]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - README.md
Auto merge of #937 - christianpoveda:fix-isolation, 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 * WIP: Violations of the rules governing aliasing for reference types
18
19 Miri has already discovered some [real-world bugs](#bugs-found-by-miri).  If you
20 found a bug with Miri, we'd appreciate if you tell us and we'll add it to the
21 list!
22
23 Be aware that Miri will not catch all cases of undefined behavior in your
24 program, and cannot run all programs:
25
26 * There are still plenty of open questions around the basic invariants for some
27   types and when these invariants even have to hold. Miri tries to avoid false
28   positives here, so if you program runs fine in Miri right now that is by no
29   means a guarantee that it is UB-free when these questions get answered.
30
31     In particular, Miri does currently not check that integers are initialized
32   or that references point to valid data.
33 * If the program relies on unspecified details of how data is laid out, it will
34   still run fine in Miri -- but might break (including causing UB) on different
35   compiler versions or different platforms.
36 * Program execution is non-deterministic when it depends, for example, on where
37   exactly in memory allocations end up. Miri tests one of many possible
38   executions of your program. If your code is sensitive to allocation base
39   addresses or other non-deterministic data, try running Miri with different
40   values for `-Zmiri-seed` to test different executions.
41 * Miri runs the program as a platform-independent interpreter, so the program
42   has no access to any platform-specific APIs or FFI. A few APIs have been
43   implemented (such as printing to stdout) but most have not: for example, Miri
44   currently does not support concurrency, or SIMD, or networking, or file system
45   access.
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
52
53 ## Running Miri on your own project (and its test suite)
54
55 Install Miri via `rustup`:
56
57 ```sh
58 rustup component add miri
59 ```
60
61 If `rustup` says the `miri` component is unavailable, that's because not all
62 nightly releases come with all tools. Check out
63 [this website](https://rust-lang.github.io/rustup-components-history) to
64 determine a nightly version that comes with Miri and install that, e.g. using
65 `rustup install nightly-2019-03-28`.
66
67 Now you can run your project in Miri:
68
69 1. Run `cargo clean` to eliminate any cached dependencies.  Miri needs your
70    dependencies to be compiled the right way, that would not happen if they have
71    previously already been compiled.
72 2. To run all tests in your project through Miri, use `cargo miri test`.
73 3. If you have a binary project, you can run it through Miri using `cargo miri run`.
74
75 The first time you run Miri, it will perform some extra setup and install some
76 dependencies.  It will ask you for confirmation before installing anything.
77
78 You can pass arguments to Miri after the first `--`, and pass arguments to the
79 interpreted program or test suite after the second `--`.  For example, `cargo
80 miri run -- -Zmiri-disable-validation` runs the program without validation of
81 basic type invariants and references.  `cargo miri test -- -- -Zunstable-options
82 --exclude-should-panic` skips `#[should_panic]` tests, which is a good idea
83 because Miri does not support unwinding or catching panics.
84
85 When running code via `cargo miri`, the `miri` config flag is set.  You can
86 use this to exclude test cases that will fail under Miri because they do things
87 Miri does not support:
88
89 ```rust
90 #[cfg(not(miri))]
91 #[test]
92 fn does_not_work_on_miri() {
93     let x = 0u8;
94     assert!(&x as *const _ as usize % 4 < 4);
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: $MIRI_NIGHTLY"
108 rustup default "$MIRI_NIGHTLY"
109
110 rustup component add miri
111 cargo miri setup
112
113 cargo miri test -- -- -Zunstable-options --exclude-should-panic
114 ```
115
116 We use `cargo miri setup` to avoid getting interactive questions about the extra
117 setup needed for Miri.
118
119 ### Common Problems
120
121 When using the above instructions, you may encounter a number of confusing compiler
122 errors.
123
124 #### "found possibly newer version of crate `std` which `<dependency>` depends on"
125
126 Your build directory may contain artifacts from an earlier build that have/have
127 not been built for Miri. Run `cargo clean` before switching from non-Miri to
128 Miri builds and vice-versa.
129
130 #### "found crate `std` compiled by an incompatible version of rustc"
131
132 You may be running `cargo miri` with a different compiler version than the one
133 used to build the custom libstd that Miri uses, and Miri failed to detect that.
134 Try deleting `~/.cache/miri`.
135
136 #### "no mir for `std::rt::lang_start_internal`"
137
138 This means the sysroot you are using was not compiled with Miri in mind.  This
139 should never happen when you use `cargo miri` because that takes care of setting
140 up the sysroot.  If you are using `miri` (the Miri driver) directly, see
141 [below][testing-miri] for how to set up the sysroot.
142
143
144 ## Miri `-Z` flags and environment variables
145 [miri-flags]: #miri--z-flags-and-environment-variables
146
147 Several `-Z` flags are relevant for Miri:
148
149 * `-Zmiri-seed=<hex>` is a custom `-Z` flag added by Miri.  It configures the
150   seed of the RNG that Miri uses to resolve non-determinism.  This RNG is used
151   to pick base addresses for allocations, and when the interpreted program
152   requests system entropy.  The default seed is 0.
