]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - README.md
Add `measureme` integration for profiling the interpreted program
[rust.git] / README.md
1 # Miri
2
3 [![Actions build status][actions-badge]][actions-url]
4
5 [actions-badge]: https://github.com/rust-lang/miri/workflows/CI/badge.svg?branch=master
6 [actions-url]: https://github.com/rust-lang/miri/actions
7
8 An experimental interpreter for [Rust][rust]'s
9 [mid-level intermediate representation][mir] (MIR). It can run binaries and
10 test suites of cargo projects and detect certain classes of
11 [undefined behavior](https://doc.rust-lang.org/reference/behavior-considered-undefined.html),
12 for example:
13
14 * Out-of-bounds memory accesses and use-after-free
15 * Invalid use of uninitialized data
16 * Violation of intrinsic preconditions (an [`unreachable_unchecked`] being
17   reached, calling [`copy_nonoverlapping`] with overlapping ranges, ...)
18 * Not sufficiently aligned memory accesses and references
19 * Violation of *some* basic type invariants (a `bool` that is not 0 or 1, for example,
20   or an invalid enum discriminant)
21 * **Experimental**: Violations of the [Stacked Borrows] rules governing aliasing
22   for reference types
23 * **Experimental**: Data races (but no weak memory effects)
24
25 On top of that, Miri will also tell you about memory leaks: when there is memory
26 still allocated at the end of the execution, and that memory is not reachable
27 from a global `static`, Miri will raise an error.
28
29 You can use Miri to emulate programs on other targets, e.g. to ensure that
30 byte-level data manipulation works correctly both on little-endian and
31 big-endian systems. See
32 [cross-interpretation](#cross-interpretation-running-for-different-targets)
33 below.
34
35 Miri has already discovered some [real-world bugs](#bugs-found-by-miri). If you
36 found a bug with Miri, we'd appreciate if you tell us and we'll add it to the
37 list!
38
39 However, be aware that Miri will **not catch all cases of undefined behavior**
40 in your program, and cannot run all programs:
41
42 * There are still plenty of open questions around the basic invariants for some
43   types and when these invariants even have to hold. Miri tries to avoid false
44   positives here, so if your program runs fine in Miri right now that is by no
45   means a guarantee that it is UB-free when these questions get answered.
46
47     In particular, Miri does currently not check that integers/floats are
48   initialized or that references point to valid data.
49 * If the program relies on unspecified details of how data is laid out, it will
50   still run fine in Miri -- but might break (including causing UB) on different
51   compiler versions or different platforms.
52 * Program execution is non-deterministic when it depends, for example, on where
53   exactly in memory allocations end up, or on the exact interleaving of
54   concurrent threads. Miri tests one of many possible executions of your
55   program. You can alleviate this to some extent by running Miri with different
56   values for `-Zmiri-seed`, but that will still by far not explore all possible
57   executions.
58 * Miri runs the program as a platform-independent interpreter, so the program
59   has no access to most platform-specific APIs or FFI. A few APIs have been
60   implemented (such as printing to stdout) but most have not: for example, Miri
61   currently does not support SIMD or networking.
62
63 [rust]: https://www.rust-lang.org/
64 [mir]: https://github.com/rust-lang/rfcs/blob/master/text/1211-mir.md
65 [`unreachable_unchecked`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/hint/fn.unreachable_unchecked.html
66 [`copy_nonoverlapping`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/ptr/fn.copy_nonoverlapping.html
67 [Stacked Borrows]: https://github.com/rust-lang/unsafe-code-guidelines/blob/master/wip/stacked-borrows.md
68
69
70 ## Using Miri
71
72 Install Miri on Rust nightly via `rustup`:
73
74 ```sh
75 rustup +nightly component add miri
76 ```
77
78 If `rustup` says the `miri` component is unavailable, that's because not all
79 nightly releases come with all tools. Check out
80 [this website](https://rust-lang.github.io/rustup-components-history) to
81 determine a nightly version that comes with Miri and install that using
82 `rustup toolchain install nightly-YYYY-MM-DD`.
