]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - src/tools/miri/README.md
Rollup merge of #103718 - matklad:infer-lazy, r=dtolnay
[rust.git] / src / tools / miri / README.md
1 # Miri
2
3 An experimental interpreter for [Rust][rust]'s
4 [mid-level intermediate representation][mir] (MIR). It can run binaries and
5 test suites of cargo projects and detect certain classes of
6 [undefined behavior](https://doc.rust-lang.org/reference/behavior-considered-undefined.html),
7 for example:
8
9 * Out-of-bounds memory accesses and use-after-free
10 * Invalid use of uninitialized data
11 * Violation of intrinsic preconditions (an [`unreachable_unchecked`] being
12   reached, calling [`copy_nonoverlapping`] with overlapping ranges, ...)
13 * Not sufficiently aligned memory accesses and references
14 * Violation of *some* basic type invariants (a `bool` that is not 0 or 1, for example,
15   or an invalid enum discriminant)
16 * **Experimental**: Violations of the [Stacked Borrows] rules governing aliasing
17   for reference types
18 * **Experimental**: Data races
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.
23
24 Miri supports almost all Rust language features; in particular, unwinding and
25 concurrency are properly supported (including some experimental emulation of
26 weak memory effects, i.e., reads can return outdated values).
27
28 You can use Miri to emulate programs on other targets, e.g. to ensure that
29 byte-level data manipulation works correctly both on little-endian and
30 big-endian systems. See
31 [cross-interpretation](#cross-interpretation-running-for-different-targets)
32 below.
33
34 Miri has already discovered some [real-world bugs](#bugs-found-by-miri). If you
35 found a bug with Miri, we'd appreciate if you tell us and we'll add it to the
36 list!
37
38 By default, Miri ensures a fully deterministic execution and isolates the
39 program from the host system. Some APIs that would usually access the host, such
40 as gathering entropy for random number generators, environment variables, and
41 clocks, are replaced by deterministic "fake" implementations. Set
42 `MIRIFLAGS="-Zmiri-disable-isolation"` to access the real system APIs instead.
43 (In particular, the "fake" system RNG APIs make Miri **not suited for
44 cryptographic use**! Do not generate keys using Miri.)
45
46 All that said, be aware that Miri will **not catch all cases of undefined
47 behavior** in your program, and cannot run all programs:
48
49 * There are still plenty of open questions around the basic invariants for some
50   types and when these invariants even have to hold. Miri tries to avoid false
51   positives here, so if your program runs fine in Miri right now that is by no
52   means a guarantee that it is UB-free when these questions get answered.
53
54     In particular, Miri does currently not check that references point to valid data.
55 * If the program relies on unspecified details of how data is laid out, it will
56   still run fine in Miri -- but might break (including causing UB) on different
57   compiler versions or different platforms.
58 * Program execution is non-deterministic when it depends, for example, on where
59   exactly in memory allocations end up, or on the exact interleaving of
60   concurrent threads. Miri tests one of many possible executions of your
61   program. You can alleviate this to some extent by running Miri with different
62   values for `-Zmiri-seed`, but that will still by far not explore all possible
63   executions.
64 * Miri runs the program as a platform-independent interpreter, so the program
65   has no access to most platform-specific APIs or FFI. A few APIs have been
66   implemented (such as printing to stdout, accessing environment variables, and
67   basic file system access) but most have not: for example, Miri currently does
68   not support networking. System API support varies between targets; if you run
69   on Windows it is a good idea to use `--target x86_64-unknown-linux-gnu` to get
70   better support.
71 * Weak memory emulation may [produce weak behaviours](https://github.com/rust-lang/miri/issues/2301)
72   unobservable by compiled programs running on real hardware when `SeqCst` fences are used, and it
73   cannot produce all behaviors possibly observable on real hardware.
