]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - README.md
added deallocation tracking
[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 On top of that, Miri will also tell you about memory leaks: when there is memory
21 still allocated at the end of the execution, and that memory is not reachable
22 from a global `static`, Miri will raise an error. Note however that
23 [leak checking is currently disabled on Windows targets](https://github.com/rust-lang/miri/issues/1302).
24
25 Miri has already discovered some [real-world bugs](#bugs-found-by-miri).  If you
26 found a bug with Miri, we'd appreciate if you tell us and we'll add it to the
27 list!
28
29 However, be aware that Miri will **not catch all cases of undefined behavior**
30 in your program, and cannot run all programs:
31
32 * There are still plenty of open questions around the basic invariants for some
33   types and when these invariants even have to hold. Miri tries to avoid false
34   positives here, so if you program runs fine in Miri right now that is by no
35   means a guarantee that it is UB-free when these questions get answered.
36
37     In particular, Miri does currently not check that integers/floats are
38   initialized or that references point to valid data.
39 * If the program relies on unspecified details of how data is laid out, it will
40   still run fine in Miri -- but might break (including causing UB) on different
41   compiler versions or different platforms.
42 * Program execution is non-deterministic when it depends, for example, on where
43   exactly in memory allocations end up. Miri tests one of many possible
44   executions of your program. If your code is sensitive to allocation base
45   addresses or other non-deterministic data, try running Miri with different
46   values for `-Zmiri-seed` to test different executions.
47 * Miri runs the program as a platform-independent interpreter, so the program
48   has no access to most platform-specific APIs or FFI. A few APIs have been
49   implemented (such as printing to stdout) but most have not: for example, Miri
50   currently does not support concurrency, or SIMD, or networking.
51
52 [rust]: https://www.rust-lang.org/
53 [mir]: https://github.com/rust-lang/rfcs/blob/master/text/1211-mir.md
54 [`unreachable_unchecked`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/hint/fn.unreachable_unchecked.html
55 [`copy_nonoverlapping`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/ptr/fn.copy_nonoverlapping.html
56 [Stacked Borrows]: https://github.com/rust-lang/unsafe-code-guidelines/blob/master/wip/stacked-borrows.md
57
58
59 ## Using Miri
60
61 Install Miri on Rust nightly via `rustup`:
62
63 ```sh
64 rustup +nightly component add miri
65 ```
66
67 If `rustup` says the `miri` component is unavailable, that's because not all
68 nightly releases come with all tools. Check out
69 [this website](https://rust-lang.github.io/rustup-components-history) to
70 determine a nightly version that comes with Miri and install that using
71 `rustup toolchain install nightly-YYYY-MM-DD`.
72
73 Now you can run your project in Miri:
74
75 1. Run `cargo clean` to eliminate any cached dependencies.  Miri needs your
76    dependencies to be compiled the right way, that would not happen if they have
77    previously already been compiled.
78 2. To run all tests in your project through Miri, use `cargo miri test`.
79 3. If you have a binary project, you can run it through Miri using `cargo miri run`.
80
81 The first time you run Miri, it will perform some extra setup and install some
82 dependencies.  It will ask you for confirmation before installing anything.
83
84 Miri supports cross-execution: if you want to run the program as if it was a
85 Linux program, you can do `cargo miri run --target x86_64-unknown-linux-gnu`.
86 This is particularly useful if you are using Windows, as the Linux target is
87 much better supported than Windows targets.
88
89 You can pass arguments to Miri after the first `--`, and pass arguments to the
90 interpreted program or test suite after the second `--`.  For example, `cargo
91 miri run -- -Zmiri-disable-validation` runs the program without validation of
92 basic type invariants and without checking the aliasing of references.
93
94 When compiling code via `cargo miri`, the `miri` config flag is set.  You can
95 use this to ignore test cases that fail under Miri because they do things Miri
96 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: Miri does not support threading
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 ### Running Miri on CI
119
120 To run Miri on CI, make sure that you handle the case where the latest nightly
121 does not ship the Miri component because it currently does not build.  For
122 example, you can use the following snippet to always test with the latest
123 nightly that *does* come with Miri:
124
125 ```sh
126 MIRI_NIGHTLY=nightly-$(curl -s https://rust-lang.github.io/rustup-components-history/x86_64-unknown-linux-gnu/miri)
127 echo "Installing latest nightly with Miri: $MIRI_NIGHTLY"
128 rustup set profile minimal
129 rustup default "$MIRI_NIGHTLY"
130
131 rustup component add miri
132 cargo miri setup
133
134 cargo miri test
135 ```
136
137 We use `cargo miri setup` to avoid getting interactive questions about the extra
138 setup needed for Miri.