83
84 Now you can run your project in Miri:
85
86 1. Run `cargo clean` to eliminate any cached dependencies. Miri needs your
87    dependencies to be compiled the right way, that would not happen if they have
88    previously already been compiled.
89 2. To run all tests in your project through Miri, use `cargo miri test`.
90 3. If you have a binary project, you can run it through Miri using `cargo miri run`.
91
92 The first time you run Miri, it will perform some extra setup and install some
93 dependencies. It will ask you for confirmation before installing anything.
94
95 `cargo miri run/test` supports the exact same flags as `cargo run/test`. For
96 example, `cargo miri test filter` only runs the tests containing `filter` in
97 their name.
98
99 You can pass arguments to Miri via `MIRIFLAGS`. For example,
100 `MIRIFLAGS="-Zmiri-disable-stacked-borrows" cargo miri run` runs the program
101 without checking the aliasing of references.
102
103 When compiling code via `cargo miri`, the `cfg(miri)` config flag is set for code
104 that will be interpret under Miri. You can use this to ignore test cases that fail
105 under Miri because they do things Miri does not support:
106
107 ```rust
108 #[test]
109 #[cfg_attr(miri, ignore)]
110 fn does_not_work_on_miri() {
111     tokio::run(futures::future::ok::<_, ()>(()));
112 }
113 ```
114
115 There is no way to list all the infinite things Miri cannot do, but the
116 interpreter will explicitly tell you when it finds something unsupported:
117
118 ```
119 error: unsupported operation: can't call foreign function: bind
120     ...
121     = help: this is likely not a bug in the program; it indicates that the program \
122             performed an operation that the interpreter does not support
123 ```
124
125 ### Cross-interpretation: running for different targets
126
127 Miri can not only run a binary or test suite for your host target, it can also
128 perform cross-interpretation for arbitrary foreign targets: `cargo miri run
129 --target x86_64-unknown-linux-gnu` will run your program as if it was a Linux
130 program, no matter your host OS. This is particularly useful if you are using
131 Windows, as the Linux target is much better supported than Windows targets.
132
133 You can also use this to test platforms with different properties than your host
134 platform. For example `cargo miri test --target mips64-unknown-linux-gnuabi64`
135 will run your test suite on a big-endian target, which is useful for testing
136 endian-sensitive code.
137
138 ### Running Miri on CI
139
140 To run Miri on CI, make sure that you handle the case where the latest nightly
141 does not ship the Miri component because it currently does not build.  For
142 example, you can use the following snippet to always test with the latest
143 nightly that *does* come with Miri:
144
145 ```sh
146 MIRI_NIGHTLY=nightly-$(curl -s https://rust-lang.github.io/rustup-components-history/x86_64-unknown-linux-gnu/miri)
147 echo "Installing latest nightly with Miri: $MIRI_NIGHTLY"
148 rustup set profile minimal
149 rustup default "$MIRI_NIGHTLY"
150 rustup component add miri
151
152 cargo miri test
153 ```
154
155 ### Common Problems
156
157 When using the above instructions, you may encounter a number of confusing compiler
158 errors.
159
160 ### "note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace"
161
162 You may see this when trying to get Miri to display a backtrace. By default, Miri
163 doesn't expose any environment to the program, so running
164 `RUST_BACKTRACE=1 cargo miri test` will not do what you expect.
165
166 To get a backtrace, you need to disable isolation
167 [using `-Zmiri-disable-isolation`][miri-flags]:
168
169 ```sh
170 RUST_BACKTRACE=1 MIRIFLAGS="-Zmiri-disable-isolation" cargo miri test
171 ```
172
173 #### "found possibly newer version of crate `std` which `<dependency>` depends on"
174
175 Your build directory may contain artifacts from an earlier build that have/have
176 not been built for Miri. Run `cargo clean` before switching from non-Miri to
177 Miri builds and vice-versa.
178
179 #### "found crate `std` compiled by an incompatible version of rustc"
180
181 You may be running `cargo miri` with a different compiler version than the one
182 used to build the custom libstd that Miri uses, and Miri failed to detect that.
