]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - README.md
README: make our cross-interpretation feature stand out more
[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
7 [undefined behavior](https://doc.rust-lang.org/reference/behavior-considered-undefined.html),
8 for example:
9
10 * Out-of-bounds memory accesses and use-after-free
11 * Invalid use of uninitialized data
12 * Violation of intrinsic preconditions (an [`unreachable_unchecked`] being
13   reached, calling [`copy_nonoverlapping`] with overlapping ranges, ...)
14 * Not sufficiently aligned memory accesses and references
15 * Violation of *some* basic type invariants (a `bool` that is not 0 or 1, for example,
16   or an invalid enum discriminant)
17 * **Experimental**: Violations of the [Stacked Borrows] rules governing aliasing
18   for reference types
19
20 On top of that, Miri will also tell you about memory leaks: when there is memory
21 still allocated at the end of the execution, and that memory is not reachable
22 from a global `static`, Miri will raise an error.
23
24 Miri has already discovered some [real-world bugs](#bugs-found-by-miri).  If you
25 found a bug with Miri, we'd appreciate if you tell us and we'll add it to the
26 list!
27
28 However, be aware that Miri will **not catch all cases of undefined behavior**
29 in your program, and cannot run all programs:
30
31 * There are still plenty of open questions around the basic invariants for some
32   types and when these invariants even have to hold. Miri tries to avoid false
33   positives here, so if you program runs fine in Miri right now that is by no
34   means a guarantee that it is UB-free when these questions get answered.
35
36     In particular, Miri does currently not check that integers/floats are
37   initialized or that references point to valid data.
38 * If the program relies on unspecified details of how data is laid out, it will
39   still run fine in Miri -- but might break (including causing UB) on different
40   compiler versions or different platforms.
41 * Program execution is non-deterministic when it depends, for example, on where
42   exactly in memory allocations end up. Miri tests one of many possible
43   executions of your program. If your code is sensitive to allocation base
44   addresses or other non-deterministic data, try running Miri with different
45   values for `-Zmiri-seed` to test different executions.
46 * Miri runs the program as a platform-independent interpreter, so the program
47   has no access to most platform-specific APIs or FFI. A few APIs have been
48   implemented (such as printing to stdout) but most have not: for example, Miri
49   currently does not support SIMD or networking.
50 * Miri currently does not check for data-races and most other concurrency-related
51   issues.
52
53 [rust]: https://www.rust-lang.org/
54 [mir]: https://github.com/rust-lang/rfcs/blob/master/text/1211-mir.md
55 [`unreachable_unchecked`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/hint/fn.unreachable_unchecked.html
56 [`copy_nonoverlapping`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/ptr/fn.copy_nonoverlapping.html
57 [Stacked Borrows]: https://github.com/rust-lang/unsafe-code-guidelines/blob/master/wip/stacked-borrows.md
58
59
60 ## Using Miri
61
62 Install Miri on Rust nightly via `rustup`:
63
64 ```sh
65 rustup +nightly component add miri
66 ```
67
68 If `rustup` says the `miri` component is unavailable, that's because not all
69 nightly releases come with all tools. Check out
70 [this website](https://rust-lang.github.io/rustup-components-history) to
71 determine a nightly version that comes with Miri and install that using
72 `rustup toolchain install nightly-YYYY-MM-DD`.
73
74 Now you can run your project in Miri:
75
76 1. Run `cargo clean` to eliminate any cached dependencies.  Miri needs your
77    dependencies to be compiled the right way, that would not happen if they have
78    previously already been compiled.
79 2. To run all tests in your project through Miri, use `cargo miri test`.
80 3. If you have a binary project, you can run it through Miri using `cargo miri run`.
81
82 The first time you run Miri, it will perform some extra setup and install some
83 dependencies.  It will ask you for confirmation before installing anything.
84
85 `cargo miri run/test` supports the exact same flags as `cargo run/test`.  You
86 can pass arguments to Miri via `MIRIFLAGS`. For example,
87 `MIRIFLAGS="-Zmiri-disable-stacked-borrows" cargo miri run` runs the program
88 without checking the aliasing of references.
