]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - README.md
another TiKV bug for the trophy case :)
[rust.git] / README.md
1 # Miri
2
3 [![Actions build status][actions-badge]][actions-url]
4 [![Travis build status](https://travis-ci.com/rust-lang/miri.svg?branch=master)](https://travis-ci.com/rust-lang/miri)
5 [![Appveyor 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)
6
7 [actions-badge]: https://github.com/rust-lang/miri/workflows/CI/badge.svg?branch=master
8 [actions-url]: https://github.com/rust-lang/miri/actions
9
10 An experimental interpreter for [Rust][rust]'s
11 [mid-level intermediate representation][mir] (MIR).  It can run binaries and
12 test suites of cargo projects and detect certain classes of
13 [undefined behavior](https://doc.rust-lang.org/reference/behavior-considered-undefined.html),
14 for example:
15
16 * Out-of-bounds memory accesses and use-after-free
17 * Invalid use of uninitialized data
18 * Violation of intrinsic preconditions (an [`unreachable_unchecked`] being
19   reached, calling [`copy_nonoverlapping`] with overlapping ranges, ...)
20 * Not sufficiently aligned memory accesses and references
21 * Violation of *some* basic type invariants (a `bool` that is not 0 or 1, for example,
22   or an invalid enum discriminant)
23 * **Experimental**: Violations of the [Stacked Borrows] rules governing aliasing
24   for reference types
25
26 On top of that, Miri will also tell you about memory leaks: when there is memory
27 still allocated at the end of the execution, and that memory is not reachable
28 from a global `static`, Miri will raise an error.
29
30 Miri has already discovered some [real-world bugs](#bugs-found-by-miri).  If you
31 found a bug with Miri, we'd appreciate if you tell us and we'll add it to the
32 list!
33
34 However, be aware that Miri will **not catch all cases of undefined behavior**
35 in your program, and cannot run all programs:
36
37 * There are still plenty of open questions around the basic invariants for some
38   types and when these invariants even have to hold. Miri tries to avoid false
39   positives here, so if you program runs fine in Miri right now that is by no
40   means a guarantee that it is UB-free when these questions get answered.
41
42     In particular, Miri does currently not check that integers/floats are
43   initialized or that references point to valid data.
44 * If the program relies on unspecified details of how data is laid out, it will
45   still run fine in Miri -- but might break (including causing UB) on different
46   compiler versions or different platforms.
47 * Program execution is non-deterministic when it depends, for example, on where
48   exactly in memory allocations end up. Miri tests one of many possible
49   executions of your program. If your code is sensitive to allocation base
50   addresses or other non-deterministic data, try running Miri with different
51   values for `-Zmiri-seed` to test different executions.
52 * Miri runs the program as a platform-independent interpreter, so the program
53   has no access to most platform-specific APIs or FFI. A few APIs have been
54   implemented (such as printing to stdout) but most have not: for example, Miri
55   currently does not support SIMD or networking.
56 * Miri currently does not check for data-races and most other concurrency-related
57   issues.
58
59 [rust]: https://www.rust-lang.org/
60 [mir]: https://github.com/rust-lang/rfcs/blob/master/text/1211-mir.md
61 [`unreachable_unchecked`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/hint/fn.unreachable_unchecked.html
62 [`copy_nonoverlapping`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/ptr/fn.copy_nonoverlapping.html
63 [Stacked Borrows]: https://github.com/rust-lang/unsafe-code-guidelines/blob/master/wip/stacked-borrows.md
64
65
66 ## Using Miri
67
68 Install Miri on Rust nightly via `rustup`:
69
70 ```sh
71 rustup +nightly component add miri
72 ```
73
74 If `rustup` says the `miri` component is unavailable, that's because not all
75 nightly releases come with all tools. Check out
76 [this website](https://rust-lang.github.io/rustup-components-history) to
77 determine a nightly version that comes with Miri and install that using
78 `rustup toolchain install nightly-YYYY-MM-DD`.
79
80 Now you can run your project in Miri:
81
82 1. Run `cargo clean` to eliminate any cached dependencies.  Miri needs your
83    dependencies to be compiled the right way, that would not happen if they have
84    previously already been compiled.
85 2. To run all tests in your project through Miri, use `cargo miri test`.
