]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - README.md
Auto merge of #1612 - camelid:patch-1, r=RalfJung
[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
24 On top of that, Miri will also tell you about memory leaks: when there is memory
25 still allocated at the end of the execution, and that memory is not reachable
26 from a global `static`, Miri will raise an error.
27
28 Miri has already discovered some [real-world bugs](#bugs-found-by-miri).  If you
29 found a bug with Miri, we'd appreciate if you tell us and we'll add it to the
30 list!
31
32 However, be aware that Miri will **not catch all cases of undefined behavior**
33 in your program, and cannot run all programs:
34
35 * There are still plenty of open questions around the basic invariants for some
36   types and when these invariants even have to hold. Miri tries to avoid false
37   positives here, so if you program runs fine in Miri right now that is by no
38   means a guarantee that it is UB-free when these questions get answered.
39
40     In particular, Miri does currently not check that integers/floats are
41   initialized or that references point to valid data.
42 * If the program relies on unspecified details of how data is laid out, it will
43   still run fine in Miri -- but might break (including causing UB) on different
44   compiler versions or different platforms.
45 * Program execution is non-deterministic when it depends, for example, on where
46   exactly in memory allocations end up. Miri tests one of many possible
47   executions of your program. If your code is sensitive to allocation base
48   addresses or other non-deterministic data, try running Miri with different
49   values for `-Zmiri-seed` to test different executions.
50 * Miri runs the program as a platform-independent interpreter, so the program
51   has no access to most platform-specific APIs or FFI. A few APIs have been
52   implemented (such as printing to stdout) but most have not: for example, Miri
53   currently does not support SIMD or networking.
54 * Miri currently does not check for data-races and most other concurrency-related
55   issues.
56
57 [rust]: https://www.rust-lang.org/
58 [mir]: https://github.com/rust-lang/rfcs/blob/master/text/1211-mir.md
59 [`unreachable_unchecked`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/hint/fn.unreachable_unchecked.html
60 [`copy_nonoverlapping`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/ptr/fn.copy_nonoverlapping.html
61 [Stacked Borrows]: https://github.com/rust-lang/unsafe-code-guidelines/blob/master/wip/stacked-borrows.md
62
63
64 ## Using Miri
65
66 Install Miri on Rust nightly via `rustup`:
67
68 ```sh
69 rustup +nightly component add miri
70 ```
71
72 If `rustup` says the `miri` component is unavailable, that's because not all
73 nightly releases come with all tools. Check out
74 [this website](https://rust-lang.github.io/rustup-components-history) to
75 determine a nightly version that comes with Miri and install that using
76 `rustup toolchain install nightly-YYYY-MM-DD`.
77
78 Now you can run your project in Miri:
79
80 1. Run `cargo clean` to eliminate any cached dependencies.  Miri needs your
81    dependencies to be compiled the right way, that would not happen if they have
82    previously already been compiled.
83 2. To run all tests in your project through Miri, use `cargo miri test`.
84 3. If you have a binary project, you can run it through Miri using `cargo miri run`.
85
86 The first time you run Miri, it will perform some extra setup and install some
87 dependencies.  It will ask you for confirmation before installing anything.
88
89 `cargo miri run/test` supports the exact same flags as `cargo run/test`.  You
90 can pass arguments to Miri via `MIRIFLAGS`. For example,
91 `MIRIFLAGS="-Zmiri-disable-stacked-borrows" cargo miri run` runs the program
92 without checking the aliasing of references.
93
94 When compiling code via `cargo miri`, the `cfg(miri)` config flag is set.  You
95 can use this to ignore test cases that fail under Miri because they do things
96 Miri does not support:
97
98 ```rust
99 #[test]
100 #[cfg_attr(miri, ignore)]
101 fn does_not_work_on_miri() {
102     std::thread::spawn(|| println!("Hello Thread!"))
103         .join()
104         .unwrap();
105 }
106 ```
107
108 There is no way to list all the infinite things Miri cannot do, but the
109 interpreter will explicitly tell you when it finds something unsupported:
110
111 ```
112 error: unsupported operation: can't call foreign function: bind
113     ...