89
90 When compiling code via `cargo miri`, the `cfg(miri)` config flag is set.  You
91 can use this to ignore test cases that fail under Miri because they do things
92 Miri does not support:
93
94 ```rust
95 #[test]
96 #[cfg_attr(miri, ignore)]
97 fn does_not_work_on_miri() {
98     std::thread::spawn(|| println!("Hello Thread!"))
99         .join()
100         .unwrap();
101 }
102 ```
103
104 There is no way to list all the infinite things Miri cannot do, but the
105 interpreter will explicitly tell you when it finds something unsupported:
106
107 ```
108 error: unsupported operation: can't call foreign function: bind
109     ...
110     = help: this is likely not a bug in the program; it indicates that the program \
111             performed an operation that the interpreter does not support
112 ```
113
114 ### Cross-interpretation: running for different targets
115
116 Miri cannot just run a binary or test suite for your host target, it can also
117 perform cross-interpretation for arbitrary foreign targets: `cargo miri run
118 --target x86_64-unknown-linux-gnu` will run your program as if it was a Linux
119 program, no matter your host OS.  This is particularly useful if you are using
120 Windows, as the Linux target is much better supported than Windows targets.
121
122 You can also use this to test platforms with different properties than your host
123 platform.  For example `cargo miri test --target mips64-unknown-linux-gnuabi64`
124 will run your test suite on a big-endian target, which is useful for testing
125 endian-sensitive code.
126
127 ### Running Miri on CI
128
129 To run Miri on CI, make sure that you handle the case where the latest nightly
130 does not ship the Miri component because it currently does not build.  For
131 example, you can use the following snippet to always test with the latest
132 nightly that *does* come with Miri:
133
134 ```sh
135 MIRI_NIGHTLY=nightly-$(curl -s https://rust-lang.github.io/rustup-components-history/x86_64-unknown-linux-gnu/miri)
136 echo "Installing latest nightly with Miri: $MIRI_NIGHTLY"
137 rustup set profile minimal
138 rustup default "$MIRI_NIGHTLY"
139 rustup component add miri
140
141 cargo miri test
142 ```
143
144 ### Common Problems
145
146 When using the above instructions, you may encounter a number of confusing compiler
147 errors.
148
149 #### "found possibly newer version of crate `std` which `<dependency>` depends on"
150
151 Your build directory may contain artifacts from an earlier build that have/have
152 not been built for Miri. Run `cargo clean` before switching from non-Miri to
153 Miri builds and vice-versa.
154
155 #### "found crate `std` compiled by an incompatible version of rustc"
156
157 You may be running `cargo miri` with a different compiler version than the one
158 used to build the custom libstd that Miri uses, and Miri failed to detect that.
159 Try deleting `~/.cache/miri`.
160
161 #### "no mir for `std::rt::lang_start_internal`"
162
163 This means the sysroot you are using was not compiled with Miri in mind.  This
164 should never happen when you use `cargo miri` because that takes care of setting
165 up the sysroot.  If you are using `miri` (the Miri driver) directly, see the
166 [contributors' guide](CONTRIBUTING.md) for how to use `./miri` to best do that.
167
168
169 ## Miri `-Z` flags and environment variables
170 [miri-flags]: #miri--z-flags-and-environment-variables
171
172 Miri adds its own set of `-Z` flags, which are usually set via the `MIRIFLAGS`
173 environment variable:
174
175 * `-Zmiri-disable-alignment-check` disables checking pointer alignment, so you
176   can focus on other failures, but it means Miri can miss bugs in your program.
177   Using this flag is **unsound**.
178 * `-Zmiri-disable-stacked-borrows` disables checking the experimental
179   [Stacked Borrows] aliasing rules.  This can make Miri run faster, but it also
180   means no aliasing violations will be detected.  Using this flag is **unsound**
181   (but the affected soundness rules are experimental).
