]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - README.md
Auto merge of #1213 - lcnr:master, r=RalfJung
[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 Miri has already discovered some [real-world bugs](#bugs-found-by-miri).  If you
21 found a bug with Miri, we'd appreciate if you tell us and we'll add it to the
22 list!
23
24 Be aware that Miri will **not catch all cases of undefined behavior** in your
25 program, and cannot run all programs:
26
27 * There are still plenty of open questions around the basic invariants for some
28   types and when these invariants even have to hold. Miri tries to avoid false
29   positives here, so if you program runs fine in Miri right now that is by no
30   means a guarantee that it is UB-free when these questions get answered.
31
32     In particular, Miri does currently not check that integers are initialized
33   or that references point to valid data.
34 * If the program relies on unspecified details of how data is laid out, it will
35   still run fine in Miri -- but might break (including causing UB) on different
36   compiler versions or different platforms.
37 * Program execution is non-deterministic when it depends, for example, on where
38   exactly in memory allocations end up. Miri tests one of many possible
39   executions of your program. If your code is sensitive to allocation base
40   addresses or other non-deterministic data, try running Miri with different
41   values for `-Zmiri-seed` to test different executions.
42 * Miri runs the program as a platform-independent interpreter, so the program
43   has no access to most platform-specific APIs or FFI. A few APIs have been
44   implemented (such as printing to stdout) but most have not: for example, Miri
45   currently does not support concurrency, or SIMD, or networking.
46
47 [rust]: https://www.rust-lang.org/
48 [mir]: https://github.com/rust-lang/rfcs/blob/master/text/1211-mir.md
49 [`unreachable_unchecked`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/hint/fn.unreachable_unchecked.html
50 [`copy_nonoverlapping`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/ptr/fn.copy_nonoverlapping.html
51 [Stacked Borrows]: https://github.com/rust-lang/unsafe-code-guidelines/blob/master/wip/stacked-borrows.md
52
53
54 ## Using Miri
55
56 Install Miri on Rust nightly via `rustup`:
57
58 ```sh
59 rustup +nightly component add miri
60 ```
61
62 If `rustup` says the `miri` component is unavailable, that's because not all
63 nightly releases come with all tools. Check out
64 [this website](https://rust-lang.github.io/rustup-components-history) to
65 determine a nightly version that comes with Miri and install that using
66 `rustup toolchain install nightly-YYYY-MM-DD`.
67
68 Now you can run your project in Miri:
69
70 1. Run `cargo clean` to eliminate any cached dependencies.  Miri needs your
71    dependencies to be compiled the right way, that would not happen if they have
72    previously already been compiled.
73 2. To run all tests in your project through Miri, use `cargo miri test`.
74 3. If you have a binary project, you can run it through Miri using `cargo miri run`.
75
76 The first time you run Miri, it will perform some extra setup and install some
77 dependencies.  It will ask you for confirmation before installing anything.
78
79 You can pass arguments to Miri after the first `--`, and pass arguments to the
80 interpreted program or test suite after the second `--`.  For example, `cargo
81 miri run -- -Zmiri-disable-validation` runs the program without validation of
82 basic type invariants and without checking the aliasing of references.
83
84 When compiling code via `cargo miri`, the `miri` config flag is set.  You can
85 use this to ignore test cases that will fail under Miri because they do things
86 Miri does not support:
87
88 ```rust
89 #[test]
90 #[cfg_attr(miri, ignore)]
91 fn does_not_work_on_miri() {
92     std::thread::spawn(|| println!("Hello Thread!"))
93         .join()
94         .unwrap();
95 }
96 ```
97
98 ### Running Miri on CI
99
100 To run Miri on CI, make sure that you handle the case where the latest nightly
101 does not ship the Miri component because it currently does not build.  For
102 example, you can use the following snippet to always test with the latest
103 nightly that *does* come with Miri:
104
105 ```sh
106 MIRI_NIGHTLY=nightly-$(curl -s https://rust-lang.github.io/rustup-components-history/x86_64-unknown-linux-gnu/miri)
107 echo "Installing latest nightly with Miri: $MIRI_NIGHTLY"
108 rustup set profile minimal
109 rustup default "$MIRI_NIGHTLY"
110
111 rustup component add miri
112 cargo miri setup
113
114 cargo miri test
115 ```
116
117 We use `cargo miri setup` to avoid getting interactive questions about the extra
118 setup needed for Miri.
