]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - README.md
add option to track call IDs
[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 SIMD or networking.
51 * Miri currently does not check for data-races and most other concurrency-related
52   issues.
53
54 [rust]: https://www.rust-lang.org/
55 [mir]: https://github.com/rust-lang/rfcs/blob/master/text/1211-mir.md
56 [`unreachable_unchecked`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/hint/fn.unreachable_unchecked.html
57 [`copy_nonoverlapping`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/ptr/fn.copy_nonoverlapping.html
58 [Stacked Borrows]: https://github.com/rust-lang/unsafe-code-guidelines/blob/master/wip/stacked-borrows.md
59
60
61 ## Using Miri
62
63 Install Miri on Rust nightly via `rustup`:
64
65 ```sh
66 rustup +nightly component add miri
67 ```
68
69 If `rustup` says the `miri` component is unavailable, that's because not all
70 nightly releases come with all tools. Check out
71 [this website](https://rust-lang.github.io/rustup-components-history) to
72 determine a nightly version that comes with Miri and install that using
73 `rustup toolchain install nightly-YYYY-MM-DD`.
74
75 Now you can run your project in Miri:
76
77 1. Run `cargo clean` to eliminate any cached dependencies.  Miri needs your
78    dependencies to be compiled the right way, that would not happen if they have
79    previously already been compiled.
80 2. To run all tests in your project through Miri, use `cargo miri test`.
81 3. If you have a binary project, you can run it through Miri using `cargo miri run`.
82
83 The first time you run Miri, it will perform some extra setup and install some
84 dependencies.  It will ask you for confirmation before installing anything.
85
86 You can pass arguments to Miri after the first `--`, and pass arguments to the
87 interpreted program or test suite after the second `--`.  For example, `cargo
88 miri run -- -Zmiri-disable-stacked-borrows` runs the program without checking
89 the aliasing of references.  To filter the tests being run, use `cargo miri test
90 -- -- filter`.
91
92 Miri supports cross-execution: if you want to run the program as if it was a
93 Linux program, you can do `cargo miri run --target x86_64-unknown-linux-gnu`.
94 This is particularly useful if you are using Windows, as the Linux target is
95 much better supported than Windows targets.
96
97 When compiling code via `cargo miri`, the `miri` config flag is set.  You can
98 use this to ignore test cases that fail under Miri because they do things Miri
99 does not support:
100
101 ```rust
102 #[test]
103 #[cfg_attr(miri, ignore)]
104 fn does_not_work_on_miri() {
105     std::thread::spawn(|| println!("Hello Thread!"))
106         .join()
107         .unwrap();
108 }
109 ```
110
111 There is no way to list all the infinite things Miri cannot do, but the
112 interpreter will explicitly tell you when it finds something unsupported:
113
114 ```
115 error: unsupported operation: can't call foreign function: bind
116     ...
117     = help: this is likely not a bug in the program; it indicates that the program \
118             performed an operation that the interpreter does not support
119 ```
120
121 ### Running Miri on CI
122
123 To run Miri on CI, make sure that you handle the case where the latest nightly
124 does not ship the Miri component because it currently does not build.  For
125 example, you can use the following snippet to always test with the latest
126 nightly that *does* come with Miri:
127
128 ```sh
129 MIRI_NIGHTLY=nightly-$(curl -s https://rust-lang.github.io/rustup-components-history/x86_64-unknown-linux-gnu/miri)
130 echo "Installing latest nightly with Miri: $MIRI_NIGHTLY"
131 rustup set profile minimal
132 rustup default "$MIRI_NIGHTLY"
133 rustup component add miri
134
135 cargo miri test
136 ```
137
138 ### Common Problems
139
140 When using the above instructions, you may encounter a number of confusing compiler
141 errors.
142
143 #### "found possibly newer version of crate `std` which `<dependency>` depends on"
144
145 Your build directory may contain artifacts from an earlier build that have/have
146 not been built for Miri. Run `cargo clean` before switching from non-Miri to
147 Miri builds and vice-versa.
148
149 #### "found crate `std` compiled by an incompatible version of rustc"
150
151 You may be running `cargo miri` with a different compiler version than the one
152 used to build the custom libstd that Miri uses, and Miri failed to detect that.
153 Try deleting `~/.cache/miri`.
154
155 #### "no mir for `std::rt::lang_start_internal`"
156
157 This means the sysroot you are using was not compiled with Miri in mind.  This
158 should never happen when you use `cargo miri` because that takes care of setting
159 up the sysroot.  If you are using `miri` (the Miri driver) directly, see the
160 [contributors' guide](CONTRIBUTING.md) for how to use `./miri` to best do that.