74
75 [rust]: https://www.rust-lang.org/
76 [mir]: https://github.com/rust-lang/rfcs/blob/master/text/1211-mir.md
77 [`unreachable_unchecked`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/hint/fn.unreachable_unchecked.html
78 [`copy_nonoverlapping`]: https://doc.rust-lang.org/stable/std/ptr/fn.copy_nonoverlapping.html
79 [Stacked Borrows]: https://github.com/rust-lang/unsafe-code-guidelines/blob/master/wip/stacked-borrows.md
80
81
82 ## Using Miri
83
84 Install Miri on Rust nightly via `rustup`:
85
86 ```sh
87 rustup +nightly component add miri
88 ```
89
90 If `rustup` says the `miri` component is unavailable, that's because not all
91 nightly releases come with all tools. Check out
92 [this website](https://rust-lang.github.io/rustup-components-history) to
93 determine a nightly version that comes with Miri and install that using `rustup
94 toolchain install nightly-YYYY-MM-DD`. Either way, all of the following commands
95 assume the right toolchain is pinned via `rustup override set nightly` or
96 `rustup override set nightly-YYYY-MM-DD`. (Alternatively, use `cargo
97 +nightly`/`cargo +nightly-YYYY-MM-DD` for each of the following commands.)
98
99 Now you can run your project in Miri:
100
101 1. Run `cargo clean` to eliminate any cached dependencies. Miri needs your
102    dependencies to be compiled the right way, that would not happen if they have
103    previously already been compiled.
104 2. To run all tests in your project through Miri, use `cargo miri test`.
105 3. If you have a binary project, you can run it through Miri using `cargo miri run`.
106
107 The first time you run Miri, it will perform some extra setup and install some
108 dependencies. It will ask you for confirmation before installing anything.
109
110 `cargo miri run/test` supports the exact same flags as `cargo run/test`. For
111 example, `cargo miri test filter` only runs the tests containing `filter` in
112 their name.
113
114 You can pass arguments to Miri via `MIRIFLAGS`. For example,
115 `MIRIFLAGS="-Zmiri-disable-stacked-borrows" cargo miri run` runs the program
116 without checking the aliasing of references.
117
118 When compiling code via `cargo miri`, the `cfg(miri)` config flag is set for code
119 that will be interpret under Miri. You can use this to ignore test cases that fail
120 under Miri because they do things Miri does not support:
121
122 ```rust
123 #[test]
124 #[cfg_attr(miri, ignore)]
125 fn does_not_work_on_miri() {
126     tokio::run(futures::future::ok::<_, ()>(()));
127 }
128 ```
129
130 There is no way to list all the infinite things Miri cannot do, but the
131 interpreter will explicitly tell you when it finds something unsupported:
132
133 ```
134 error: unsupported operation: can't call foreign function: bind
135     ...
136     = help: this is likely not a bug in the program; it indicates that the program \
137             performed an operation that the interpreter does not support
138 ```
139
140 ### Cross-interpretation: running for different targets
141
142 Miri can not only run a binary or test suite for your host target, it can also
143 perform cross-interpretation for arbitrary foreign targets: `cargo miri run
144 --target x86_64-unknown-linux-gnu` will run your program as if it was a Linux
145 program, no matter your host OS. This is particularly useful if you are using
146 Windows, as the Linux target is much better supported than Windows targets.
147
148 You can also use this to test platforms with different properties than your host
149 platform. For example `cargo miri test --target mips64-unknown-linux-gnuabi64`
150 will run your test suite on a big-endian target, which is useful for testing
151 endian-sensitive code.
152
153 ### Running Miri on CI
154
155 To run Miri on CI, make sure that you handle the case where the latest nightly
156 does not ship the Miri component because it currently does not build. `rustup
157 toolchain install --component` knows how to handle this situation, so the
158 following snippet should always work:
159
160 ```sh
161 rustup toolchain install nightly --component miri
162 rustup override set nightly
163
164 cargo miri test
165 ```
166
167 Here is an example job for GitHub Actions:
168
169 ```yaml
170   miri:
171     name: "Miri"
172     runs-on: ubuntu-latest
173     steps:
174       - uses: actions/checkout@v3
175       - name: Install Miri
176         run: |
177           rustup toolchain install nightly --component miri
178           rustup override set nightly
179           cargo miri setup
180       - name: Test with Miri
181         run: cargo miri test
182 ```
183
184 The explicit `cargo miri setup` helps to keep the output of the actual test step
185 clean.