119
120 ### Common Problems
121
122 When using the above instructions, you may encounter a number of confusing compiler
123 errors.
124
125 #### "found possibly newer version of crate `std` which `<dependency>` depends on"
126
127 Your build directory may contain artifacts from an earlier build that have/have
128 not been built for Miri. Run `cargo clean` before switching from non-Miri to
129 Miri builds and vice-versa.
130
131 #### "found crate `std` compiled by an incompatible version of rustc"
132
133 You may be running `cargo miri` with a different compiler version than the one
134 used to build the custom libstd that Miri uses, and Miri failed to detect that.
135 Try deleting `~/.cache/miri`.
136
137 #### "no mir for `std::rt::lang_start_internal`"
138
139 This means the sysroot you are using was not compiled with Miri in mind.  This
140 should never happen when you use `cargo miri` because that takes care of setting
141 up the sysroot.  If you are using `miri` (the Miri driver) directly, see
142 [below][testing-miri] for how to set up the sysroot.
143
144
145 ## Miri `-Z` flags and environment variables
146 [miri-flags]: #miri--z-flags-and-environment-variables
147
148 Several `-Z` flags are relevant for Miri:
149
150 * `-Zmiri-seed=<hex>` is a custom `-Z` flag added by Miri.  It configures the
151   seed of the RNG that Miri uses to resolve non-determinism.  This RNG is used
152   to pick base addresses for allocations.  When isolation is enabled (the default),
153   this is also used to emulate system entropy.  The default seed is 0.
154   **NOTE**: This entropy is not good enough for cryptographic use!  Do not
155   generate secret keys in Miri or perform other kinds of cryptographic
156   operations that rely on proper random numbers.
157 * `-Zmiri-disable-validation` disables enforcing validity invariants, which are
158   enforced by default.  This is mostly useful for debugging.  It means Miri will
159   miss bugs in your program.  However, this can also help to make Miri run
160   faster.
161 * `-Zmiri-disable-stacked-borrows` disables checking the experimental
162   [Stacked Borrows] aliasing rules.  This can make Miri run faster, but it also
163   means no aliasing violations will be detected.
164 * `-Zmiri-disable-isolation` disables host host isolation.  As a consequence,
165   the program has access to host resources such as environment variables, file
166   systems, and randomness.
167 * `-Zmiri-ignore-leaks` disables the memory leak checker.
168 * `-Zmiri-env-exclude=<var>` keeps the `var` environment variable isolated from
169   the host. Can be used multiple times to exclude several variables. The `TERM`
170   environment variable is excluded by default.
171 * `-Zmir-opt-level` controls how many MIR optimizations are performed.  Miri
172   overrides the default to be `0`; be advised that using any higher level can
173   make Miri miss bugs in your program because they got optimized away.
174 * `-Zalways-encode-mir` makes rustc dump MIR even for completely monomorphic
175   functions.  This is needed so that Miri can execute such functions, so Miri
176   sets this flag per default.
177 * `-Zmir-emit-retag` controls whether `Retag` statements are emitted. Miri
178   enables this per default because it is needed for validation.
179 * `-Zmiri-track-pointer-tag=<tag>` shows a backtrace when the given pointer tag
180   is popped from a borrow stack (which is where the tag becomes invalid and any
181   future use of it will error).  This helps you in finding out why UB is
182   happening and where in your code would be a good place to look for it.
183 * `-Zmiri-track-alloc-id=<id>` shows a backtrace when the given allocation is
184   being allocated.  This helps in debugging memory leaks.