114     = help: this is likely not a bug in the program; it indicates that the program \
115             performed an operation that the interpreter does not support
116 ```
117
118 ### Cross-interpretation: running for different targets
119
120 Miri can not only run a binary or test suite for your host target, it can also
121 perform cross-interpretation for arbitrary foreign targets: `cargo miri run
122 --target x86_64-unknown-linux-gnu` will run your program as if it was a Linux
123 program, no matter your host OS.  This is particularly useful if you are using
124 Windows, as the Linux target is much better supported than Windows targets.
125
126 You can also use this to test platforms with different properties than your host
127 platform.  For example `cargo miri test --target mips64-unknown-linux-gnuabi64`
128 will run your test suite on a big-endian target, which is useful for testing
129 endian-sensitive code.
130
131 ### Running Miri on CI
132
133 To run Miri on CI, make sure that you handle the case where the latest nightly
134 does not ship the Miri component because it currently does not build.  For
135 example, you can use the following snippet to always test with the latest
136 nightly that *does* come with Miri:
137
138 ```sh
139 MIRI_NIGHTLY=nightly-$(curl -s https://rust-lang.github.io/rustup-components-history/x86_64-unknown-linux-gnu/miri)
140 echo "Installing latest nightly with Miri: $MIRI_NIGHTLY"
141 rustup set profile minimal
142 rustup default "$MIRI_NIGHTLY"
143 rustup component add miri
144
145 cargo miri test
146 ```
147
148 ### Common Problems
149
150 When using the above instructions, you may encounter a number of confusing compiler
151 errors.
152
153 ### "note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace"
154
155 You may see this when trying to get Miri to display a backtrace. By default, Miri
156 doesn't expose any environment to the program, so running
157 `RUST_BACKTRACE=1 cargo miri test` will not do what you expect.
158
159 To get a backtrace, you need to disable isolation
160 [using `-Zmiri-disable-isolation`](#miri-flags):
161
162 ```sh
163 RUST_BACKTRACE=1 MIRIFLAGS="-Zmiri-disable-isolation" cargo miri test
164 ```
165
166 #### "found possibly newer version of crate `std` which `<dependency>` depends on"
167
168 Your build directory may contain artifacts from an earlier build that have/have
169 not been built for Miri. Run `cargo clean` before switching from non-Miri to
170 Miri builds and vice-versa.
171
172 #### "found crate `std` compiled by an incompatible version of rustc"
173
174 You may be running `cargo miri` with a different compiler version than the one
175 used to build the custom libstd that Miri uses, and Miri failed to detect that.
176 Try deleting `~/.cache/miri`.
177
178 #### "no mir for `std::rt::lang_start_internal`"
179
180 This means the sysroot you are using was not compiled with Miri in mind.  This
181 should never happen when you use `cargo miri` because that takes care of setting
182 up the sysroot.  If you are using `miri` (the Miri driver) directly, see the
183 [contributors' guide](CONTRIBUTING.md) for how to use `./miri` to best do that.
184
185
186 ## Miri `-Z` flags and environment variables
187 [miri-flags]: #miri--z-flags-and-environment-variables
188
189 Miri adds its own set of `-Z` flags, which are usually set via the `MIRIFLAGS`
190 environment variable:
191
192 * `-Zmiri-disable-alignment-check` disables checking pointer alignment, so you
193   can focus on other failures, but it means Miri can miss bugs in your program.
194   Using this flag is **unsound**.
195 * `-Zmiri-disable-stacked-borrows` disables checking the experimental
196   [Stacked Borrows] aliasing rules.  This can make Miri run faster, but it also
197   means no aliasing violations will be detected.  Using this flag is **unsound**
198   (but the affected soundness rules are experimental).
199 * `-Zmiri-disable-validation` disables enforcing validity invariants, which are
200   enforced by default.  This is mostly useful to focus on other failures (such
201   as out-of-bounds accesses) first.  Setting this flag means Miri can miss bugs
202   in your program.  However, this can also help to make Miri run faster.  Using
203   this flag is **unsound**.
204 * `-Zmiri-disable-isolation` disables host isolation.  As a consequence,
205   the program has access to host resources such as environment variables, file
206   systems, and randomness.
207 * `-Zmiri-env-exclude=<var>` keeps the `var` environment variable isolated from
208   the host so that it cannot be accessed by the program.  Can be used multiple
209   times to exclude several variables.  On Windows, the `TERM` environment
210   variable is excluded by default.