186
187 ### Testing for alignment issues
188
189 Miri can sometimes miss misaligned accesses since allocations can "happen to be"
190 aligned just right. You can use `-Zmiri-symbolic-alignment-check` to definitely
191 catch all such issues, but that flag will also cause false positives when code
192 does manual pointer arithmetic to account for alignment. Another alternative is
193 to call Miri with various values for `-Zmiri-seed`; that will alter the
194 randomness that is used to determine allocation base addresses. The following
195 snippet calls Miri in a loop with different values for the seed:
196
197 ```
198 for SEED in $(seq 0 255); do
199   echo "Trying seed: $SEED"
200   MIRIFLAGS=-Zmiri-seed=$SEED cargo miri test || { echo "Failing seed: $SEED"; break; };
201 done
202 ```
203
204 ### Supported targets
205
206 Miri does not support all targets supported by Rust. The good news, however, is
207 that no matter your host OS/platform, it is easy to run code for *any* target
208 using `--target`!
209
210 The following targets are tested on CI and thus should always work (to the
211 degree documented below):
212
213 - The best-supported target is `x86_64-unknown-linux-gnu`. Miri releases are
214   blocked on things working with this target. Most other Linux targets should
215   also work well; we do run the test suite on `i686-unknown-linux-gnu` as a
216   32bit target and `mips64-unknown-linux-gnuabi64` as a big-endian target.
217 - `x86_64-apple-darwin` should work basically as well as Linux. We also test
218   `aarch64-apple-darwin`. However, we might ship Miri with a nightly even when
219   some features on these targets regress.
220 - `x86_64-pc-windows-msvc` works, but supports fewer features than the Linux and
221   Apple targets. For example, file system access and concurrency are not
222   supported on Windows. We also test `i686-pc-windows-msvc`, with the same
223   reduced feature set. We might ship Miri with a nightly even when some features
224   on these targets regress.
225
226 ### Common Problems
227
228 When using the above instructions, you may encounter a number of confusing compiler
229 errors.
230
231 #### "note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace"
232
233 You may see this when trying to get Miri to display a backtrace. By default, Miri
234 doesn't expose any environment to the program, so running
235 `RUST_BACKTRACE=1 cargo miri test` will not do what you expect.
236
237 To get a backtrace, you need to disable isolation
238 [using `-Zmiri-disable-isolation`][miri-flags]:
239
240 ```sh
241 RUST_BACKTRACE=1 MIRIFLAGS="-Zmiri-disable-isolation" cargo miri test
242 ```
243
244 #### "found possibly newer version of crate `std` which `<dependency>` depends on"
245
246 Your build directory may contain artifacts from an earlier build that have/have
247 not been built for Miri. Run `cargo clean` before switching from non-Miri to
248 Miri builds and vice-versa.
249
250 #### "found crate `std` compiled by an incompatible version of rustc"
251
252 You may be running `cargo miri` with a different compiler version than the one
253 used to build the custom libstd that Miri uses, and Miri failed to detect that.
254 Try deleting `~/.cache/miri`.
255
256 #### "no mir for `std::rt::lang_start_internal`"
257
258 This means the sysroot you are using was not compiled with Miri in mind.  This
259 should never happen when you use `cargo miri` because that takes care of setting
260 up the sysroot.  If you are using `miri` (the Miri driver) directly, see the
261 [contributors' guide](CONTRIBUTING.md) for how to use `./miri` to best do that.
262
263
264 ## Miri `-Z` flags and environment variables
265 [miri-flags]: #miri--z-flags-and-environment-variables
266
267 Miri adds its own set of `-Z` flags, which are usually set via the `MIRIFLAGS`
268 environment variable. We first document the most relevant and most commonly used flags:
269
270 * `-Zmiri-compare-exchange-weak-failure-rate=<rate>` changes the failure rate of
271   `compare_exchange_weak` operations. The default is `0.8` (so 4 out of 5 weak ops will fail).
272   You can change it to any value between `0.0` and `1.0`, where `1.0` means it
273   will always fail and `0.0` means it will never fail. Note than setting it to
274   `1.0` will likely cause hangs, since it means programs using
275   `compare_exchange_weak` cannot make progress.