86 3. If you have a binary project, you can run it through Miri using `cargo miri run`.
87
88 The first time you run Miri, it will perform some extra setup and install some
89 dependencies.  It will ask you for confirmation before installing anything.
90
91 `cargo miri run/test` supports the exact same flags as `cargo run/test`.  You
92 can pass arguments to Miri via `MIRIFLAGS`. For example,
93 `MIRIFLAGS="-Zmiri-disable-stacked-borrows" cargo miri run` runs the program
94 without checking the aliasing of references.
95
96 When compiling code via `cargo miri`, the `cfg(miri)` config flag is set.  You
97 can use this to ignore test cases that fail under Miri because they do things
98 Miri does not support:
99
100 ```rust
101 #[test]
102 #[cfg_attr(miri, ignore)]
103 fn does_not_work_on_miri() {
104     std::thread::spawn(|| println!("Hello Thread!"))
105         .join()
106         .unwrap();
107 }
108 ```
109
110 There is no way to list all the infinite things Miri cannot do, but the
111 interpreter will explicitly tell you when it finds something unsupported:
112
113 ```
114 error: unsupported operation: can't call foreign function: bind
115     ...
116     = help: this is likely not a bug in the program; it indicates that the program \
117             performed an operation that the interpreter does not support
118 ```
119
120 ### Cross-interpretation: running for different targets
121
122 Miri can not only run a binary or test suite for your host target, it can also
123 perform cross-interpretation for arbitrary foreign targets: `cargo miri run
124 --target x86_64-unknown-linux-gnu` will run your program as if it was a Linux
125 program, no matter your host OS.  This is particularly useful if you are using
126 Windows, as the Linux target is much better supported than Windows targets.
127
128 You can also use this to test platforms with different properties than your host
129 platform.  For example `cargo miri test --target mips64-unknown-linux-gnuabi64`
130 will run your test suite on a big-endian target, which is useful for testing
131 endian-sensitive code.
132
133 ### Running Miri on CI
134
135 To run Miri on CI, make sure that you handle the case where the latest nightly
136 does not ship the Miri component because it currently does not build.  For
137 example, you can use the following snippet to always test with the latest
138 nightly that *does* come with Miri:
139
140 ```sh
141 MIRI_NIGHTLY=nightly-$(curl -s https://rust-lang.github.io/rustup-components-history/x86_64-unknown-linux-gnu/miri)
142 echo "Installing latest nightly with Miri: $MIRI_NIGHTLY"
143 rustup set profile minimal
144 rustup default "$MIRI_NIGHTLY"
145 rustup component add miri
146
147 cargo miri test
148 ```
149
150 ### Common Problems
151
152 When using the above instructions, you may encounter a number of confusing compiler
153 errors.
154
155 #### "found possibly newer version of crate `std` which `<dependency>` depends on"
156
157 Your build directory may contain artifacts from an earlier build that have/have
158 not been built for Miri. Run `cargo clean` before switching from non-Miri to
159 Miri builds and vice-versa.
160
161 #### "found crate `std` compiled by an incompatible version of rustc"
162
163 You may be running `cargo miri` with a different compiler version than the one
164 used to build the custom libstd that Miri uses, and Miri failed to detect that.
165 Try deleting `~/.cache/miri`.
166
167 #### "no mir for `std::rt::lang_start_internal`"
168
169 This means the sysroot you are using was not compiled with Miri in mind.  This
170 should never happen when you use `cargo miri` because that takes care of setting
171 up the sysroot.  If you are using `miri` (the Miri driver) directly, see the
172 [contributors' guide](CONTRIBUTING.md) for how to use `./miri` to best do that.
173
174
175 ## Miri `-Z` flags and environment variables
176 [miri-flags]: #miri--z-flags-and-environment-variables
177
178 Miri adds its own set of `-Z` flags, which are usually set via the `MIRIFLAGS`
179 environment variable:
180
181 * `-Zmiri-disable-alignment-check` disables checking pointer alignment, so you
182   can focus on other failures, but it means Miri can miss bugs in your program.