182 * `-Zmiri-disable-validation` disables enforcing validity invariants, which are
183   enforced by default.  This is mostly useful to focus on other failures (such
184   as out-of-bounds accesses) first.  Setting this flag means Miri can miss bugs
185   in your program.  However, this can also help to make Miri run faster.  Using
186   this flag is **unsound**.
187 * `-Zmiri-disable-isolation` disables host isolation.  As a consequence,
188   the program has access to host resources such as environment variables, file
189   systems, and randomness.
190 * `-Zmiri-env-exclude=<var>` keeps the `var` environment variable isolated from
191   the host so that it cannot be accessed by the program.  Can be used multiple
192   times to exclude several variables.  On Windows, the `TERM` environment
193   variable is excluded by default.
194 * `-Zmiri-ignore-leaks` disables the memory leak checker.
195 * `-Zmiri-seed=<hex>` configures the seed of the RNG that Miri uses to resolve
196   non-determinism.  This RNG is used to pick base addresses for allocations.
197   When isolation is enabled (the default), this is also used to emulate system
198   entropy.  The default seed is 0.  **NOTE**: This entropy is not good enough
199   for cryptographic use!  Do not generate secret keys in Miri or perform other
200   kinds of cryptographic operations that rely on proper random numbers.
201 * `-Zmiri-symbolic-alignment-check` makes the alignment check more strict.  By
202   default, alignment is checked by casting the pointer to an integer, and making
203   sure that is a multiple of the alignment.  This can lead to cases where a
204   program passes the alignment check by pure chance, because things "happened to
205   be" sufficiently aligned -- there is no UB in this execution but there would
206   be UB in others.  To avoid such cases, the symbolic alignment check only takes
207   into account the requested alignment of the relevant allocation, and the
208   offset into that allocation.  This avoids missing such bugs, but it also
209   incurs some false positives when the code does manual integer arithmetic to
210   ensure alignment.  (The standard library `align_to` method works fine in both
211   modes; under symbolic alignment it only fills the middle slice when the
212   allocation guarantees sufficient alignment.)
213 * `-Zmiri-track-alloc-id=<id>` shows a backtrace when the given allocation is
214   being allocated or freed.  This helps in debugging memory leaks and
215   use after free bugs.
216 * `-Zmiri-track-pointer-tag=<tag>` shows a backtrace when the given pointer tag
217   is popped from a borrow stack (which is where the tag becomes invalid and any
218   future use of it will error).  This helps you in finding out why UB is
219   happening and where in your code would be a good place to look for it.
220 * `-Zmiri-track-call-id=<id>` shows a backtrace when the given call id is
221   assigned to a stack frame.  This helps in debugging UB related to Stacked
222   Borrows "protectors".
223
224 Some native rustc `-Z` flags are also very relevant for Miri:
225
226 * `-Zmir-opt-level` controls how many MIR optimizations are performed.  Miri
227   overrides the default to be `0`; be advised that using any higher level can
228   make Miri miss bugs in your program because they got optimized away.
229 * `-Zalways-encode-mir` makes rustc dump MIR even for completely monomorphic
230   functions.  This is needed so that Miri can execute such functions, so Miri
231   sets this flag per default.
232 * `-Zmir-emit-retag` controls whether `Retag` statements are emitted. Miri
233   enables this per default because it is needed for [Stacked Borrows].
234
235 Moreover, Miri recognizes some environment variables:
236
237 * `MIRI_LOG`, `MIRI_BACKTRACE` control logging and backtrace printing during
238   Miri executions, also [see above][testing-miri].
239 * `MIRIFLAGS` (recognized by `cargo miri` and the test suite) defines extra
240   flags to be passed to Miri.
241 * `MIRI_SYSROOT` (recognized by `cargo miri` and the test suite)
242   indicates the sysroot to use.  To do the same thing with `miri`
243   directly, use the `--sysroot` flag.
244 * `MIRI_TEST_TARGET` (recognized by the test suite) indicates which target
245   architecture to test against.  `miri` and `cargo miri` accept the `--target`
246   flag for the same purpose.
