]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - README.md
Add a working github actions template
[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. Note however that
29 [leak checking is currently disabled on Windows targets](https://github.com/rust-lang/miri/issues/1302).
30
31 Miri has already discovered some [real-world bugs](#bugs-found-by-miri).  If you
32 found a bug with Miri, we'd appreciate if you tell us and we'll add it to the
33 list!
34
35 However, be aware that Miri will **not catch all cases of undefined behavior**
36 in your program, and cannot run all programs:
37
38 * There are still plenty of open questions around the basic invariants for some
39   types and when these invariants even have to hold. Miri tries to avoid false
40   positives here, so if you program runs fine in Miri right now that is by no
41   means a guarantee that it is UB-free when these questions get answered.
42
43     In particular, Miri does currently not check that integers/floats are
44   initialized or that references point to valid data.
45 * If the program relies on unspecified details of how data is laid out, it will
46   still run fine in Miri -- but might break (including causing UB) on different
47   compiler versions or different platforms.
48 * Program execution is non-deterministic when it depends, for example, on where
49   exactly in memory allocations end up. Miri tests one of many possible
50   executions of your program. If your code is sensitive to allocation base
51   addresses or other non-deterministic data, try running Miri with different
52   values for `-Zmiri-seed` to test different executions.
53 * Miri runs the program as a platform-independent interpreter, so the program
54   has no access to most platform-specific APIs or FFI. A few APIs have been
55   implemented (such as printing to stdout) but most have not: for example, Miri
56   currently does not support SIMD or networking.
57 * Miri currently does not check for data-races and most other concurrency-related
58   issues.
59
60 [rust]: https://www.rust-lang.org/
61 [mir]: https://github.com/rust-lang/rfcs/blob/master/text/1211-mir.md
62 [`unreachable_unchecked`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/hint/fn.unreachable_unchecked.html
63 [`copy_nonoverlapping`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/ptr/fn.copy_nonoverlapping.html
64 [Stacked Borrows]: https://github.com/rust-lang/unsafe-code-guidelines/blob/master/wip/stacked-borrows.md
65
66
67 ## Using Miri
68
69 Install Miri on Rust nightly via `rustup`:
70
71 ```sh
72 rustup +nightly component add miri
73 ```
74
75 If `rustup` says the `miri` component is unavailable, that's because not all
76 nightly releases come with all tools. Check out
77 [this website](https://rust-lang.github.io/rustup-components-history) to
78 determine a nightly version that comes with Miri and install that using
79 `rustup toolchain install nightly-YYYY-MM-DD`.
80
81 Now you can run your project in Miri:
82
83 1. Run `cargo clean` to eliminate any cached dependencies.  Miri needs your
84    dependencies to be compiled the right way, that would not happen if they have
85    previously already been compiled.
86 2. To run all tests in your project through Miri, use `cargo miri test`.
87 3. If you have a binary project, you can run it through Miri using `cargo miri run`.
88
89 The first time you run Miri, it will perform some extra setup and install some
90 dependencies.  It will ask you for confirmation before installing anything.
91
92 `cargo miri run/test` supports the exact same flags as `cargo run/test`.  You
93 can pass arguments to Miri via `MIRIFLAGS`. For example,
94 `MIRIFLAGS="-Zmiri-disable-stacked-borrows" cargo miri run` runs the program
95 without checking the aliasing of references.
96
97 Miri supports cross-execution: if you want to run the program as if it was a
98 Linux program, you can do `cargo miri run --target x86_64-unknown-linux-gnu`.
99 This is particularly useful if you are using Windows, as the Linux target is
100 much better supported than Windows targets.
101
102 When compiling code via `cargo miri`, the `cfg(miri)` config flag is set.  You
103 can use this to ignore test cases that fail under Miri because they do things
104 Miri does not support:
105
106 ```rust
107 #[test]
108 #[cfg_attr(miri, ignore)]
109 fn does_not_work_on_miri() {
110     std::thread::spawn(|| println!("Hello Thread!"))
111         .join()
112         .unwrap();
113 }
114 ```
115
116 There is no way to list all the infinite things Miri cannot do, but the
117 interpreter will explicitly tell you when it finds something unsupported:
118
119 ```
120 error: unsupported operation: can't call foreign function: bind
121     ...
122     = help: this is likely not a bug in the program; it indicates that the program \
123             performed an operation that the interpreter does not support
124 ```
125
126 ### Running Miri on CI
127
128 To run Miri on CI, make sure that you handle the case where the latest nightly
129 does not ship the Miri component because it currently does not build.  For
130 example, you can use the following snippet to always test with the latest
131 nightly that *does* come with Miri:
132
133 ```sh
134 MIRI_NIGHTLY=nightly-$(curl -s https://rust-lang.github.io/rustup-components-history/x86_64-unknown-linux-gnu/miri)
135 echo "Installing latest nightly with Miri: $MIRI_NIGHTLY"
136 rustup set profile minimal
137 rustup default "$MIRI_NIGHTLY"
138 rustup component add miri
139
140 cargo miri test
141 ```
142
143 ### Common Problems
144
145 When using the above instructions, you may encounter a number of confusing compiler
146 errors.