183 Try deleting `~/.cache/miri`.
184
185 #### "no mir for `std::rt::lang_start_internal`"
186
187 This means the sysroot you are using was not compiled with Miri in mind.  This
188 should never happen when you use `cargo miri` because that takes care of setting
189 up the sysroot.  If you are using `miri` (the Miri driver) directly, see the
190 [contributors' guide](CONTRIBUTING.md) for how to use `./miri` to best do that.
191
192
193 ## Miri `-Z` flags and environment variables
194 [miri-flags]: #miri--z-flags-and-environment-variables
195
196 Miri adds its own set of `-Z` flags, which are usually set via the `MIRIFLAGS`
197 environment variable:
198
199 * `-Zmiri-compare-exchange-weak-failure-rate=<rate>` changes the failure rate of
200   `compare_exchange_weak` operations. The default is `0.8` (so 4 out of 5 weak ops will fail).
201   You can change it to any value between `0.0` and `1.0`, where `1.0` means it
202   will always fail and `0.0` means it will never fail.
203 * `-Zmiri-disable-alignment-check` disables checking pointer alignment, so you
204   can focus on other failures, but it means Miri can miss bugs in your program.
205   Using this flag is **unsound**.
206 * `-Zmiri-disable-data-race-detector` disables checking for data races.  Using
207   this flag is **unsound**.
208 * `-Zmiri-disable-stacked-borrows` disables checking the experimental
209   [Stacked Borrows] aliasing rules.  This can make Miri run faster, but it also
210   means no aliasing violations will be detected.  Using this flag is **unsound**
211   (but the affected soundness rules are experimental).
212 * `-Zmiri-disable-validation` disables enforcing validity invariants, which are
213   enforced by default.  This is mostly useful to focus on other failures (such
214   as out-of-bounds accesses) first.  Setting this flag means Miri can miss bugs
215   in your program.  However, this can also help to make Miri run faster.  Using
216   this flag is **unsound**.
217 * `-Zmiri-disable-isolation` disables host isolation.  As a consequence,
218   the program has access to host resources such as environment variables, file
219   systems, and randomness.
220 * `-Zmiri-env-exclude=<var>` keeps the `var` environment variable isolated from
221   the host so that it cannot be accessed by the program.  Can be used multiple
222   times to exclude several variables.  On Windows, the `TERM` environment
223   variable is excluded by default.
224 * `-Zmiri-ignore-leaks` disables the memory leak checker.
225 * `-Zmiri-seed=<hex>` configures the seed of the RNG that Miri uses to resolve
226   non-determinism.  This RNG is used to pick base addresses for allocations.
227   When isolation is enabled (the default), this is also used to emulate system
228   entropy.  The default seed is 0.  **NOTE**: This entropy is not good enough
229   for cryptographic use!  Do not generate secret keys in Miri or perform other
230   kinds of cryptographic operations that rely on proper random numbers.
231 * `-Zmiri-symbolic-alignment-check` makes the alignment check more strict.  By
232   default, alignment is checked by casting the pointer to an integer, and making
233   sure that is a multiple of the alignment.  This can lead to cases where a
234   program passes the alignment check by pure chance, because things "happened to
235   be" sufficiently aligned -- there is no UB in this execution but there would
236   be UB in others.  To avoid such cases, the symbolic alignment check only takes
237   into account the requested alignment of the relevant allocation, and the
238   offset into that allocation.  This avoids missing such bugs, but it also
239   incurs some false positives when the code does manual integer arithmetic to
240   ensure alignment.  (The standard library `align_to` method works fine in both
241   modes; under symbolic alignment it only fills the middle slice when the
242   allocation guarantees sufficient alignment.)
243 * `-Zmiri-track-alloc-id=<id>` shows a backtrace when the given allocation is
244   being allocated or freed.  This helps in debugging memory leaks and
245   use after free bugs.
246 * `-Zmiri-track-call-id=<id>` shows a backtrace when the given call id is
247   assigned to a stack frame.  This helps in debugging UB related to Stacked
248   Borrows "protectors".
249 * `-Zmiri-track-pointer-tag=<tag>` shows a backtrace when the given pointer tag
250   is popped from a borrow stack (which is where the tag becomes invalid and any
251   future use of it will error).  This helps you in finding out why UB is
252   happening and where in your code would be a good place to look for it.