276 * `-Zmiri-disable-isolation` disables host isolation.  As a consequence,
277   the program has access to host resources such as environment variables, file
278   systems, and randomness.
279 * `-Zmiri-isolation-error=<action>` configures Miri's response to operations
280   requiring host access while isolation is enabled. `abort`, `hide`, `warn`,
281   and `warn-nobacktrace` are the supported actions. The default is to `abort`,
282   which halts the machine. Some (but not all) operations also support continuing
283   execution with a "permission denied" error being returned to the program.
284   `warn` prints a full backtrace when that happens; `warn-nobacktrace` is less
285   verbose. `hide` hides the warning entirely.
286 * `-Zmiri-env-forward=<var>` forwards the `var` environment variable to the interpreted program. Can
287   be used multiple times to forward several variables. Execution will still be deterministic if the
288   value of forwarded variables stays the same. Has no effect if `-Zmiri-disable-isolation` is set.
289 * `-Zmiri-ignore-leaks` disables the memory leak checker, and also allows some
290   remaining threads to exist when the main thread exits.
291 * `-Zmiri-num-cpus` states the number of available CPUs to be reported by miri. By default, the
292   number of available CPUs is `1`. Note that this flag does not affect how miri handles threads in
293   any way.
294 * `-Zmiri-permissive-provenance` disables the warning for integer-to-pointer casts and
295   [`ptr::from_exposed_addr`](https://doc.rust-lang.org/nightly/std/ptr/fn.from_exposed_addr.html).
296   This will necessarily miss some bugs as those operations are not efficiently and accurately
297   implementable in a sanitizer, but it will only miss bugs that concern memory/pointers which is
298   subject to these operations.
299 * `-Zmiri-preemption-rate` configures the probability that at the end of a basic block, the active
300   thread will be preempted. The default is `0.01` (i.e., 1%). Setting this to `0` disables
301   preemption.
302 * `-Zmiri-report-progress` makes Miri print the current stacktrace every now and then, so you can
303   tell what it is doing when a program just keeps running. You can customize how frequently the
304   report is printed via `-Zmiri-report-progress=<blocks>`, which prints the report every N basic
305   blocks.
306 * `-Zmiri-seed=<num>` configures the seed of the RNG that Miri uses to resolve non-determinism. This
307   RNG is used to pick base addresses for allocations, to determine preemption and failure of
308   `compare_exchange_weak`, and to control store buffering for weak memory emulation. When isolation
309   is enabled (the default), this is also used to emulate system entropy. The default seed is 0. You
310   can increase test coverage by running Miri multiple times with different seeds.
311 * `-Zmiri-strict-provenance` enables [strict
312   provenance](https://github.com/rust-lang/rust/issues/95228) checking in Miri. This means that
313   casting an integer to a pointer yields a result with 'invalid' provenance, i.e., with provenance
314   that cannot be used for any memory access.
315 * `-Zmiri-symbolic-alignment-check` makes the alignment check more strict.  By default, alignment is
316   checked by casting the pointer to an integer, and making sure that is a multiple of the alignment.
317   This can lead to cases where a program passes the alignment check by pure chance, because things
318   "happened to be" sufficiently aligned -- there is no UB in this execution but there would be UB in
319   others.  To avoid such cases, the symbolic alignment check only takes into account the requested
320   alignment of the relevant allocation, and the offset into that allocation.  This avoids missing
321   such bugs, but it also incurs some false positives when the code does manual integer arithmetic to
322   ensure alignment.  (The standard library `align_to` method works fine in both modes; under
323   symbolic alignment it only fills the middle slice when the allocation guarantees sufficient
324   alignment.)
325
326 The remaining flags are for advanced use only, and more likely to change or be removed.
327 Some of these are **unsound**, which means they can lead
328 to Miri failing to detect cases of undefined behavior in a program.
329
330 * `-Zmiri-disable-abi-check` disables checking [function ABI]. Using this flag
331   is **unsound**.
332 * `-Zmiri-disable-alignment-check` disables checking pointer alignment, so you
333   can focus on other failures, but it means Miri can miss bugs in your program.
334   Using this flag is **unsound**.
335 * `-Zmiri-disable-data-race-detector` disables checking for data races.  Using
336   this flag is **unsound**. This implies `-Zmiri-disable-weak-memory-emulation`.