183   Using this flag is **unsound**.
184 * `-Zmiri-disable-stacked-borrows` disables checking the experimental
185   [Stacked Borrows] aliasing rules.  This can make Miri run faster, but it also
186   means no aliasing violations will be detected.  Using this flag is **unsound**
187   (but the affected soundness rules are experimental).
188 * `-Zmiri-disable-validation` disables enforcing validity invariants, which are
189   enforced by default.  This is mostly useful to focus on other failures (such
190   as out-of-bounds accesses) first.  Setting this flag means Miri can miss bugs
191   in your program.  However, this can also help to make Miri run faster.  Using
192   this flag is **unsound**.
193 * `-Zmiri-disable-isolation` disables host isolation.  As a consequence,
194   the program has access to host resources such as environment variables, file
195   systems, and randomness.
196 * `-Zmiri-env-exclude=<var>` keeps the `var` environment variable isolated from
197   the host so that it cannot be accessed by the program.  Can be used multiple
198   times to exclude several variables.  On Windows, the `TERM` environment
199   variable is excluded by default.
200 * `-Zmiri-ignore-leaks` disables the memory leak checker.
201 * `-Zmiri-seed=<hex>` configures the seed of the RNG that Miri uses to resolve
202   non-determinism.  This RNG is used to pick base addresses for allocations.
203   When isolation is enabled (the default), this is also used to emulate system
204   entropy.  The default seed is 0.  **NOTE**: This entropy is not good enough
205   for cryptographic use!  Do not generate secret keys in Miri or perform other
206   kinds of cryptographic operations that rely on proper random numbers.
207 * `-Zmiri-symbolic-alignment-check` makes the alignment check more strict.  By
208   default, alignment is checked by casting the pointer to an integer, and making
209   sure that is a multiple of the alignment.  This can lead to cases where a
210   program passes the alignment check by pure chance, because things "happened to
211   be" sufficiently aligned -- there is no UB in this execution but there would
212   be UB in others.  To avoid such cases, the symbolic alignment check only takes
213   into account the requested alignment of the relevant allocation, and the
214   offset into that allocation.  This avoids missing such bugs, but it also
215   incurs some false positives when the code does manual integer arithmetic to
216   ensure alignment.  (The standard library `align_to` method works fine in both
217   modes; under symbolic alignment it only fills the middle slice when the
218   allocation guarantees sufficient alignment.)
219 * `-Zmiri-track-alloc-id=<id>` shows a backtrace when the given allocation is
220   being allocated or freed.  This helps in debugging memory leaks and
221   use after free bugs.
222 * `-Zmiri-track-pointer-tag=<tag>` shows a backtrace when the given pointer tag
223   is popped from a borrow stack (which is where the tag becomes invalid and any
224   future use of it will error).  This helps you in finding out why UB is
225   happening and where in your code would be a good place to look for it.
226 * `-Zmiri-track-call-id=<id>` shows a backtrace when the given call id is
227   assigned to a stack frame.  This helps in debugging UB related to Stacked
228   Borrows "protectors".
229
230 Some native rustc `-Z` flags are also very relevant for Miri:
231
232 * `-Zmir-opt-level` controls how many MIR optimizations are performed.  Miri
233   overrides the default to be `0`; be advised that using any higher level can
234   make Miri miss bugs in your program because they got optimized away.
235 * `-Zalways-encode-mir` makes rustc dump MIR even for completely monomorphic
236   functions.  This is needed so that Miri can execute such functions, so Miri
237   sets this flag per default.
238 * `-Zmir-emit-retag` controls whether `Retag` statements are emitted. Miri
239   enables this per default because it is needed for [Stacked Borrows].
240
241 Moreover, Miri recognizes some environment variables:
242
243 * `MIRI_LOG`, `MIRI_BACKTRACE` control logging and backtrace printing during
244   Miri executions, also [see above][testing-miri].
245 * `MIRIFLAGS` (recognized by `cargo miri` and the test suite) defines extra
246   flags to be passed to Miri.
247 * `MIRI_SYSROOT` (recognized by `cargo miri` and the test suite)
248   indicates the sysroot to use.  To do the same thing with `miri`
249   directly, use the `--sysroot` flag.
250 * `MIRI_TEST_TARGET` (recognized by the test suite) indicates which target
251   architecture to test against.  `miri` and `cargo miri` accept the `--target`
252   flag for the same purpose.