161
162
163 ## Miri `-Z` flags and environment variables
164 [miri-flags]: #miri--z-flags-and-environment-variables
165
166 Miri adds its own set of `-Z` flags:
167
168 * `-Zmiri-disable-alignment-check` disables checking pointer alignment. This is
169   useful to avoid [false positives][alignment-false-positives]. However, setting
170   this flag means Miri could miss bugs in your program.
171 * `-Zmiri-disable-stacked-borrows` disables checking the experimental
172   [Stacked Borrows] aliasing rules.  This can make Miri run faster, but it also
173   means no aliasing violations will be detected.
174 * `-Zmiri-disable-validation` disables enforcing validity invariants, which are
175   enforced by default.  This is mostly useful to focus on other failures (such
176   as out-of-bounds accesses) first.  Setting this flag means Miri will miss bugs
177   in your program.  However, this can also help to make Miri run faster.
178 * `-Zmiri-disable-isolation` disables host isolation.  As a consequence,
179   the program has access to host resources such as environment variables, file
180   systems, and randomness.
181 * `-Zmiri-env-exclude=<var>` keeps the `var` environment variable isolated from
182   the host so that it cannot be accessed by the program.  Can be used multiple
183   times to exclude several variables.  On Windows, the `TERM` environment
184   variable is excluded by default.
185 * `-Zmiri-ignore-leaks` disables the memory leak checker.
186 * `-Zmiri-seed=<hex>` configures the seed of the RNG that Miri uses to resolve
187   non-determinism.  This RNG is used to pick base addresses for allocations.
188   When isolation is enabled (the default), this is also used to emulate system
189   entropy.  The default seed is 0.  **NOTE**: This entropy is not good enough
190   for cryptographic use!  Do not generate secret keys in Miri or perform other
191   kinds of cryptographic operations that rely on proper random numbers.
192 * `-Zmiri-track-alloc-id=<id>` shows a backtrace when the given allocation is
193   being allocated or freed.  This helps in debugging memory leaks and
194   use after free bugs.
195 * `-Zmiri-track-pointer-tag=<tag>` shows a backtrace when the given pointer tag
196   is popped from a borrow stack (which is where the tag becomes invalid and any
197   future use of it will error).  This helps you in finding out why UB is
198   happening and where in your code would be a good place to look for it.
199 * `-Zmiri-track-call-id=<id>` shows a backtrace when the given call id is
200   assigned to a stack frame.  This helps in debugging UB related to Stacked
201   Borrows "protectors".
202
203 [alignment-false-positives]: https://github.com/rust-lang/miri/issues/1074
204
205 Some native rustc `-Z` flags are also very relevant for Miri:
206
207 * `-Zmir-opt-level` controls how many MIR optimizations are performed.  Miri
208   overrides the default to be `0`; be advised that using any higher level can
209   make Miri miss bugs in your program because they got optimized away.
210 * `-Zalways-encode-mir` makes rustc dump MIR even for completely monomorphic
211   functions.  This is needed so that Miri can execute such functions, so Miri
212   sets this flag per default.
213 * `-Zmir-emit-retag` controls whether `Retag` statements are emitted. Miri
214   enables this per default because it is needed for [Stacked Borrows].
215
216 Moreover, Miri recognizes some environment variables:
217
218 * `MIRI_LOG`, `MIRI_BACKTRACE` control logging and backtrace printing during
219   Miri executions, also [see above][testing-miri].
220 * `MIRI_SYSROOT` (recognized by `cargo miri` and the test suite)
221   indicates the sysroot to use.  To do the same thing with `miri`
222   directly, use the `--sysroot` flag.
223 * `MIRI_TEST_TARGET` (recognized by the test suite) indicates which target
224   architecture to test against.  `miri` and `cargo miri` accept the `--target`
225   flag for the same purpose.
226 * `MIRI_TEST_FLAGS` (recognized by the test suite) defines extra flags to be
227   passed to Miri.
228
229 The following environment variables are internal, but used to communicate between
230 different Miri binaries, and as such worth documenting:
231
232 * `MIRI_BE_RUSTC` when set to any value tells the Miri driver to actually not
233   interpret the code but compile it like rustc would. This is useful to be sure
234   that the compiled `rlib`s are compatible with Miri.
235
236 ## Contributing and getting help
237
238 If you want to contribute to Miri, great!  Please check out our
239 [contribution guide](CONTRIBUTING.md).