153   **NOTE**: This entropy is not good enough for cryptographic use!  Do not
154   generate secret keys in Miri or perform other kinds of cryptographic
155   operations that rely on proper random numbers.
156 * `-Zmiri-disable-validation` disables enforcing the validity invariant, which
157   is enforced by default.  This is mostly useful for debugging; it means Miri
158   will miss bugs in your program.  However, this can also help to make Miri run
159   faster.
160 * `-Zmiri-disable-isolation` disables host host isolation.  As a consequence,
161   the program has access to host resources such as environment variables and
162   randomness (and, eventually, file systems and more).
163 * `-Zmiri-env-exclude=<var>` keeps the `var` environment variable isolated from 
164   the host. Can be used multiple times to exclude several variables. The `TERM`
165   environment variable is excluded by default.
166 * `-Zmir-opt-level` controls how many MIR optimizations are performed.  Miri
167   overrides the default to be `0`; be advised that using any higher level can
168   make Miri miss bugs in your program because they got optimized away.
169 * `-Zalways-encode-mir` makes rustc dump MIR even for completely monomorphic
170   functions.  This is needed so that Miri can execute such functions, so Miri
171   sets this flag per default.
172 * `-Zmir-emit-retag` controls whether `Retag` statements are emitted. Miri
173   enables this per default because it is needed for validation.
174
175 Moreover, Miri recognizes some environment variables:
176
177 * `MIRI_LOG`, `MIRI_BACKTRACE` control logging and backtrace printing during
178   Miri executions, also [see above][testing-miri].
179 * `MIRI_SYSROOT` (recognized by `cargo miri` and the test suite)
180   indicates the sysroot to use.  To do the same thing with `miri`
181   directly, use the `--sysroot` flag.
182 * `MIRI_TEST_TARGET` (recognized by the test suite) indicates which target
183   architecture to test against.  `miri` and `cargo miri` accept the `--target`
184   flag for the same purpose.
185
186 ## Development and Debugging
187
188 If you want to hack on miri yourself, great!  Here are some resources you might
189 find useful.
190
191 ### Using a nightly rustc
192
193 Miri heavily relies on internal rustc interfaces to execute MIR.  Still, some
194 things (like adding support for a new intrinsic or a shim for an external
195 function being called) can be done by working just on the Miri side.
196
197 To prepare, make sure you are using a nightly Rust compiler.  Then you should be
198 able to just `cargo build` Miri.
199
200 In case this fails, your nightly might be incompatible with Miri master.  The
201 `rust-version` file contains the commit hash of rustc that Miri is currently
202 tested against; you can use that to find a nightly that works or you might have
203 to wait for the next nightly to get released. You can also use
204 [`rustup-toolchain-install-master`](https://github.com/kennytm/rustup-toolchain-install-master)
205 to install that exact version of rustc as a toolchain:
206 ```
207 rustup-toolchain-install-master $(cat rust-version) -c rust-src
208 ```
209
210 Another common problem is outdated dependencies: Miri does not come with a
211 lockfile (it cannot, due to how it gets embedded into the rustc build). So you
212 have to run `cargo update` every now and then yourself to make sure you are
213 using the latest versions of everything (which is what gets tested on CI).
214
215 ### Testing the Miri driver
216 [testing-miri]: #testing-the-miri-driver
217
218 The Miri driver in the `miri` binary is the "heart" of Miri: it is basically a
219 version of `rustc` that, instead of compiling your code, runs it.  It accepts
220 all the same flags as `rustc` (though the ones only affecting code generation
221 and linking obviously will have no effect) [and more][miri-flags].
222
223 Running the Miri driver requires some fiddling with environment variables, so
224 the `miri` script helps you do that.  For example, you can run the driver on a
225 particular file by doing
226
227 ```sh
228 ./miri run tests/run-pass/format.rs
229 ./miri run tests/run-pass/hello.rs --target i686-unknown-linux-gnu
230 ```
231
232 and you can run the test suite using:
233
234 ```
235 ./miri test
236 ```
237
238 `./miri test FILTER` only runs those tests that contain `FILTER` in their
239 filename (including the base directory, e.g. `./miri test fail` will run all
240 compile-fail tests).
241
242 You can get a trace of which MIR statements are being executed by setting the
243 `MIRI_LOG` environment variable.  For example:
244
245 ```sh
246 MIRI_LOG=info ./miri run tests/run-pass/vecs.rs
247 ```
248
249 Setting `MIRI_LOG` like this will configure logging for Miri itself as well as
250 the `rustc::mir::interpret` and `rustc_mir::interpret` modules in rustc.  You
251 can also do more targeted configuration, e.g. the following helps debug the
252 stacked borrows implementation:
253
254 ```sh
255 MIRI_LOG=rustc_mir::interpret=info,miri::stacked_borrows ./miri run tests/run-pass/vecs.rs
256 ```
257
258 In addition, you can set `MIRI_BACKTRACE=1` to get a backtrace of where an
259 evaluation error was originally raised.