253
254 The following environment variables are internal, but used to communicate between
255 different Miri binaries, and as such worth documenting:
256
257 * `MIRI_BE_RUSTC` when set to any value tells the Miri driver to actually not
258   interpret the code but compile it like rustc would. This is useful to be sure
259   that the compiled `rlib`s are compatible with Miri.
260   When set while running `cargo-miri`, it indicates that we are part of a sysroot
261   build (for which some crates need special treatment).
262 * `MIRI_CWD` when set to any value tells the Miri driver to change to the given
263   directory after loading all the source files, but before commencing
264   interpretation. This is useful if the interpreted program wants a different
265   working directory at run-time than at build-time.
266
267 ## Miri `extern` functions
268
269 Miri provides some `extern` functions that programs can import to access
270 Miri-specific functionality:
271
272 ```rust
273 #[cfg(miri)]
274 extern "Rust" {
275     /// Miri-provided extern function to mark the block `ptr` points to as a "root"
276     /// for some static memory. This memory and everything reachable by it is not
277     /// considered leaking even if it still exists when the program terminates.
278     ///
279     /// `ptr` has to point to the beginning of an allocated block.
280     fn miri_static_root(ptr: *const u8);
281
282     /// Miri-provided extern function to obtain a backtrace of the current call stack.
283     /// This returns a boxed slice of pointers - each pointer is an opaque value
284     /// that is only useful when passed to `miri_resolve_frame`
285     /// The `flags` argument must be `0`.
286     fn miri_get_backtrace(flags: u64) -> Box<[*mut ()]>;
287
288     /// Miri-provided extern function to resolve a frame pointer obtained
289     /// from `miri_get_backtrace`. The `flags` argument must be `0`,
290     /// and `MiriFrame` should be declared as follows:
291     ///
292     /// ```rust
293     /// #[repr(C)]
294     /// struct MiriFrame {
295     ///     // The name of the function being executed, encoded in UTF-8
296     ///     name: Box<[u8]>,
297     ///     // The filename of the function being executed, encoded in UTF-8
298     ///     filename: Box<[u8]>,
299     ///     // The line number currently being executed in `filename`, starting from '1'.
300     ///     lineno: u32,
301     ///     // The column number currently being executed in `filename`, starting from '1'.
302     ///     colno: u32,
303     ///     // The function pointer to the function currently being executed.
304     ///     // This can be compared against function pointers obtained by
305     ///     // casting a function (e.g. `my_fn as *mut ()`)
306     ///     fn_ptr: *mut ()
307     /// }
308     /// ```
309     ///
310     /// The fields must be declared in exactly the same order as they appear in `MiriFrame` above.
311     /// This function can be called on any thread (not just the one which obtained `frame`).
312     fn miri_resolve_frame(frame: *mut (), flags: u64) -> MiriFrame;
313
314     /// Miri-provided extern function to begin unwinding with the given payload.
315     ///
316     /// This is internal and unstable and should not be used; we give it here
317     /// just to be complete.
318     fn miri_start_panic(payload: *mut u8) -> !;
319 }
320 ```
321
322 ## Contributing and getting help
323
324 If you want to contribute to Miri, great!  Please check out our
325 [contribution guide](CONTRIBUTING.md).
326
327 For help with running Miri, you can open an issue here on
328 GitHub or contact us (`oli-obk` and `RalfJ`) on the [Rust Zulip].
329
330 [Rust Zulip]: https://rust-lang.zulipchat.com
331
332 ## History
333
334 This project began as part of an undergraduate research course in 2015 by
335 @solson at the [University of Saskatchewan][usask].  There are [slides] and a
336 [report] available from that project.  In 2016, @oli-obk joined to prepare miri
337 for eventually being used as const evaluator in the Rust compiler itself
338 (basically, for `const` and `static` stuff), replacing the old evaluator that
339 worked directly on the AST.  In 2017, @RalfJung did an internship with Mozilla
340 and began developing miri towards a tool for detecting undefined behavior, and
341 also using miri as a way to explore the consequences of various possible
342 definitions for undefined behavior in Rust.  @oli-obk's move of the miri engine
343 into the compiler finally came to completion in early 2018.  Meanwhile, later
344 that year, @RalfJung did a second internship, developing miri further with
345 support for checking basic type invariants and verifying that references are
346 used according to their aliasing restrictions.