211 * `-Zmiri-ignore-leaks` disables the memory leak checker.
212 * `-Zmiri-seed=<hex>` configures the seed of the RNG that Miri uses to resolve
213   non-determinism.  This RNG is used to pick base addresses for allocations.
214   When isolation is enabled (the default), this is also used to emulate system
215   entropy.  The default seed is 0.  **NOTE**: This entropy is not good enough
216   for cryptographic use!  Do not generate secret keys in Miri or perform other
217   kinds of cryptographic operations that rely on proper random numbers.
218 * `-Zmiri-symbolic-alignment-check` makes the alignment check more strict.  By
219   default, alignment is checked by casting the pointer to an integer, and making
220   sure that is a multiple of the alignment.  This can lead to cases where a
221   program passes the alignment check by pure chance, because things "happened to
222   be" sufficiently aligned -- there is no UB in this execution but there would
223   be UB in others.  To avoid such cases, the symbolic alignment check only takes
224   into account the requested alignment of the relevant allocation, and the
225   offset into that allocation.  This avoids missing such bugs, but it also
226   incurs some false positives when the code does manual integer arithmetic to
227   ensure alignment.  (The standard library `align_to` method works fine in both
228   modes; under symbolic alignment it only fills the middle slice when the
229   allocation guarantees sufficient alignment.)
230 * `-Zmiri-track-alloc-id=<id>` shows a backtrace when the given allocation is
231   being allocated or freed.  This helps in debugging memory leaks and
232   use after free bugs.
233 * `-Zmiri-track-call-id=<id>` shows a backtrace when the given call id is
234   assigned to a stack frame.  This helps in debugging UB related to Stacked
235   Borrows "protectors".
236 * `-Zmiri-track-pointer-tag=<tag>` shows a backtrace when the given pointer tag
237   is popped from a borrow stack (which is where the tag becomes invalid and any
238   future use of it will error).  This helps you in finding out why UB is
239   happening and where in your code would be a good place to look for it.
240 * `-Zmiri-track-raw-pointers` makes Stacked Borrows track a pointer tag even for
241   raw pointers. This can make valid code fail to pass the checks, but also can
242   help identify latent aliasing issues in code that Miri accepts by default. You
243   can recognize false positives by "<untagged>" occurring in the message -- this
244   indicates a pointer that was cast from an integer, so Miri was unable to track
245   this pointer. Make sure to use a non-Windows target with this flag, as the
246   Windows runtime makes use of integer-pointer casts.
247
248 Some native rustc `-Z` flags are also very relevant for Miri:
249
250 * `-Zmir-opt-level` controls how many MIR optimizations are performed.  Miri
251   overrides the default to be `0`; be advised that using any higher level can
252   make Miri miss bugs in your program because they got optimized away.
253 * `-Zalways-encode-mir` makes rustc dump MIR even for completely monomorphic
254   functions.  This is needed so that Miri can execute such functions, so Miri
255   sets this flag per default.
256 * `-Zmir-emit-retag` controls whether `Retag` statements are emitted. Miri
257   enables this per default because it is needed for [Stacked Borrows].
258
259 Moreover, Miri recognizes some environment variables:
260
261 * `MIRI_LOG`, `MIRI_BACKTRACE` control logging and backtrace printing during
262   Miri executions, also [see "Testing the Miri driver" in `CONTRIBUTING.md`][testing-miri].
263 * `MIRIFLAGS` (recognized by `cargo miri` and the test suite) defines extra
264   flags to be passed to Miri.
265 * `MIRI_SYSROOT` (recognized by `cargo miri` and the test suite)
266   indicates the sysroot to use.  To do the same thing with `miri`
267   directly, use the `--sysroot` flag.
268 * `MIRI_TEST_TARGET` (recognized by the test suite) indicates which target
269   architecture to test against.  `miri` and `cargo miri` accept the `--target`
270   flag for the same purpose.
271
272 The following environment variables are internal, but used to communicate between
273 different Miri binaries, and as such worth documenting:
274
275 * `MIRI_BE_RUSTC` when set to any value tells the Miri driver to actually not
276   interpret the code but compile it like rustc would. This is useful to be sure
277   that the compiled `rlib`s are compatible with Miri.