139
140 ### Common Problems
141
142 When using the above instructions, you may encounter a number of confusing compiler
143 errors.
144
145 #### "found possibly newer version of crate `std` which `<dependency>` depends on"
146
147 Your build directory may contain artifacts from an earlier build that have/have
148 not been built for Miri. Run `cargo clean` before switching from non-Miri to
149 Miri builds and vice-versa.
150
151 #### "found crate `std` compiled by an incompatible version of rustc"
152
153 You may be running `cargo miri` with a different compiler version than the one
154 used to build the custom libstd that Miri uses, and Miri failed to detect that.
155 Try deleting `~/.cache/miri`.
156
157 #### "no mir for `std::rt::lang_start_internal`"
158
159 This means the sysroot you are using was not compiled with Miri in mind.  This
160 should never happen when you use `cargo miri` because that takes care of setting
161 up the sysroot.  If you are using `miri` (the Miri driver) directly, see
162 [below][testing-miri] for how to set up the sysroot.
163
164
165 ## Miri `-Z` flags and environment variables
166 [miri-flags]: #miri--z-flags-and-environment-variables
167
168 Miri adds its own set of `-Z` flags:
169
170 * `-Zmiri-disable-alignment-check` disables checking pointer alignment. This is
171   useful to avoid [false positives][alignment-false-positives]. However, setting
172   this flag means Miri could miss bugs in your program.
173 * `-Zmiri-disable-stacked-borrows` disables checking the experimental
174   [Stacked Borrows] aliasing rules.  This can make Miri run faster, but it also
175   means no aliasing violations will be detected.
176 * `-Zmiri-disable-validation` disables enforcing validity invariants, which are
177   enforced by default.  This is mostly useful to focus on other failures (such
178   as out-of-bounds accesses) first.  Setting this flag means Miri will miss bugs
179   in your program.  However, this can also help to make Miri run faster.
180 * `-Zmiri-disable-isolation` disables host isolation.  As a consequence,
181   the program has access to host resources such as environment variables, file
182   systems, and randomness.
183 * `-Zmiri-env-exclude=<var>` keeps the `var` environment variable isolated from
184   the host so that it cannot be accessed by the program.  Can be used multiple
185   times to exclude several variables.  On Windows, the `TERM` environment
186   variable is excluded by default.
187 * `-Zmiri-ignore-leaks` disables the memory leak checker.
188 * `-Zmiri-seed=<hex>` configures the seed of the RNG that Miri uses to resolve
189   non-determinism.  This RNG is used to pick base addresses for allocations.
190   When isolation is enabled (the default), this is also used to emulate system
191   entropy.  The default seed is 0.  **NOTE**: This entropy is not good enough
192   for cryptographic use!  Do not generate secret keys in Miri or perform other
193   kinds of cryptographic operations that rely on proper random numbers.
194 * `-Zmiri-track-alloc-id=<id>` shows a backtrace when the given allocation is
195   being allocated or freed.  This helps in debugging memory leaks and
196   use after free bugs.
197 * `-Zmiri-track-pointer-tag=<tag>` shows a backtrace when the given pointer tag
198   is popped from a borrow stack (which is where the tag becomes invalid and any
199   future use of it will error).  This helps you in finding out why UB is
200   happening and where in your code would be a good place to look for it.
201
202 [alignment-false-positives]: https://github.com/rust-lang/miri/issues/1074
203
204 Some native rustc `-Z` flags are also very relevant for Miri:
205
206 * `-Zmir-opt-level` controls how many MIR optimizations are performed.  Miri
207   overrides the default to be `0`; be advised that using any higher level can
208   make Miri miss bugs in your program because they got optimized away.
209 * `-Zalways-encode-mir` makes rustc dump MIR even for completely monomorphic
210   functions.  This is needed so that Miri can execute such functions, so Miri
211   sets this flag per default.
212 * `-Zmir-emit-retag` controls whether `Retag` statements are emitted. Miri
213   enables this per default because it is needed for [Stacked Borrows].
214
215 Moreover, Miri recognizes some environment variables:
216
217 * `MIRI_LOG`, `MIRI_BACKTRACE` control logging and backtrace printing during
218   Miri executions, also [see above][testing-miri].
219 * `MIRI_SYSROOT` (recognized by `cargo miri` and the test suite)
220   indicates the sysroot to use.  To do the same thing with `miri`
221   directly, use the `--sysroot` flag.
