]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - README.md
Auto merge of #1308 - RalfJung:miri, 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/floats are
33   initialized 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 Miri supports cross-execution: if you want to run the program as if it was a
80 Linux program, you can do `cargo miri run --target x86_64-unknown-linux-gnu`.
81 This is particularly useful if you are using Windows, as the Linux target is
82 much better supported than Windows targets.
83
84 You can pass arguments to Miri after the first `--`, and pass arguments to the
85 interpreted program or test suite after the second `--`.  For example, `cargo
86 miri run -- -Zmiri-disable-validation` runs the program without validation of
87 basic type invariants and without checking the aliasing of references.
88
89 When compiling code via `cargo miri`, the `miri` config flag is set.  You can
90 use this to ignore test cases that fail under Miri because they do things Miri
91 does not support:
92
93 ```rust
94 #[test]
95 #[cfg_attr(miri, ignore)]
96 fn does_not_work_on_miri() {
97     std::thread::spawn(|| println!("Hello Thread!"))
98         .join()
99         .unwrap();
100 }
101 ```
102
103 There is no way to list all the infinite things Miri cannot do, but the
104 interpreter will explicitly tell you when it finds something unsupported:
105
106 ```
107 error: unsupported operation: Miri does not support threading
108     ...
109     = help: this is likely not a bug in the program; it indicates that the program \
110             performed an operation that the interpreter does not support
111 ```
112
113 ### Running Miri on CI
114
115 To run Miri on CI, make sure that you handle the case where the latest nightly
116 does not ship the Miri component because it currently does not build.  For
117 example, you can use the following snippet to always test with the latest
118 nightly that *does* come with Miri:
119
120 ```sh
121 MIRI_NIGHTLY=nightly-$(curl -s https://rust-lang.github.io/rustup-components-history/x86_64-unknown-linux-gnu/miri)
122 echo "Installing latest nightly with Miri: $MIRI_NIGHTLY"
123 rustup set profile minimal
124 rustup default "$MIRI_NIGHTLY"
125
126 rustup component add miri
127 cargo miri setup
128
129 cargo miri test
130 ```
131
132 We use `cargo miri setup` to avoid getting interactive questions about the extra
133 setup needed for Miri.
134
135 ### Common Problems
136
137 When using the above instructions, you may encounter a number of confusing compiler
138 errors.
139
140 #### "found possibly newer version of crate `std` which `<dependency>` depends on"
141
142 Your build directory may contain artifacts from an earlier build that have/have
143 not been built for Miri. Run `cargo clean` before switching from non-Miri to
144 Miri builds and vice-versa.
145
146 #### "found crate `std` compiled by an incompatible version of rustc"
147
148 You may be running `cargo miri` with a different compiler version than the one
149 used to build the custom libstd that Miri uses, and Miri failed to detect that.
150 Try deleting `~/.cache/miri`.
151
152 #### "no mir for `std::rt::lang_start_internal`"
153
154 This means the sysroot you are using was not compiled with Miri in mind.  This
155 should never happen when you use `cargo miri` because that takes care of setting
156 up the sysroot.  If you are using `miri` (the Miri driver) directly, see
157 [below][testing-miri] for how to set up the sysroot.
158
159
160 ## Miri `-Z` flags and environment variables
161 [miri-flags]: #miri--z-flags-and-environment-variables
162
163 Several `-Z` flags are relevant for Miri:
164
165 * `-Zmiri-seed=<hex>` is a custom `-Z` flag added by Miri.  It configures the
166   seed of the RNG that Miri uses to resolve non-determinism.  This RNG is used
167   to pick base addresses for allocations.  When isolation is enabled (the default),
168   this is also used to emulate system entropy.  The default seed is 0.
169   **NOTE**: This entropy is not good enough for cryptographic use!  Do not
170   generate secret keys in Miri or perform other kinds of cryptographic
171   operations that rely on proper random numbers.
172 * `-Zmiri-disable-validation` disables enforcing validity invariants, which are
173   enforced by default.  This is mostly useful for debugging.  It means Miri will
174   miss bugs in your program.  However, this can also help to make Miri run
175   faster.
176 * `-Zmiri-disable-stacked-borrows` disables checking the experimental
177   [Stacked Borrows] aliasing rules.  This can make Miri run faster, but it also
178   means no aliasing violations will be detected.
179 * `-Zmiri-disable-isolation` disables host isolation.  As a consequence,
180   the program has access to host resources such as environment variables, file
181   systems, and randomness.
182 * `-Zmiri-ignore-leaks` disables the memory leak checker.
183 * `-Zmiri-env-exclude=<var>` keeps the `var` environment variable isolated from
184   the host. Can be used multiple times to exclude several variables. The `TERM`
185   environment variable is excluded by default.
186 * `-Zmir-opt-level` controls how many MIR optimizations are performed.  Miri
187   overrides the default to be `0`; be advised that using any higher level can
188   make Miri miss bugs in your program because they got optimized away.
189 * `-Zalways-encode-mir` makes rustc dump MIR even for completely monomorphic
190   functions.  This is needed so that Miri can execute such functions, so Miri
191   sets this flag per default.
192 * `-Zmir-emit-retag` controls whether `Retag` statements are emitted. Miri
193   enables this per default because it is needed for validation.