247
248 The following environment variables are internal, but used to communicate between
249 different Miri binaries, and as such worth documenting:
250
251 * `MIRI_BE_RUSTC` when set to any value tells the Miri driver to actually not
252   interpret the code but compile it like rustc would. This is useful to be sure
253   that the compiled `rlib`s are compatible with Miri.
254   When set while running `cargo-miri`, it indicates that we are part of a sysroot
255   build (for which some crates need special treatment).
256 * `MIRI_CWD` when set to any value tells the Miri driver to change to the given
257   directory after loading all the source files, but before commencing
258   interpretation. This is useful if the interpreted program wants a different
259   working directory at run-time than at build-time.
260
261 ## Miri `extern` functions
262
263 Miri provides some `extern` functions that programs can import to access
264 Miri-specific functionality:
265
266 ```rust
267 #[cfg(miri)]
268 extern "Rust" {
269     /// Miri-provided extern function to mark the block `ptr` points to as a "root"
270     /// for some static memory. This memory and everything reachable by it is not
271     /// considered leaking even if it still exists when the program terminates.
272     ///
273     /// `ptr` has to point to the beginning of an allocated block.
274     fn miri_static_root(ptr: *const u8);
275
276     /// Miri-provided extern function to obtain a backtrace of the current call stack.
277     /// This returns a boxed slice of pointers - each pointer is an opaque value
278     /// that is only useful when passed to `miri_resolve_frame`
279     /// The `flags` argument must be `0`.
280     fn miri_get_backtrace(flags: u64) -> Box<[*mut ()]>;
281
282     /// Miri-provided extern function to resolve a frame pointer obtained
283     /// from `miri_get_backtrace`. The `flags` argument must be `0`,
284     /// and `MiriFrame` should be declared as follows:
285     ///
286     /// ```rust
287     /// #[repr(C)]
288     /// struct MiriFrame {
289     ///     // The name of the function being executed, encoded in UTF-8
290     ///     name: Box<[u8]>,
291     ///     // The filename of the function being executed, encoded in UTF-8
292     ///     filename: Box<[u8]>,
293     ///     // The line number currently being executed in `filename`, starting from '1'.
294     ///     lineno: u32,
295     ///     // The column number currently being executed in `filename`, starting from '1'.
296     ///     colno: u32,
297     /// }
298     /// ```
299     ///
300     /// The fields must be declared in exactly the same order as they appear in `MiriFrame` above.
301     /// This function can be called on any thread (not just the one which obtained `frame`).
302     fn miri_resolve_frame(frame: *mut (), flags: u64) -> MiriFrame;
303
304     /// Miri-provided extern function to begin unwinding with the given payload.
305     ///
306     /// This is internal and unstable and should not be used; we give it here
307     /// just to be complete.
308     fn miri_start_panic(payload: *mut u8) -> !;
309 }
310 ```
311
312 ## Contributing and getting help
313
314 If you want to contribute to Miri, great!  Please check out our
315 [contribution guide](CONTRIBUTING.md).
316
317 For help with running Miri, you can open an issue here on
318 GitHub or contact us (`oli-obk` and `RalfJ`) on the [Rust Zulip].
319
320 [Rust Zulip]: https://rust-lang.zulipchat.com
321
322 ## History
323
324 This project began as part of an undergraduate research course in 2015 by
325 @solson at the [University of Saskatchewan][usask].  There are [slides] and a
326 [report] available from that project.  In 2016, @oli-obk joined to prepare miri
327 for eventually being used as const evaluator in the Rust compiler itself
328 (basically, for `const` and `static` stuff), replacing the old evaluator that
329 worked directly on the AST.  In 2017, @RalfJung did an internship with Mozilla
330 and began developing miri towards a tool for detecting undefined behavior, and
331 also using miri as a way to explore the consequences of various possible
332 definitions for undefined behavior in Rust.  @oli-obk's move of the miri engine
333 into the compiler finally came to completion in early 2018.  Meanwhile, later
334 that year, @RalfJung did a second internship, developing miri further with
335 support for checking basic type invariants and verifying that references are
336 used according to their aliasing restrictions.