278   When set while running `cargo-miri`, it indicates that we are part of a sysroot
279   build (for which some crates need special treatment).
280 * `MIRI_CWD` when set to any value tells the Miri driver to change to the given
281   directory after loading all the source files, but before commencing
282   interpretation. This is useful if the interpreted program wants a different
283   working directory at run-time than at build-time.
284   
285 [testing-miri]: CONTRIBUTING.md#testing-the-miri-driver
286
287 ## Miri `extern` functions
288
289 Miri provides some `extern` functions that programs can import to access
290 Miri-specific functionality:
291
292 ```rust
293 #[cfg(miri)]
294 extern "Rust" {
295     /// Miri-provided extern function to mark the block `ptr` points to as a "root"
296     /// for some static memory. This memory and everything reachable by it is not
297     /// considered leaking even if it still exists when the program terminates.
298     ///
299     /// `ptr` has to point to the beginning of an allocated block.
300     fn miri_static_root(ptr: *const u8);
301
302     /// Miri-provided extern function to obtain a backtrace of the current call stack.
303     /// This returns a boxed slice of pointers - each pointer is an opaque value
304     /// that is only useful when passed to `miri_resolve_frame`
305     /// The `flags` argument must be `0`.
306     fn miri_get_backtrace(flags: u64) -> Box<[*mut ()]>;
307
308     /// Miri-provided extern function to resolve a frame pointer obtained
309     /// from `miri_get_backtrace`. The `flags` argument must be `0`,
310     /// and `MiriFrame` should be declared as follows:
311     ///
312     /// ```rust
313     /// #[repr(C)]
314     /// struct MiriFrame {
315     ///     // The name of the function being executed, encoded in UTF-8
316     ///     name: Box<[u8]>,
317     ///     // The filename of the function being executed, encoded in UTF-8
318     ///     filename: Box<[u8]>,
319     ///     // The line number currently being executed in `filename`, starting from '1'.
320     ///     lineno: u32,
321     ///     // The column number currently being executed in `filename`, starting from '1'.
322     ///     colno: u32,
323     ///     // The function pointer to the function currently being executed.
324     ///     // This can be compared against function pointers obtained by
325     ///     // casting a function (e.g. `my_fn as *mut ()`)
326     ///     fn_ptr: *mut ()
327     /// }
328     /// ```
329     ///
330     /// The fields must be declared in exactly the same order as they appear in `MiriFrame` above.
331     /// This function can be called on any thread (not just the one which obtained `frame`).
332     fn miri_resolve_frame(frame: *mut (), flags: u64) -> MiriFrame;
333
334     /// Miri-provided extern function to begin unwinding with the given payload.
335     ///
336     /// This is internal and unstable and should not be used; we give it here
337     /// just to be complete.
338     fn miri_start_panic(payload: *mut u8) -> !;
339 }
340 ```
341
342 ## Contributing and getting help
343
344 If you want to contribute to Miri, great!  Please check out our
345 [contribution guide](CONTRIBUTING.md).
346
347 For help with running Miri, you can open an issue here on
348 GitHub or contact us (`oli-obk` and `RalfJ`) on the [Rust Zulip].
349
350 [Rust Zulip]: https://rust-lang.zulipchat.com
351
352 ## History
353
354 This project began as part of an undergraduate research course in 2015 by
355 @solson at the [University of Saskatchewan][usask].  There are [slides] and a
356 [report] available from that project.  In 2016, @oli-obk joined to prepare miri
357 for eventually being used as const evaluator in the Rust compiler itself
358 (basically, for `const` and `static` stuff), replacing the old evaluator that
359 worked directly on the AST.  In 2017, @RalfJung did an internship with Mozilla
360 and began developing miri towards a tool for detecting undefined behavior, and
361 also using miri as a way to explore the consequences of various possible
362 definitions for undefined behavior in Rust.  @oli-obk's move of the miri engine
363 into the compiler finally came to completion in early 2018.  Meanwhile, later
364 that year, @RalfJung did a second internship, developing miri further with
365 support for checking basic type invariants and verifying that references are
366 used according to their aliasing restrictions.