253 * `-Zmiri-track-raw-pointers` makes Stacked Borrows track a pointer tag even for
254   raw pointers. This can make valid code fail to pass the checks, but also can
255   help identify latent aliasing issues in code that Miri accepts by default. You
256   can recognize false positives by `<untagged>` occurring in the message -- this
257   indicates a pointer that was cast from an integer, so Miri was unable to track
258   this pointer. Note that it is not currently guaranteed that code that works
259   with `-Zmiri-track-raw-pointers` also works without
260   `-Zmiri-track-raw-pointers`, but for the vast majority of code, this will be the case.
261 * `-Zmiri-measureme=<name>` enables `measureme` profiling for the interpreted program.
262    This can be used to find which parts of your program are executing slowly under Miri.
263    The profile is written out to a file with the prefix `<name>`, and can be processed
264    using the tools in the repository https://github.com/rust-lang/measureme
265
266 Some native rustc `-Z` flags are also very relevant for Miri:
267
268 * `-Zmir-opt-level` controls how many MIR optimizations are performed.  Miri
269   overrides the default to be `0`; be advised that using any higher level can
270   make Miri miss bugs in your program because they got optimized away.
271 * `-Zalways-encode-mir` makes rustc dump MIR even for completely monomorphic
272   functions.  This is needed so that Miri can execute such functions, so Miri
273   sets this flag per default.
274 * `-Zmir-emit-retag` controls whether `Retag` statements are emitted. Miri
275   enables this per default because it is needed for [Stacked Borrows].
276
277 Moreover, Miri recognizes some environment variables:
278
279 * `MIRI_LOG`, `MIRI_BACKTRACE` control logging and backtrace printing during
280   Miri executions, also [see "Testing the Miri driver" in `CONTRIBUTING.md`][testing-miri].
281 * `MIRIFLAGS` (recognized by `cargo miri` and the test suite) defines extra
282   flags to be passed to Miri.
283 * `MIRI_SYSROOT` (recognized by `cargo miri` and the test suite)
284   indicates the sysroot to use.  To do the same thing with `miri`
285   directly, use the `--sysroot` flag.
286 * `MIRI_TEST_TARGET` (recognized by the test suite) indicates which target
287   architecture to test against.  `miri` and `cargo miri` accept the `--target`
288   flag for the same purpose.
289
290 The following environment variables are *internal* and must not be used by
291 anyone but Miri itself. They are used to communicate between different Miri
292 binaries, and as such worth documenting:
293
294 * `MIRI_BE_RUSTC` can be set to `host` or `target`. It tells the Miri driver to
295   actually not interpret the code but compile it like rustc would. With `target`, Miri sets
296   some compiler flags to prepare the code for interpretation; with `host`, this is not done.
297   This environment variable is useful to be sure that the compiled `rlib`s are compatible
298   with Miri.
299 * `MIRI_CALLED_FROM_XARGO` is set during the Miri-induced `xargo` sysroot build,
300   which will re-invoke `cargo-miri` as the `rustc` to use for this build.
301 * `MIRI_CALLED_FROM_RUSTDOC` when set to any value tells `cargo-miri` that it is
302   running as a child process of `rustdoc`, which invokes it twice for each doc-test
303   and requires special treatment, most notably a check-only build before interpretation.
304   This is set by `cargo-miri` itself when running as a `rustdoc`-wrapper.
305 * `MIRI_CWD` when set to any value tells the Miri driver to change to the given
306   directory after loading all the source files, but before commencing
307   interpretation. This is useful if the interpreted program wants a different
308   working directory at run-time than at build-time.
309 * `MIRI_VERBOSE` when set to any value tells the various `cargo-miri` phases to
310   perform verbose logging.