240
241 For help with running Miri, you can open an issue here on
242 GitHub or contact us (`oli-obk` and `RalfJ`) on the [Rust Zulip].
243
244 [Rust Zulip]: https://rust-lang.zulipchat.com
245
246 ## History
247
248 This project began as part of an undergraduate research course in 2015 by
249 @solson at the [University of Saskatchewan][usask].  There are [slides] and a
250 [report] available from that project.  In 2016, @oli-obk joined to prepare miri
251 for eventually being used as const evaluator in the Rust compiler itself
252 (basically, for `const` and `static` stuff), replacing the old evaluator that
253 worked directly on the AST.  In 2017, @RalfJung did an internship with Mozilla
254 and began developing miri towards a tool for detecting undefined behavior, and
255 also using miri as a way to explore the consequences of various possible
256 definitions for undefined behavior in Rust.  @oli-obk's move of the miri engine
257 into the compiler finally came to completion in early 2018.  Meanwhile, later
258 that year, @RalfJung did a second internship, developing miri further with
259 support for checking basic type invariants and verifying that references are
260 used according to their aliasing restrictions.
261
262 [usask]: https://www.usask.ca/
263 [slides]: https://solson.me/miri-slides.pdf
264 [report]: https://solson.me/miri-report.pdf
265
266 ## Bugs found by Miri
267
268 Miri has already found a number of bugs in the Rust standard library and beyond, which we collect here.
269
270 Definite bugs found:
271
272 * [`Debug for vec_deque::Iter` accessing uninitialized memory](https://github.com/rust-lang/rust/issues/53566)
273 * [`Vec::into_iter` doing an unaligned ZST read](https://github.com/rust-lang/rust/pull/53804)
274 * [`From<&[T]> for Rc` creating a not sufficiently aligned reference](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54908)
275 * [`BTreeMap` creating a shared reference pointing to a too small allocation](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54957)
276 * [`Vec::append` creating a dangling reference](https://github.com/rust-lang/rust/pull/61082)
277 * [Futures turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56319)
278 * [`str` turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58200)
279 * [`rand` performing unaligned reads](https://github.com/rust-random/rand/issues/779)
280 * [The Unix allocator calling `posix_memalign` in an invalid way](https://github.com/rust-lang/rust/issues/62251)
281 * [`getrandom` calling the `getrandom` syscall in an invalid way](https://github.com/rust-random/getrandom/pull/73)
282 * [`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
283 * [`beef` leaking memory](https://github.com/maciejhirsz/beef/issues/12)
284 * [`EbrCell` using uninitialized memory incorrectly](https://github.com/Firstyear/concread/commit/b15be53b6ec076acb295a5c0483cdb4bf9be838f#diff-6282b2fc8e98bd089a1f0c86f648157cR229)
285 * [TiKV performing an unaligned pointer access](https://github.com/tikv/tikv/issues/7613)
286 * [`servo_arc` creating a dangling shared reference](https://github.com/servo/servo/issues/26357)
287 * [TiKV constructing out-of-bounds pointers (and overlapping mutable references)](https://github.com/tikv/tikv/pull/7751)
288
289 Violations of [Stacked Borrows] found that are likely bugs (but Stacked Borrows is currently just an experiment):
290
291 * [`VecDeque` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56161)
292 * [`BTreeMap` creating mutable references that overlap with shared references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58431)
293 * [`LinkedList` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/60072)
294 * [`Vec::push` invalidating existing references into the vector](https://github.com/rust-lang/rust/issues/60847)
295 * [`align_to_mut` violating uniqueness of mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/68549)
296 * [`sized-chunks` creating aliasing mutable references](https://github.com/bodil/sized-chunks/issues/8)
297 * [`String::push_str` invalidating existing references into the string](https://github.com/rust-lang/rust/issues/70301)
298 * [`ryu` using raw pointers outside their valid memory area](https://github.com/dtolnay/ryu/issues/24)
299 * [ink! creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/miri/issues/1364)
300 * [TiKV creating overlapping mutable reference and raw pointer](https://github.com/tikv/tikv/pull/7709)
301 * [Windows `Env` iterator creating `*const T` from `&T` to read memory outside of `T`](https://github.com/rust-lang/rust/pull/70479)
302
303 ## License
304
305 Licensed under either of
306   * Apache License, Version 2.0 ([LICENSE-APACHE](LICENSE-APACHE) or
307     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0)
308   * MIT license ([LICENSE-MIT](LICENSE-MIT) or
309     http://opensource.org/licenses/MIT) at your option.
310
311 ### Contribution
312
313 Unless you explicitly state otherwise, any contribution intentionally submitted
314 for inclusion in the work by you shall be dual licensed as above, without any
315 additional terms or conditions.