260
261 ### Testing `cargo miri`
262
263 Working with the driver directly gives you full control, but you also lose all
264 the convenience provided by cargo.  Once your test case depends on a crate, it
265 is probably easier to test it with the cargo wrapper.  You can install your
266 development version of Miri using
267
268 ```
269 ./miri install
270 ```
271
272 and then you can use it as if it was installed by `rustup`.  Make sure you use
273 the same toolchain when calling `cargo miri` that you used when installing Miri!
274
275 There's a test for the cargo wrapper in the `test-cargo-miri` directory; run
276 `./run-test.py` in there to execute it.
277
278 ### Using a locally built rustc
279
280 A big part of the Miri driver lives in rustc, so working on Miri will sometimes
281 require using a locally built rustc.  The bug you want to fix may actually be on
282 the rustc side, or you just need to get more detailed trace of the execution
283 than what is possible with release builds -- in both cases, you should develop
284 miri against a rustc you compiled yourself, with debug assertions (and hence
285 tracing) enabled.
286
287 The setup for a local rustc works as follows:
288 ```sh
289 git clone https://github.com/rust-lang/rust/ rustc
290 cd rustc
291 cp config.toml.example config.toml
292 # Now edit `config.toml` and set `debug-assertions = true`.
293 # This step can take 30 minutes and more.
294 ./x.py build src/rustc
295 # If you change something, you can get a faster rebuild by doing
296 ./x.py --keep-stage 0 build src/rustc
297 # You may have to change the architecture in the next command
298 rustup toolchain link custom build/x86_64-unknown-linux-gnu/stage2
299 # Now cd to your Miri directory, then configure rustup
300 rustup override set custom
301 ```
302
303 With this, you should now have a working development setup!  See
304 [above][testing-miri] for how to proceed working with the Miri driver.
305
306 ## Contributing and getting help
307
308 Check out the issues on this GitHub repository for some ideas. There's lots that
309 needs to be done that I haven't documented in the issues yet, however. For more
310 ideas or help with running or hacking on Miri, you can open an issue here on
311 GitHub or contact us (`oli-obk` and `RalfJ`) on the [Rust Zulip].
312
313 [Rust Zulip]: https://rust-lang.zulipchat.com
314
315 ## History
316
317 This project began as part of an undergraduate research course in 2015 by
318 @solson at the [University of Saskatchewan][usask].  There are [slides] and a
319 [report] available from that project.  In 2016, @oli-obk joined to prepare miri
320 for eventually being used as const evaluator in the Rust compiler itself
321 (basically, for `const` and `static` stuff), replacing the old evaluator that
322 worked directly on the AST.  In 2017, @RalfJung did an internship with Mozilla
323 and began developing miri towards a tool for detecting undefined behavior, and
324 also using miri as a way to explore the consequences of various possible
325 definitions for undefined behavior in Rust.  @oli-obk's move of the miri engine
326 into the compiler finally came to completion in early 2018.  Meanwhile, later
327 that year, @RalfJung did a second internship, developing miri further with
328 support for checking basic type invariants and verifying that references are
329 used according to their aliasing restrictions.
330
331 [usask]: https://www.usask.ca/
332 [slides]: https://solson.me/miri-slides.pdf
333 [report]: https://solson.me/miri-report.pdf
334
335 ## Bugs found by Miri
336
337 Miri has already found a number of bugs in the Rust standard library and beyond, which we collect here.
338
339 Definite bugs found:
340
341 * [`Debug for vec_deque::Iter` accessing uninitialized memory](https://github.com/rust-lang/rust/issues/53566)
342 * [`Vec::into_iter` doing an unaligned ZST read](https://github.com/rust-lang/rust/pull/53804)
343 * [`From<&[T]> for Rc` creating a not sufficiently aligned reference](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54908)
344 * [`BTreeMap` creating a shared reference pointing to a too small allocation](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54957)
345 * [`Vec::append` creating a dangling reference](https://github.com/rust-lang/rust/pull/61082)
346 * [Futures turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56319)
347 * [`str` turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58200)
348 * [`rand` performing unaligned reads](https://github.com/rust-random/rand/issues/779)
349 * [The Unix allocator calling `posix_memalign` in an invalid way](https://github.com/rust-lang/rust/issues/62251)
350 * [`getrandom` calling the `getrandom` syscall in an invalid way](https://github.com/rust-random/getrandom/pull/73)
351
352 Violations of Stacked Borrows found that are likely bugs (but Stacked Borrows is currently just an experiment):
353
354 * [`VecDeque` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56161)
355 * [`BTreeMap` creating mutable references that overlap with shared references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58431)
356 * [`LinkedList` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/60072)
357 * [`Vec::push` invalidating existing references into the vector](https://github.com/rust-lang/rust/issues/60847)
358
359 ## License
360
361 Licensed under either of
362   * Apache License, Version 2.0 ([LICENSE-APACHE](LICENSE-APACHE) or
363     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0)
364   * MIT license ([LICENSE-MIT](LICENSE-MIT) or
365     http://opensource.org/licenses/MIT) at your option.
366
367 ### Contribution
368
369 Unless you explicitly state otherwise, any contribution intentionally submitted
370 for inclusion in the work by you shall be dual licensed as above, without any
371 additional terms or conditions.