222 * `MIRI_TEST_TARGET` (recognized by the test suite) indicates which target
223   architecture to test against.  `miri` and `cargo miri` accept the `--target`
224   flag for the same purpose.
225 * `MIRI_TEST_FLAGS` (recognized by the test suite) defines extra flags to be
226   passed to Miri.
227
228 ## Contributing and getting help
229
230 If you want to contribute to Miri, great!  Please check out our
231 [contribution guide](CONTRIBUTING.md).
232
233 For help with running Miri, you can open an issue here on
234 GitHub or contact us (`oli-obk` and `RalfJ`) on the [Rust Zulip].
235
236 [Rust Zulip]: https://rust-lang.zulipchat.com
237
238 ## History
239
240 This project began as part of an undergraduate research course in 2015 by
241 @solson at the [University of Saskatchewan][usask].  There are [slides] and a
242 [report] available from that project.  In 2016, @oli-obk joined to prepare miri
243 for eventually being used as const evaluator in the Rust compiler itself
244 (basically, for `const` and `static` stuff), replacing the old evaluator that
245 worked directly on the AST.  In 2017, @RalfJung did an internship with Mozilla
246 and began developing miri towards a tool for detecting undefined behavior, and
247 also using miri as a way to explore the consequences of various possible
248 definitions for undefined behavior in Rust.  @oli-obk's move of the miri engine
249 into the compiler finally came to completion in early 2018.  Meanwhile, later
250 that year, @RalfJung did a second internship, developing miri further with
251 support for checking basic type invariants and verifying that references are
252 used according to their aliasing restrictions.
253
254 [usask]: https://www.usask.ca/
255 [slides]: https://solson.me/miri-slides.pdf
256 [report]: https://solson.me/miri-report.pdf
257
258 ## Bugs found by Miri
259
260 Miri has already found a number of bugs in the Rust standard library and beyond, which we collect here.
261
262 Definite bugs found:
263
264 * [`Debug for vec_deque::Iter` accessing uninitialized memory](https://github.com/rust-lang/rust/issues/53566)
265 * [`Vec::into_iter` doing an unaligned ZST read](https://github.com/rust-lang/rust/pull/53804)
266 * [`From<&[T]> for Rc` creating a not sufficiently aligned reference](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54908)
267 * [`BTreeMap` creating a shared reference pointing to a too small allocation](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54957)
268 * [`Vec::append` creating a dangling reference](https://github.com/rust-lang/rust/pull/61082)
269 * [Futures turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56319)
270 * [`str` turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58200)
271 * [`rand` performing unaligned reads](https://github.com/rust-random/rand/issues/779)
272 * [The Unix allocator calling `posix_memalign` in an invalid way](https://github.com/rust-lang/rust/issues/62251)
273 * [`getrandom` calling the `getrandom` syscall in an invalid way](https://github.com/rust-random/getrandom/pull/73)
274 * [`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
275 * [Memory leak in `beef`](https://github.com/maciejhirsz/beef/issues/12)
276 * [Invalid use of undefined memory in `EbrCell`](https://github.com/Firstyear/concread/commit/b15be53b6ec076acb295a5c0483cdb4bf9be838f#diff-6282b2fc8e98bd089a1f0c86f648157cR229)
277
278 Violations of [Stacked Borrows] found that are likely bugs (but Stacked Borrows is currently just an experiment):
279
280 * [`VecDeque` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56161)
281 * [`BTreeMap` creating mutable references that overlap with shared references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58431)
282 * [`LinkedList` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/60072)
283 * [`Vec::push` invalidating existing references into the vector](https://github.com/rust-lang/rust/issues/60847)
284 * [`align_to_mut` violating uniqueness of mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/68549)
285 * [Aliasing mutable references in `sized-chunks`](https://github.com/bodil/sized-chunks/issues/8)
286 * [`String::push_str` invalidating existing references into the string](https://github.com/rust-lang/rust/issues/70301)
287
288 ## License
289
290 Licensed under either of
291   * Apache License, Version 2.0 ([LICENSE-APACHE](LICENSE-APACHE) or
292     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0)
293   * MIT license ([LICENSE-MIT](LICENSE-MIT) or
294     http://opensource.org/licenses/MIT) at your option.
295
296 ### Contribution
297
298 Unless you explicitly state otherwise, any contribution intentionally submitted
299 for inclusion in the work by you shall be dual licensed as above, without any
300 additional terms or conditions.