337
338 [usask]: https://www.usask.ca/
339 [slides]: https://solson.me/miri-slides.pdf
340 [report]: https://solson.me/miri-report.pdf
341
342 ## Bugs found by Miri
343
344 Miri has already found a number of bugs in the Rust standard library and beyond, which we collect here.
345
346 Definite bugs found:
347
348 * [`Debug for vec_deque::Iter` accessing uninitialized memory](https://github.com/rust-lang/rust/issues/53566)
349 * [`Vec::into_iter` doing an unaligned ZST read](https://github.com/rust-lang/rust/pull/53804)
350 * [`From<&[T]> for Rc` creating a not sufficiently aligned reference](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54908)
351 * [`BTreeMap` creating a shared reference pointing to a too small allocation](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54957)
352 * [`Vec::append` creating a dangling reference](https://github.com/rust-lang/rust/pull/61082)
353 * [Futures turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56319)
354 * [`str` turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58200)
355 * [`rand` performing unaligned reads](https://github.com/rust-random/rand/issues/779)
356 * [The Unix allocator calling `posix_memalign` in an invalid way](https://github.com/rust-lang/rust/issues/62251)
357 * [`getrandom` calling the `getrandom` syscall in an invalid way](https://github.com/rust-random/getrandom/pull/73)
358 * [`Vec`](https://github.com/rust-lang/rust/issues/69770) and [`BTreeMap`](https://github.com/rust-lang/rust/issues/69769) leaking memory under some (panicky) conditions
359 * [`beef` leaking memory](https://github.com/maciejhirsz/beef/issues/12)
360 * [`EbrCell` using uninitialized memory incorrectly](https://github.com/Firstyear/concread/commit/b15be53b6ec076acb295a5c0483cdb4bf9be838f#diff-6282b2fc8e98bd089a1f0c86f648157cR229)
361 * [TiKV performing an unaligned pointer access](https://github.com/tikv/tikv/issues/7613)
362 * [`servo_arc` creating a dangling shared reference](https://github.com/servo/servo/issues/26357)
363 * [TiKV constructing out-of-bounds pointers (and overlapping mutable references)](https://github.com/tikv/tikv/pull/7751)
364 * [`encoding_rs` doing out-of-bounds pointer arithmetic](https://github.com/hsivonen/encoding_rs/pull/53)
365
366 Violations of [Stacked Borrows] found that are likely bugs (but Stacked Borrows is currently just an experiment):
367
368 * [`VecDeque::drain` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56161)
369 * [`BTreeMap` iterators creating mutable references that overlap with shared references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58431)
370 * [`LinkedList` cursor insertion creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/60072)
371 * [`Vec::push` invalidating existing references into the vector](https://github.com/rust-lang/rust/issues/60847)
372 * [`align_to_mut` violating uniqueness of mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/68549)
373 * [`sized-chunks` creating aliasing mutable references](https://github.com/bodil/sized-chunks/issues/8)
374 * [`String::push_str` invalidating existing references into the string](https://github.com/rust-lang/rust/issues/70301)
375 * [`ryu` using raw pointers outside their valid memory area](https://github.com/dtolnay/ryu/issues/24)
376 * [ink! creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/miri/issues/1364)
377 * [TiKV creating overlapping mutable reference and raw pointer](https://github.com/tikv/tikv/pull/7709)
378 * [Windows `Env` iterator creating `*const T` from `&T` to read memory outside of `T`](https://github.com/rust-lang/rust/pull/70479)
379 * [`BTreeMap::iter_mut` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/73915)
380 * [`VecDeque::iter_mut` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/74029)
381
382 ## License
383
384 Licensed under either of
385   * Apache License, Version 2.0 ([LICENSE-APACHE](LICENSE-APACHE) or
386     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0)
387   * MIT license ([LICENSE-MIT](LICENSE-MIT) or
388     http://opensource.org/licenses/MIT) at your option.
389
390 ### Contribution
391
392 Unless you explicitly state otherwise, any contribution intentionally submitted
393 for inclusion in the work by you shall be dual licensed as above, without any
394 additional terms or conditions.