337 * `-Zmiri-disable-stacked-borrows` disables checking the experimental
338   [Stacked Borrows] aliasing rules.  This can make Miri run faster, but it also
339   means no aliasing violations will be detected.  Using this flag is **unsound**
340   (but the affected soundness rules are experimental).
341 * `-Zmiri-disable-validation` disables enforcing validity invariants, which are
342   enforced by default.  This is mostly useful to focus on other failures (such
343   as out-of-bounds accesses) first.  Setting this flag means Miri can miss bugs
344   in your program.  However, this can also help to make Miri run faster.  Using
345   this flag is **unsound**.
346 * `-Zmiri-disable-weak-memory-emulation` disables the emulation of some C++11 weak
347   memory effects.
348 * `-Zmiri-extern-so-file=<path to a shared object file>` is an experimental flag for providing support
349   for FFI calls. Functions not provided by that file are still executed via the usual Miri shims.
350   **WARNING**: If an invalid/incorrect `.so` file is specified, this can cause undefined behaviour in Miri itself!
351   And of course, Miri cannot do any checks on the actions taken by the external code.
352   Note that Miri has its own handling of file descriptors, so if you want to replace *some* functions
353   working on file descriptors, you will have to replace *all* of them, or the two kinds of
354   file descriptors will be mixed up.
355   This is **work in progress**; currently, only integer arguments and return values are
356   supported (and no, pointer/integer casts to work around this limitation will not work;
357   they will fail horribly). It also only works on unix hosts for now.
358   Follow [the discussion on supporting other types](https://github.com/rust-lang/miri/issues/2365).
359 * `-Zmiri-measureme=<name>` enables `measureme` profiling for the interpreted program.
360    This can be used to find which parts of your program are executing slowly under Miri.
361    The profile is written out to a file with the prefix `<name>`, and can be processed
362    using the tools in the repository https://github.com/rust-lang/measureme.
363 * `-Zmiri-mute-stdout-stderr` silently ignores all writes to stdout and stderr,
364   but reports to the program that it did actually write. This is useful when you
365   are not interested in the actual program's output, but only want to see Miri's
366   errors and warnings.
367 * `-Zmiri-panic-on-unsupported` will makes some forms of unsupported functionality,
368   such as FFI and unsupported syscalls, panic within the context of the emulated
369   application instead of raising an error within the context of Miri (and halting
370   execution). Note that code might not expect these operations to ever panic, so
371   this flag can lead to strange (mis)behavior.
372 * `-Zmiri-retag-fields` changes Stacked Borrows retagging to recurse into *all* fields.
373   This means that references in fields of structs/enums/tuples/arrays/... are retagged,
374   and in particular, they are protected when passed as function arguments.
375   (The default is to recurse only in cases where rustc would actually emit a `noalias` attribute.)
376 * `-Zmiri-retag-fields=<all|none|scalar>` controls when Stacked Borrows retagging recurses into
377   fields. `all` means it always recurses (like `-Zmiri-retag-fields`), `none` means it never
378   recurses, `scalar` (the default) means it only recurses for types where we would also emit
379   `noalias` annotations in the generated LLVM IR (types passed as indivudal scalars or pairs of
380   scalars). Setting this to `none` is **unsound**.
381 * `-Zmiri-tag-gc=<blocks>` configures how often the pointer tag garbage collector runs. The default
382   is to search for and remove unreachable tags once every `10000` basic blocks. Setting this to
383   `0` disables the garbage collector, which causes some programs to have explosive memory usage
384   and/or super-linear runtime.
385 * `-Zmiri-track-alloc-id=<id1>,<id2>,...` shows a backtrace when the given allocations are
386   being allocated or freed.  This helps in debugging memory leaks and
387   use after free bugs. Specifying this argument multiple times does not overwrite the previous
388   values, instead it appends its values to the list. Listing an id multiple times has no effect.
389 * `-Zmiri-track-call-id=<id1>,<id2>,...` shows a backtrace when the given call ids are
390   assigned to a stack frame.  This helps in debugging UB related to Stacked
391   Borrows "protectors". Specifying this argument multiple times does not overwrite the previous
392   values, instead it appends its values to the list. Listing an id multiple times has no effect.