147
148 #### "found possibly newer version of crate `std` which `<dependency>` depends on"
149
150 Your build directory may contain artifacts from an earlier build that have/have
151 not been built for Miri. Run `cargo clean` before switching from non-Miri to
152 Miri builds and vice-versa.
153
154 #### "found crate `std` compiled by an incompatible version of rustc"
155
156 You may be running `cargo miri` with a different compiler version than the one
157 used to build the custom libstd that Miri uses, and Miri failed to detect that.
158 Try deleting `~/.cache/miri`.
159
160 #### "no mir for `std::rt::lang_start_internal`"
161
162 This means the sysroot you are using was not compiled with Miri in mind.  This
163 should never happen when you use `cargo miri` because that takes care of setting
164 up the sysroot.  If you are using `miri` (the Miri driver) directly, see the
165 [contributors' guide](CONTRIBUTING.md) for how to use `./miri` to best do that.
166
167
168 ## Miri `-Z` flags and environment variables
169 [miri-flags]: #miri--z-flags-and-environment-variables
170
171 Miri adds its own set of `-Z` flags, which are usually set via the `MIRIFLAGS`
172 environment variable:
173
174 * `-Zmiri-disable-alignment-check` disables checking pointer alignment, so you
175   can focus on other failures, but it means Miri can miss bugs in your program.
176   Using this flag is **unsound**.
177 * `-Zmiri-disable-stacked-borrows` disables checking the experimental
178   [Stacked Borrows] aliasing rules.  This can make Miri run faster, but it also
179   means no aliasing violations will be detected.  Using this flag is **unsound**
180   (but the affected soundness rules are experimental).
181 * `-Zmiri-disable-validation` disables enforcing validity invariants, which are
182   enforced by default.  This is mostly useful to focus on other failures (such
183   as out-of-bounds accesses) first.  Setting this flag means Miri can miss bugs
184   in your program.  However, this can also help to make Miri run faster.  Using
185   this flag is **unsound**.
186 * `-Zmiri-disable-isolation` disables host isolation.  As a consequence,
187   the program has access to host resources such as environment variables, file
188   systems, and randomness.
189 * `-Zmiri-env-exclude=<var>` keeps the `var` environment variable isolated from
190   the host so that it cannot be accessed by the program.  Can be used multiple
191   times to exclude several variables.  On Windows, the `TERM` environment
192   variable is excluded by default.
193 * `-Zmiri-ignore-leaks` disables the memory leak checker.
194 * `-Zmiri-seed=<hex>` configures the seed of the RNG that Miri uses to resolve
195   non-determinism.  This RNG is used to pick base addresses for allocations.
196   When isolation is enabled (the default), this is also used to emulate system
197   entropy.  The default seed is 0.  **NOTE**: This entropy is not good enough
198   for cryptographic use!  Do not generate secret keys in Miri or perform other
199   kinds of cryptographic operations that rely on proper random numbers.
200 * `-Zmiri-symbolic-alignment-check` makes the alignment check more strict.  By
201   default, alignment is checked by casting the pointer to an integer, and making
202   sure that is a multiple of the alignment.  This can lead to cases where a
203   program passes the alignment check by pure chance, because things "happened to
204   be" sufficiently aligned -- there is no UB in this execution but there would
205   be UB in others.  To avoid such cases, the symbolic alignment check only takes
206   into account the requested alignment of the relevant allocation, and the
207   offset into that allocation.  This avoids missing such bugs, but it also
208   incurs some false positives when the code does manual integer arithmetic to
209   ensure alignment.  (The standard library `align_to` method works fine in both
210   modes; under symbolic alignment it only fills the middle slice when the
211   allocation guarantees sufficient alignment.)
212 * `-Zmiri-track-alloc-id=<id>` shows a backtrace when the given allocation is
213   being allocated or freed.  This helps in debugging memory leaks and
214   use after free bugs.
215 * `-Zmiri-track-pointer-tag=<tag>` shows a backtrace when the given pointer tag
216   is popped from a borrow stack (which is where the tag becomes invalid and any
217   future use of it will error).  This helps you in finding out why UB is
218   happening and where in your code would be a good place to look for it.