347
348 [usask]: https://www.usask.ca/
349 [slides]: https://solson.me/miri-slides.pdf
350 [report]: https://solson.me/miri-report.pdf
351
352 ## Bugs found by Miri
353
354 Miri has already found a number of bugs in the Rust standard library and beyond, which we collect here.
355
356 Definite bugs found:
357
358 * [`Debug for vec_deque::Iter` accessing uninitialized memory](https://github.com/rust-lang/rust/issues/53566)
359 * [`Vec::into_iter` doing an unaligned ZST read](https://github.com/rust-lang/rust/pull/53804)
360 * [`From<&[T]> for Rc` creating a not sufficiently aligned reference](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54908)
361 * [`BTreeMap` creating a shared reference pointing to a too small allocation](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54957)
362 * [`Vec::append` creating a dangling reference](https://github.com/rust-lang/rust/pull/61082)
363 * [Futures turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56319)
364 * [`str` turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58200)
365 * [`rand` performing unaligned reads](https://github.com/rust-random/rand/issues/779)
366 * [The Unix allocator calling `posix_memalign` in an invalid way](https://github.com/rust-lang/rust/issues/62251)
367 * [`getrandom` calling the `getrandom` syscall in an invalid way](https://github.com/rust-random/getrandom/pull/73)
368 * [`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
369 * [`beef` leaking memory](https://github.com/maciejhirsz/beef/issues/12)
370 * [`EbrCell` using uninitialized memory incorrectly](https://github.com/Firstyear/concread/commit/b15be53b6ec076acb295a5c0483cdb4bf9be838f#diff-6282b2fc8e98bd089a1f0c86f648157cR229)
371 * [TiKV performing an unaligned pointer access](https://github.com/tikv/tikv/issues/7613)
372 * [`servo_arc` creating a dangling shared reference](https://github.com/servo/servo/issues/26357)
373 * [TiKV constructing out-of-bounds pointers (and overlapping mutable references)](https://github.com/tikv/tikv/pull/7751)
374 * [`encoding_rs` doing out-of-bounds pointer arithmetic](https://github.com/hsivonen/encoding_rs/pull/53)
375 * [TiKV using `Vec::from_raw_parts` incorrectly](https://github.com/tikv/agatedb/pull/24)
376
377 Violations of [Stacked Borrows] found that are likely bugs (but Stacked Borrows is currently just an experiment):
378
379 * [`VecDeque::drain` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56161)
380 * [`BTreeMap` iterators creating mutable references that overlap with shared references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58431)
381 * [`LinkedList` cursor insertion creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/60072)
382 * [`Vec::push` invalidating existing references into the vector](https://github.com/rust-lang/rust/issues/60847)
383 * [`align_to_mut` violating uniqueness of mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/68549)
384 * [`sized-chunks` creating aliasing mutable references](https://github.com/bodil/sized-chunks/issues/8)
385 * [`String::push_str` invalidating existing references into the string](https://github.com/rust-lang/rust/issues/70301)
386 * [`ryu` using raw pointers outside their valid memory area](https://github.com/dtolnay/ryu/issues/24)
387 * [ink! creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/miri/issues/1364)
388 * [TiKV creating overlapping mutable reference and raw pointer](https://github.com/tikv/tikv/pull/7709)
389 * [Windows `Env` iterator creating `*const T` from `&T` to read memory outside of `T`](https://github.com/rust-lang/rust/pull/70479)
390 * [`BTreeMap::iter_mut` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/73915)
391 * [`VecDeque::iter_mut` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/74029)
392
393 ## License
394
395 Licensed under either of
396   * Apache License, Version 2.0 ([LICENSE-APACHE](LICENSE-APACHE) or
397     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0)
398   * MIT license ([LICENSE-MIT](LICENSE-MIT) or
399     http://opensource.org/licenses/MIT) at your option.
400
401 ### Contribution
402
403 Unless you explicitly state otherwise, any contribution intentionally submitted
404 for inclusion in the work by you shall be dual licensed as above, without any
405 additional terms or conditions.