185
186 Moreover, Miri recognizes some environment variables:
187
188 * `MIRI_LOG`, `MIRI_BACKTRACE` control logging and backtrace printing during
189   Miri executions, also [see above][testing-miri].
190 * `MIRI_SYSROOT` (recognized by `cargo miri` and the test suite)
191   indicates the sysroot to use.  To do the same thing with `miri`
192   directly, use the `--sysroot` flag.
193 * `MIRI_TEST_TARGET` (recognized by the test suite) indicates which target
194   architecture to test against.  `miri` and `cargo miri` accept the `--target`
195   flag for the same purpose.
196
197 ## Contributing and getting help
198
199 If you want to contribute to Miri, great!  Please check out our
200 [contribution guide](CONTRIBUTING.md).
201
202 For help with running Miri, you can open an issue here on
203 GitHub or contact us (`oli-obk` and `RalfJ`) on the [Rust Zulip].
204
205 [Rust Zulip]: https://rust-lang.zulipchat.com
206
207 ## History
208
209 This project began as part of an undergraduate research course in 2015 by
210 @solson at the [University of Saskatchewan][usask].  There are [slides] and a
211 [report] available from that project.  In 2016, @oli-obk joined to prepare miri
212 for eventually being used as const evaluator in the Rust compiler itself
213 (basically, for `const` and `static` stuff), replacing the old evaluator that
214 worked directly on the AST.  In 2017, @RalfJung did an internship with Mozilla
215 and began developing miri towards a tool for detecting undefined behavior, and
216 also using miri as a way to explore the consequences of various possible
217 definitions for undefined behavior in Rust.  @oli-obk's move of the miri engine
218 into the compiler finally came to completion in early 2018.  Meanwhile, later
219 that year, @RalfJung did a second internship, developing miri further with
220 support for checking basic type invariants and verifying that references are
221 used according to their aliasing restrictions.
222
223 [usask]: https://www.usask.ca/
224 [slides]: https://solson.me/miri-slides.pdf
225 [report]: https://solson.me/miri-report.pdf
226
227 ## Bugs found by Miri
228
229 Miri has already found a number of bugs in the Rust standard library and beyond, which we collect here.
230
231 Definite bugs found:
232
233 * [`Debug for vec_deque::Iter` accessing uninitialized memory](https://github.com/rust-lang/rust/issues/53566)
234 * [`Vec::into_iter` doing an unaligned ZST read](https://github.com/rust-lang/rust/pull/53804)
235 * [`From<&[T]> for Rc` creating a not sufficiently aligned reference](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54908)
236 * [`BTreeMap` creating a shared reference pointing to a too small allocation](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54957)
237 * [`Vec::append` creating a dangling reference](https://github.com/rust-lang/rust/pull/61082)
238 * [Futures turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56319)
239 * [`str` turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58200)
240 * [`rand` performing unaligned reads](https://github.com/rust-random/rand/issues/779)
241 * [The Unix allocator calling `posix_memalign` in an invalid way](https://github.com/rust-lang/rust/issues/62251)
242 * [`getrandom` calling the `getrandom` syscall in an invalid way](https://github.com/rust-random/getrandom/pull/73)
243 * [`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
244
245 Violations of [Stacked Borrows] found that are likely bugs (but Stacked Borrows is currently just an experiment):
246
247 * [`VecDeque` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56161)
248 * [`BTreeMap` creating mutable references that overlap with shared references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58431)
249 * [`LinkedList` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/60072)
250 * [`Vec::push` invalidating existing references into the vector](https://github.com/rust-lang/rust/issues/60847)
251 * [`align_to_mut` violating uniqueness of mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/68549)
252
253 ## License
254
255 Licensed under either of
256   * Apache License, Version 2.0 ([LICENSE-APACHE](LICENSE-APACHE) or
257     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0)
258   * MIT license ([LICENSE-MIT](LICENSE-MIT) or
259     http://opensource.org/licenses/MIT) at your option.
260
261 ### Contribution
262
263 Unless you explicitly state otherwise, any contribution intentionally submitted
264 for inclusion in the work by you shall be dual licensed as above, without any
265 additional terms or conditions.