219 * `-Zmiri-track-call-id=<id>` shows a backtrace when the given call id is
220   assigned to a stack frame.  This helps in debugging UB related to Stacked
221   Borrows "protectors".
222
223 Some native rustc `-Z` flags are also very relevant for Miri:
224
225 * `-Zmir-opt-level` controls how many MIR optimizations are performed.  Miri
226   overrides the default to be `0`; be advised that using any higher level can
227   make Miri miss bugs in your program because they got optimized away.
228 * `-Zalways-encode-mir` makes rustc dump MIR even for completely monomorphic
229   functions.  This is needed so that Miri can execute such functions, so Miri
230   sets this flag per default.
231 * `-Zmir-emit-retag` controls whether `Retag` statements are emitted. Miri
232   enables this per default because it is needed for [Stacked Borrows].
233
234 Moreover, Miri recognizes some environment variables:
235
236 * `MIRI_LOG`, `MIRI_BACKTRACE` control logging and backtrace printing during
237   Miri executions, also [see above][testing-miri].
238 * `MIRIFLAGS` (recognized by `cargo miri` and the test suite) defines extra
239   flags to be passed to Miri.
240 * `MIRI_SYSROOT` (recognized by `cargo miri` and the test suite)
241   indicates the sysroot to use.  To do the same thing with `miri`
242   directly, use the `--sysroot` flag.
243 * `MIRI_TEST_TARGET` (recognized by the test suite) indicates which target
244   architecture to test against.  `miri` and `cargo miri` accept the `--target`
245   flag for the same purpose.
246
247 The following environment variables are internal, but used to communicate between
248 different Miri binaries, and as such worth documenting:
249
250 * `MIRI_BE_RUSTC` when set to any value tells the Miri driver to actually not
251   interpret the code but compile it like rustc would. This is useful to be sure
252   that the compiled `rlib`s are compatible with Miri.
253   When set while running `cargo-miri`, it indicates that we are part of a sysroot
254   build (for which some crates need special treatment).
255 * `MIRI_CWD` when set to any value tells the Miri driver to change to the given
256   directory after loading all the source files, but before commencing
257   interpretation. This is useful if the interpreted program wants a different
258   working directory at run-time than at build-time.
259
260 ## Miri `extern` functions
261
262 Miri provides some `extern` functions that programs can import to access
263 Miri-specific functionality:
264
265 ```rust
266 #[cfg(miri)]
267 extern "Rust" {
268     /// Miri-provided extern function to mark the block `ptr` points to as a "root"
269     /// for some static memory. This memory and everything reachable by it is not
270     /// considered leaking even if it still exists when the program terminates.
271     ///
272     /// `ptr` has to point to the beginning of an allocated block.
273     fn miri_static_root(ptr: *const u8);
274
275     /// Miri-provided extern function to obtain a backtrace of the current call stack.
276     /// This returns a boxed slice of pointers - each pointer is an opaque value
277     /// that is only useful when passed to `miri_resolve_frame`
278     /// The `flags` argument must be `0`.
279     fn miri_get_backtrace(flags: u64) -> Box<[*mut ()]>;
280
281     /// Miri-provided extern function to resolve a frame pointer obtained
282     /// from `miri_get_backtrace`. The `flags` argument must be `0`,
283     /// and `MiriFrame` should be declared as follows:
284     ///
285     /// ```rust
286     /// #[repr(C)]
287     /// struct MiriFrame {
288     ///     // The name of the function being executed, encoded in UTF-8
289     ///     name: Box<[u8]>,
290     ///     // The filename of the function being executed, encoded in UTF-8
291     ///     filename: Box<[u8]>,
292     ///     // The line number currently being executed in `filename`, starting from '1'.
293     ///     lineno: u32,
294     ///     // The column number currently being executed in `filename`, starting from '1'.
295     ///     colno: u32,
296     /// }
297     /// ```
298     ///
299     /// The fields must be declared in exactly the same order as they appear in `MiriFrame` above.
300     /// This function can be called on any thread (not just the one which obtained `frame`).
301     fn miri_resolve_frame(frame: *mut (), flags: u64) -> MiriFrame;
302
303     /// Miri-provided extern function to begin unwinding with the given payload.
304     ///
305     /// This is internal and unstable and should not be used; we give it here
306     /// just to be complete.
307     fn miri_start_panic(payload: *mut u8) -> !;
308 }
309 ```
310
311 ## Contributing and getting help
312
313 If you want to contribute to Miri, great!  Please check out our
314 [contribution guide](CONTRIBUTING.md).