311   
312 [testing-miri]: CONTRIBUTING.md#testing-the-miri-driver
313
314 ## Miri `extern` functions
315
316 Miri provides some `extern` functions that programs can import to access
317 Miri-specific functionality:
318
319 ```rust
320 #[cfg(miri)]
321 extern "Rust" {
322     /// Miri-provided extern function to mark the block `ptr` points to as a "root"
323     /// for some static memory. This memory and everything reachable by it is not
324     /// considered leaking even if it still exists when the program terminates.
325     ///
326     /// `ptr` has to point to the beginning of an allocated block.
327     fn miri_static_root(ptr: *const u8);
328
329     /// Miri-provided extern function to obtain a backtrace of the current call stack.
330     /// This returns a boxed slice of pointers - each pointer is an opaque value
331     /// that is only useful when passed to `miri_resolve_frame`
332     /// The `flags` argument must be `0`.
333     fn miri_get_backtrace(flags: u64) -> Box<[*mut ()]>;
334
335     /// Miri-provided extern function to resolve a frame pointer obtained
336     /// from `miri_get_backtrace`. The `flags` argument must be `0`,
337     /// and `MiriFrame` should be declared as follows:
338     ///
339     /// ```rust
340     /// #[repr(C)]
341     /// struct MiriFrame {
342     ///     // The name of the function being executed, encoded in UTF-8
343     ///     name: Box<[u8]>,
344     ///     // The filename of the function being executed, encoded in UTF-8
345     ///     filename: Box<[u8]>,
346     ///     // The line number currently being executed in `filename`, starting from '1'.
347     ///     lineno: u32,
348     ///     // The column number currently being executed in `filename`, starting from '1'.
349     ///     colno: u32,
350     ///     // The function pointer to the function currently being executed.
351     ///     // This can be compared against function pointers obtained by
352     ///     // casting a function (e.g. `my_fn as *mut ()`)
353     ///     fn_ptr: *mut ()
354     /// }
355     /// ```
356     ///
357     /// The fields must be declared in exactly the same order as they appear in `MiriFrame` above.
358     /// This function can be called on any thread (not just the one which obtained `frame`).
359     fn miri_resolve_frame(frame: *mut (), flags: u64) -> MiriFrame;
360
361     /// Miri-provided extern function to begin unwinding with the given payload.
362     ///
363     /// This is internal and unstable and should not be used; we give it here
364     /// just to be complete.
365     fn miri_start_panic(payload: *mut u8) -> !;
366 }
367 ```
368
369 ## Contributing and getting help
370
371 If you want to contribute to Miri, great!  Please check out our
372 [contribution guide](CONTRIBUTING.md).
373
374 For help with running Miri, you can open an issue here on
375 GitHub or use the [Miri stream on the Rust Zulip][zulip].
376
377 [zulip]: https://rust-lang.zulipchat.com/#narrow/stream/269128-miri
378
379 ## History
380
381 This project began as part of an undergraduate research course in 2015 by
382 @solson at the [University of Saskatchewan][usask].  There are [slides] and a
383 [report] available from that project.  In 2016, @oli-obk joined to prepare miri
384 for eventually being used as const evaluator in the Rust compiler itself
385 (basically, for `const` and `static` stuff), replacing the old evaluator that
386 worked directly on the AST.  In 2017, @RalfJung did an internship with Mozilla
387 and began developing miri towards a tool for detecting undefined behavior, and
388 also using miri as a way to explore the consequences of various possible
389 definitions for undefined behavior in Rust.  @oli-obk's move of the miri engine
390 into the compiler finally came to completion in early 2018.  Meanwhile, later
391 that year, @RalfJung did a second internship, developing miri further with
392 support for checking basic type invariants and verifying that references are
393 used according to their aliasing restrictions.
