miri as a way to explore the consequences of various possible
278 definitions for undefined behavior in Rust.  @oli-obk's move of the miri engine
279 into the compiler finally came to completion in early 2018.  Meanwhile, later
280 that year, @RalfJung did a second internship, developing miri further with
281 support for checking basic type invariants and verifying that references are
282 used according to their aliasing restrictions.
283
284 [usask]: https://www.usask.ca/
285 [slides]: https://solson.me/miri-slides.pdf
286 [report]: https://solson.me/miri-report.pdf
287
288 ## Bugs found by Miri
289
290 Miri has already found a number of bugs in the Rust standard library and beyond, which we collect here.
291
292 Definite bugs found:
293
294 * [`Debug for vec_deque::Iter` accessing uninitialized memory](https://github.com/rust-lang/rust/issues/53566)
295 * [`From<&[T]> for Rc` creating a not sufficiently aligned reference](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54908)
296 * [`BTreeMap` creating a shared reference pointing to a too small allocation](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54957)
297 * [`Vec::append` creating a dangling reference](https://github.com/rust-lang/rust/pull/61082)
298 * [Futures turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56319)
299 * [`str` turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58200)
300 * [`rand` performing unaligned reads](https://github.com/rust-random/rand/issues/779)
301
302 Violations of Stacked Borrows found that are likely bugs (but Stacked Borrows is currently just an experiment):
303
304 * [`VecDeque` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56161)
305 * [`BTreeMap` creating mutable references that overlap with shared references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58431)
306 * [`LinkedList` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/60072)
307 * [`Vec::push` invalidating existing references into the vector](https://github.com/rust-lang/rust/issues/60847)
308
309 ## License
310
311 Licensed under either of
312   * Apache License, Version 2.0 ([LICENSE-APACHE](LICENSE-APACHE) or
313     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0)
314   * MIT license ([LICENSE-MIT](LICENSE-MIT) or
315     http://opensource.org/licenses/MIT) at your option.
316
317 ### Contribution
318
319 Unless you explicitly state otherwise, any contribution intentionally submitted
320 for inclusion in the work by you shall be dual licensed as above, without any
321 additional terms or conditions.