393 * `-Zmiri-track-pointer-tag=<tag1>,<tag2>,...` shows a backtrace when a given pointer tag
394   is created and when (if ever) it is popped from a borrow stack (which is where the tag becomes invalid
395   and any future use of it will error).  This helps you in finding out why UB is
396   happening and where in your code would be a good place to look for it.
397   Specifying this argument multiple times does not overwrite the previous
398   values, instead it appends its values to the list. Listing a tag multiple times has no effect.
399 * `-Zmiri-track-weak-memory-loads` shows a backtrace when weak memory emulation returns an outdated
400   value from a load. This can help diagnose problems that disappear under
401   `-Zmiri-disable-weak-memory-emulation`.
402 * `-Zmiri-force-page-size=<num>` overrides the default page size for an architecture, in multiples of 1k.
403   `4` is default for most targets. This value should always be a power of 2 and nonzero.
404
405 [function ABI]: https://doc.rust-lang.org/reference/items/functions.html#extern-function-qualifier
406
407 Some native rustc `-Z` flags are also very relevant for Miri:
408
409 * `-Zmir-opt-level` controls how many MIR optimizations are performed.  Miri
410   overrides the default to be `0`; be advised that using any higher level can
411   make Miri miss bugs in your program because they got optimized away.
412 * `-Zalways-encode-mir` makes rustc dump MIR even for completely monomorphic
413   functions.  This is needed so that Miri can execute such functions, so Miri
414   sets this flag per default.
415 * `-Zmir-emit-retag` controls whether `Retag` statements are emitted. Miri
416   enables this per default because it is needed for [Stacked Borrows].
417
418 Moreover, Miri recognizes some environment variables:
419
420 * `MIRI_AUTO_OPS` indicates whether the automatic execution of rustfmt, clippy and toolchain setup
421   should be skipped. If it is set to any value, they are skipped. This is used for avoiding infinite
422   recursion in `./miri` and to allow automated IDE actions to avoid the auto ops.
423 * `MIRI_LOG`, `MIRI_BACKTRACE` control logging and backtrace printing during
424   Miri executions, also [see "Testing the Miri driver" in `CONTRIBUTING.md`][testing-miri].
425 * `MIRIFLAGS` (recognized by `cargo miri` and the test suite) defines extra
426   flags to be passed to Miri.
427 * `MIRI_LIB_SRC` defines the directory where Miri expects the sources of the
428   standard library that it will build and use for interpretation. This directory
429   must point to the `library` subdirectory of a `rust-lang/rust` repository
430   checkout. Note that changing files in that directory does not automatically
431   trigger a re-build of the standard library; you have to clear the Miri build
432   cache manually (on Linux, `rm -rf ~/.cache/miri`;
433   on Windows, `rmdir /S "%LOCALAPPDATA%\rust-lang\miri\cache"`;
434   and on macOS, `rm -rf ~/Library/Caches/org.rust-lang.miri`).
435 * `MIRI_SYSROOT` (recognized by `cargo miri` and the Miri driver) indicates the sysroot to use. When
436   using `cargo miri`, this skips the automatic setup -- only set this if you do not want to use the
437   automatically created sysroot. For directly invoking the Miri driver, this variable (or a
438   `--sysroot` flag) is mandatory. When invoking `cargo miri setup`, this indicates where the sysroot
439   will be put.
440 * `MIRI_TEST_TARGET` (recognized by the test suite and the `./miri` script) indicates which target
441   architecture to test against.  `miri` and `cargo miri` accept the `--target` flag for the same
442   purpose.
443 * `MIRI_NO_STD` (recognized by `cargo miri` and the test suite) makes sure that the target's
444   sysroot is built without libstd. This allows testing and running no_std programs.
445 * `MIRI_BLESS` (recognized by the test suite and `cargo-miri-test/run-test.py`): overwrite all
446   `stderr` and `stdout` files instead of checking whether the output matches.
447 * `MIRI_SKIP_UI_CHECKS` (recognized by the test suite): don't check whether the
448   `stderr` or `stdout` files match the actual output.