315
316 For help with running Miri, you can open an issue here on
317 GitHub or contact us (`oli-obk` and `RalfJ`) on the [Rust Zulip].
318
319 [Rust Zulip]: https://rust-lang.zulipchat.com
320
321 ## History
322
323 This project began as part of an undergraduate research course in 2015 by
324 @solson at the [University of Saskatchewan][usask].  There are [slides] and a
325 [report] available from that project.  In 2016, @oli-obk joined to prepare miri
326 for eventually being used as const evaluator in the Rust compiler itself
327 (basically, for `const` and `static` stuff), replacing the old evaluator that
328 worked directly on the AST.  In 2017, @RalfJung did an internship with Mozilla
329 and began developing miri towards a tool for detecting undefined behavior, and
330 also using miri as a way to explore the consequences of various possible
331 definitions for undefined behavior in Rust.  @oli-obk's move of the miri engine
332 into the compiler finally came to completion in early 2018.  Meanwhile, later
333 that year, @RalfJung did a second internship, developing miri further with
334 support for checking basic type invariants and verifying that references are
335 used according to their aliasing restrictions.
336
337 [usask]: https://www.usask.ca/
338 [slides]: https://solson.me/miri-slides.pdf
339 [report]: https://solson.me/miri-report.pdf
340
341 ## Bugs found by Miri
342
343 Miri has already found a number of bugs in the Rust standard library and beyond, which we collect here.
344
345 Definite bugs found:
346
347 * [`Debug for vec_deque::Iter` accessing uninitialized memory](https://github.com/rust-lang/rust/issues/53566)
348 * [`Vec::into_iter` doing an unaligned ZST read](https://github.com/rust-lang/rust/pull/53804)
349 * [`From<&[T]> for Rc` creating a not sufficiently aligned reference](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54908)
350 * [`BTreeMap` creating a shared reference pointing to a too small allocation](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54957)
351 * [`Vec::append` creating a dangling reference](https://github.com/rust-lang/rust/pull/61082)
352 * [Futures turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56319)
353 * [`str` turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58200)
354 * [`rand` performing unaligned reads](https://github.com/rust-random/rand/issues/779)
355 * [The Unix allocator calling `posix_memalign` in an invalid way](https://github.com/rust-lang/rust/issues/62251)
356 * [`getrandom` calling the `getrandom` syscall in an invalid way](https://github.com/rust-random/getrandom/pull/73)
357 * [`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
358 * [`beef` leaking memory](https://github.com/maciejhirsz/beef/issues/12)
359 * [`EbrCell` using uninitialized memory incorrectly](https://github.com/Firstyear/concread/commit/b15be53b6ec076acb295a5c0483cdb4bf9be838f#diff-6282b2fc8e98bd089a1f0c86f648157cR229)
360 * [TiKV performing an unaligned pointer access](https://github.com/tikv/tikv/issues/7613)
361 * [`servo_arc` creating a dangling shared reference](https://github.com/servo/servo/issues/26357)
362 * [TiKV constructing out-of-bounds pointers (and overlapping mutable references)](https://github.com/tikv/tikv/pull/7751)
363 * [`encoding_rs` doing out-of-bounds pointer arithmetic](https://github.com/hsivonen/encoding_rs/pull/53)
364
365 Violations of [Stacked Borrows] found that are likely bugs (but Stacked Borrows is currently just an experiment):
366
367 * [`VecDeque::drain` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56161)
368 * [`BTreeMap` iterators creating mutable references that overlap with shared references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58431)
369 * [`LinkedList` cursor insertion creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/60072)
370 * [`Vec::push` invalidating existing references into the vector](https://github.com/rust-lang/rust/issues/60847)
371 * [`align_to_mut` violating uniqueness of mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/68549)
372 * [`sized-chunks` creating aliasing mutable references](https://github.com/bodil/sized-chunks/issues/8)
373 * [`String::push_str` invalidating existing references into the string](https://github.com/rust-lang/rust/issues/70301)
374 * [`ryu` using raw pointers outside their valid memory area](https://github.com/dtolnay/ryu/issues/24)
375 * [ink! creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/miri/issues/1364)
376 * [TiKV creating overlapping mutable reference and raw pointer](https://github.com/tikv/tikv/pull/7709)
377 * [Windows `Env` iterator creating `*const T` from `&T` to read memory outside of `T`](https://github.com/rust-lang/rust/pull/70479)
378 * [`BTreeMap::iter_mut` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/73915)
379 * [`VecDeque::iter_mut` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/74029)
380
381 ## License
382
383 Licensed under either of
384   * Apache License, Version 2.0 ([LICENSE-APACHE](LICENSE-APACHE) or
385     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0)
386   * MIT license ([LICENSE-MIT](LICENSE-MIT) or
387     http://opensource.org/licenses/MIT) at your option.
388
389 ### Contribution
390
391 Unless you explicitly state otherwise, any contribution intentionally submitted
392 for inclusion in the work by you shall be dual licensed as above, without any
393 additional terms or conditions.