367
368 [usask]: https://www.usask.ca/
369 [slides]: https://solson.me/miri-slides.pdf
370 [report]: https://solson.me/miri-report.pdf
371
372 ## Bugs found by Miri
373
374 Miri has already found a number of bugs in the Rust standard library and beyond, which we collect here.
375
376 Definite bugs found:
377
378 * [`Debug for vec_deque::Iter` accessing uninitialized memory](https://github.com/rust-lang/rust/issues/53566)
379 * [`Vec::into_iter` doing an unaligned ZST read](https://github.com/rust-lang/rust/pull/53804)
380 * [`From<&[T]> for Rc` creating a not sufficiently aligned reference](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54908)
381 * [`BTreeMap` creating a shared reference pointing to a too small allocation](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54957)
382 * [`Vec::append` creating a dangling reference](https://github.com/rust-lang/rust/pull/61082)
383 * [Futures turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56319)
384 * [`str` turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58200)
385 * [`rand` performing unaligned reads](https://github.com/rust-random/rand/issues/779)
386 * [The Unix allocator calling `posix_memalign` in an invalid way](https://github.com/rust-lang/rust/issues/62251)
387 * [`getrandom` calling the `getrandom` syscall in an invalid way](https://github.com/rust-random/getrandom/pull/73)
388 * [`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
389 * [`beef` leaking memory](https://github.com/maciejhirsz/beef/issues/12)
390 * [`EbrCell` using uninitialized memory incorrectly](https://github.com/Firstyear/concread/commit/b15be53b6ec076acb295a5c0483cdb4bf9be838f#diff-6282b2fc8e98bd089a1f0c86f648157cR229)
391 * [TiKV performing an unaligned pointer access](https://github.com/tikv/tikv/issues/7613)
392 * [`servo_arc` creating a dangling shared reference](https://github.com/servo/servo/issues/26357)
393 * [TiKV constructing out-of-bounds pointers (and overlapping mutable references)](https://github.com/tikv/tikv/pull/7751)
394 * [`encoding_rs` doing out-of-bounds pointer arithmetic](https://github.com/hsivonen/encoding_rs/pull/53)
395 * [TiKV using `Vec::from_raw_parts` incorrectly](https://github.com/tikv/agatedb/pull/24)
396
397 Violations of [Stacked Borrows] found that are likely bugs (but Stacked Borrows is currently just an experiment):
398
399 * [`VecDeque::drain` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56161)
400 * Various `BTreeMap` problems
401     * [`BTreeMap` iterators creating mutable references that overlap with shared references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58431)
402     * [`BTreeMap::iter_mut` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/73915)
403     * [`BTreeMap` node insertion using raw pointers outside their valid memory area](https://github.com/rust-lang/rust/issues/78477)
404 * [`LinkedList` cursor insertion creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/60072)
405 * [`Vec::push` invalidating existing references into the vector](https://github.com/rust-lang/rust/issues/60847)
406 * [`align_to_mut` violating uniqueness of mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/68549)
407 * [`sized-chunks` creating aliasing mutable references](https://github.com/bodil/sized-chunks/issues/8)
408 * [`String::push_str` invalidating existing references into the string](https://github.com/rust-lang/rust/issues/70301)
409 * [`ryu` using raw pointers outside their valid memory area](https://github.com/dtolnay/ryu/issues/24)
410 * [ink! creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/miri/issues/1364)
411 * [TiKV creating overlapping mutable reference and raw pointer](https://github.com/tikv/tikv/pull/7709)
412 * [Windows `Env` iterator using a raw pointer outside its valid memory area](https://github.com/rust-lang/rust/pull/70479)
413 * [`VecDeque::iter_mut` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/74029)
414 * [Various standard library aliasing issues involving raw pointers](https://github.com/rust-lang/rust/pull/78602)
415
416 ## License
417
418 Licensed under either of
419
420   * Apache License, Version 2.0 ([LICENSE-APACHE](LICENSE-APACHE) or
421     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0)
422   * MIT license ([LICENSE-MIT](LICENSE-MIT) or
423     http://opensource.org/licenses/MIT)
424
425 at your option.
426
427 ### Contribution
428
429 Unless you explicitly state otherwise, any contribution intentionally submitted
430 for inclusion in the work by you shall be dual licensed as above, without any
431 additional terms or conditions.