194 * `-Zmiri-track-pointer-tag=<tag>` shows a backtrace when the given pointer tag
195   is popped from a borrow stack (which is where the tag becomes invalid and any
196   future use of it will error).  This helps you in finding out why UB is
197   happening and where in your code would be a good place to look for it.
198 * `-Zmiri-track-alloc-id=<id>` shows a backtrace when the given allocation is
199   being allocated.  This helps in debugging memory leaks.
200
201 Moreover, Miri recognizes some environment variables:
202
203 * `MIRI_LOG`, `MIRI_BACKTRACE` control logging and backtrace printing during
204   Miri executions, also [see above][testing-miri].
205 * `MIRI_SYSROOT` (recognized by `cargo miri` and the test suite)
206   indicates the sysroot to use.  To do the same thing with `miri`
207   directly, use the `--sysroot` flag.
208 * `MIRI_TEST_TARGET` (recognized by the test suite) indicates which target
209   architecture to test against.  `miri` and `cargo miri` accept the `--target`
210   flag for the same purpose.
211 * `MIRI_TEST_FLAGS` (recognized by the test suite) defines extra flags to be
212   passed to Miri.
213
214 ## Contributing and getting help
215
216 If you want to contribute to Miri, great!  Please check out our
217 [contribution guide](CONTRIBUTING.md).
218
219 For help with running Miri, you can open an issue here on
220 GitHub or contact us (`oli-obk` and `RalfJ`) on the [Rust Zulip].
221
222 [Rust Zulip]: https://rust-lang.zulipchat.com
223
224 ## History
225
226 This project began as part of an undergraduate research course in 2015 by
227 @solson at the [University of Saskatchewan][usask].  There are [slides] and a
228 [report] available from that project.  In 2016, @oli-obk joined to prepare miri
229 for eventually being used as const evaluator in the Rust compiler itself
230 (basically, for `const` and `static` stuff), replacing the old evaluator that
231 worked directly on the AST.  In 2017, @RalfJung did an internship with Mozilla
232 and began developing miri towards a tool for detecting undefined behavior, and
233 also using miri as a way to explore the consequences of various possible
234 definitions for undefined behavior in Rust.  @oli-obk's move of the miri engine
235 into the compiler finally came to completion in early 2018.  Meanwhile, later
236 that year, @RalfJung did a second internship, developing miri further with
237 support for checking basic type invariants and verifying that references are
238 used according to their aliasing restrictions.
239
240 [usask]: https://www.usask.ca/
241 [slides]: https://solson.me/miri-slides.pdf
242 [report]: https://solson.me/miri-report.pdf
243
244 ## Bugs found by Miri
245
246 Miri has already found a number of bugs in the Rust standard library and beyond, which we collect here.
247
248 Definite bugs found:
249
250 * [`Debug for vec_deque::Iter` accessing uninitialized memory](https://github.com/rust-lang/rust/issues/53566)
251 * [`Vec::into_iter` doing an unaligned ZST read](https://github.com/rust-lang/rust/pull/53804)
252 * [`From<&[T]> for Rc` creating a not sufficiently aligned reference](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54908)
253 * [`BTreeMap` creating a shared reference pointing to a too small allocation](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54957)
254 * [`Vec::append` creating a dangling reference](https://github.com/rust-lang/rust/pull/61082)
255 * [Futures turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56319)
256 * [`str` turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58200)
257 * [`rand` performing unaligned reads](https://github.com/rust-random/rand/issues/779)
258 * [The Unix allocator calling `posix_memalign` in an invalid way](https://github.com/rust-lang/rust/issues/62251)
259 * [`getrandom` calling the `getrandom` syscall in an invalid way](https://github.com/rust-random/getrandom/pull/73)
260 * [`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
261 * [Memory leak in `beef`](https://github.com/maciejhirsz/beef/issues/12)
262 * [Invalid use of undefined memory in `EbrCell`](https://github.com/Firstyear/concread/commit/b15be53b6ec076acb295a5c0483cdb4bf9be838f#diff-6282b2fc8e98bd089a1f0c86f648157cR229)
263
264 Violations of [Stacked Borrows] found that are likely bugs (but Stacked Borrows is currently just an experiment):
265
266 * [`VecDeque` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56161)
267 * [`BTreeMap` creating mutable references that overlap with shared references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58431)
268 * [`LinkedList` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/60072)
269 * [`Vec::push` invalidating existing references into the vector](https://github.com/rust-lang/rust/issues/60847)
270 * [`align_to_mut` violating uniqueness of mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/68549)
271 * [Aliasing mutable references in `sized-chunks`](https://github.com/bodil/sized-chunks/issues/8)
272
273 ## License
274
275 Licensed under either of
276   * Apache License, Version 2.0 ([LICENSE-APACHE](LICENSE-APACHE) or
277     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0)
278   * MIT license ([LICENSE-MIT](LICENSE-MIT) or
279     http://opensource.org/licenses/MIT) at your option.
280
281 ### Contribution
282
283 Unless you explicitly state otherwise, any contribution intentionally submitted
284 for inclusion in the work by you shall be dual licensed as above, without any
285 additional terms or conditions.