394
395 [usask]: https://www.usask.ca/
396 [slides]: https://solson.me/miri-slides.pdf
397 [report]: https://solson.me/miri-report.pdf
398
399 ## Bugs found by Miri
400
401 Miri has already found a number of bugs in the Rust standard library and beyond, which we collect here.
402
403 Definite bugs found:
404
405 * [`Debug for vec_deque::Iter` accessing uninitialized memory](https://github.com/rust-lang/rust/issues/53566)
406 * [`Vec::into_iter` doing an unaligned ZST read](https://github.com/rust-lang/rust/pull/53804)
407 * [`From<&[T]> for Rc` creating a not sufficiently aligned reference](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54908)
408 * [`BTreeMap` creating a shared reference pointing to a too small allocation](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54957)
409 * [`Vec::append` creating a dangling reference](https://github.com/rust-lang/rust/pull/61082)
410 * [Futures turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56319)
411 * [`str` turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58200)
412 * [`rand` performing unaligned reads](https://github.com/rust-random/rand/issues/779)
413 * [The Unix allocator calling `posix_memalign` in an invalid way](https://github.com/rust-lang/rust/issues/62251)
414 * [`getrandom` calling the `getrandom` syscall in an invalid way](https://github.com/rust-random/getrandom/pull/73)
415 * [`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
416 * [`beef` leaking memory](https://github.com/maciejhirsz/beef/issues/12)
417 * [`EbrCell` using uninitialized memory incorrectly](https://github.com/Firstyear/concread/commit/b15be53b6ec076acb295a5c0483cdb4bf9be838f#diff-6282b2fc8e98bd089a1f0c86f648157cR229)
418 * [TiKV performing an unaligned pointer access](https://github.com/tikv/tikv/issues/7613)
419 * [`servo_arc` creating a dangling shared reference](https://github.com/servo/servo/issues/26357)
420 * [TiKV constructing out-of-bounds pointers (and overlapping mutable references)](https://github.com/tikv/tikv/pull/7751)
421 * [`encoding_rs` doing out-of-bounds pointer arithmetic](https://github.com/hsivonen/encoding_rs/pull/53)
422 * [TiKV using `Vec::from_raw_parts` incorrectly](https://github.com/tikv/agatedb/pull/24)
423 * Incorrect doctests for [`AtomicPtr`](https://github.com/rust-lang/rust/pull/84052) and [`Box::from_raw_in`](https://github.com/rust-lang/rust/pull/84053)
424
425 Violations of [Stacked Borrows] found that are likely bugs (but Stacked Borrows is currently just an experiment):
426
427 * [`VecDeque::drain` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56161)
428 * Various `BTreeMap` problems
429     * [`BTreeMap` iterators creating mutable references that overlap with shared references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58431)
430     * [`BTreeMap::iter_mut` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/73915)
431     * [`BTreeMap` node insertion using raw pointers outside their valid memory area](https://github.com/rust-lang/rust/issues/78477)
432 * [`LinkedList` cursor insertion creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/60072)
433 * [`Vec::push` invalidating existing references into the vector](https://github.com/rust-lang/rust/issues/60847)
434 * [`align_to_mut` violating uniqueness of mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/68549)
435 * [`sized-chunks` creating aliasing mutable references](https://github.com/bodil/sized-chunks/issues/8)
436 * [`String::push_str` invalidating existing references into the string](https://github.com/rust-lang/rust/issues/70301)
437 * [`ryu` using raw pointers outside their valid memory area](https://github.com/dtolnay/ryu/issues/24)
438 * [ink! creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/miri/issues/1364)
439 * [TiKV creating overlapping mutable reference and raw pointer](https://github.com/tikv/tikv/pull/7709)
440 * [Windows `Env` iterator using a raw pointer outside its valid memory area](https://github.com/rust-lang/rust/pull/70479)
441 * [`VecDeque::iter_mut` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/74029)
442 * [Various standard library aliasing issues involving raw pointers](https://github.com/rust-lang/rust/pull/78602)
443 * [`<[T]>::copy_within` using a loan after invalidating it](https://github.com/rust-lang/rust/pull/85610)
444
445 ## License
446
447 Licensed under either of
448
449   * Apache License, Version 2.0 ([LICENSE-APACHE](LICENSE-APACHE) or
450     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0)
451   * MIT license ([LICENSE-MIT](LICENSE-MIT) or
452     http://opensource.org/licenses/MIT)
453
454 at your option.
455
456 ### Contribution
457
458 Unless you explicitly state otherwise, any contribution intentionally submitted
459 for inclusion in the work by you shall be dual licensed as above, without any
460 additional terms or conditions.