449
450 The following environment variables are *internal* and must not be used by
451 anyone but Miri itself. They are used to communicate between different Miri
452 binaries, and as such worth documenting:
453
454 * `MIRI_BE_RUSTC` can be set to `host` or `target`. It tells the Miri driver to
455   actually not interpret the code but compile it like rustc would. With `target`, Miri sets
456   some compiler flags to prepare the code for interpretation; with `host`, this is not done.
457   This environment variable is useful to be sure that the compiled `rlib`s are compatible
458   with Miri.
459 * `MIRI_CALLED_FROM_SETUP` is set during the Miri sysroot build,
460   which will re-invoke `cargo-miri` as the `rustc` to use for this build.
461 * `MIRI_CALLED_FROM_RUSTDOC` when set to any value tells `cargo-miri` that it is
462   running as a child process of `rustdoc`, which invokes it twice for each doc-test
463   and requires special treatment, most notably a check-only build before interpretation.
464   This is set by `cargo-miri` itself when running as a `rustdoc`-wrapper.
465 * `MIRI_CWD` when set to any value tells the Miri driver to change to the given
466   directory after loading all the source files, but before commencing
467   interpretation. This is useful if the interpreted program wants a different
468   working directory at run-time than at build-time.
469 * `MIRI_LOCAL_CRATES` is set by `cargo-miri` to tell the Miri driver which
470   crates should be given special treatment in diagnostics, in addition to the
471   crate currently being compiled.
472 * `MIRI_VERBOSE` when set to any value tells the various `cargo-miri` phases to
473   perform verbose logging.
474 * `MIRI_HOST_SYSROOT` is set by bootstrap to tell `cargo-miri` which sysroot to use for *host*
475   operations.
476
477 [testing-miri]: CONTRIBUTING.md#testing-the-miri-driver
478
479 ## Miri `extern` functions
480
481 Miri provides some `extern` functions that programs can import to access
482 Miri-specific functionality:
483
484 ```rust
485 #[cfg(miri)]
486 extern "Rust" {
487     /// Miri-provided extern function to mark the block `ptr` points to as a "root"
488     /// for some static memory. This memory and everything reachable by it is not
489     /// considered leaking even if it still exists when the program terminates.
490     ///
491     /// `ptr` has to point to the beginning of an allocated block.
492     fn miri_static_root(ptr: *const u8);
493
494     // Miri-provided extern function to get the amount of frames in the current backtrace.
495     // The `flags` argument must be `0`.
496     fn miri_backtrace_size(flags: u64) -> usize;
497
498     /// Miri-provided extern function to obtain a backtrace of the current call stack.
499     /// This writes a slice of pointers into `buf` - each pointer is an opaque value
500     /// that is only useful when passed to `miri_resolve_frame`.
501     /// `buf` must have `miri_backtrace_size(0) * pointer_size` bytes of space.
502     /// The `flags` argument must be `1`.
503     fn miri_get_backtrace(flags: u64, buf: *mut *mut ());
504
505     /// Miri-provided extern function to resolve a frame pointer obtained
506     /// from `miri_get_backtrace`. The `flags` argument must be `1`,
507     /// and `MiriFrame` should be declared as follows:
508     ///
509     /// ```rust
510     /// #[repr(C)]
511     /// struct MiriFrame {
512     ///     // The size of the name of the function being executed, encoded in UTF-8
513     ///     name_len: usize,
514     ///     // The size of filename of the function being executed, encoded in UTF-8
515     ///     filename_len: usize,
516     ///     // The line number currently being executed in `filename`, starting from '1'.
517     ///     lineno: u32,
518     ///     // The column number currently being executed in `filename`, starting from '1'.
519     ///     colno: u32,
520     ///     // The function pointer to the function currently being executed.
521     ///     // This can be compared against function pointers obtained by
522     ///     // casting a function (e.g. `my_fn as *mut ()`)
523     ///     fn_ptr: *mut ()
524     /// }
525     /// ```
526     ///
527     /// The fields must be declared in exactly the same order as they appear in `MiriFrame` above.
528     /// This function can be called on any thread (not just the one which obtained `frame`).
529     fn miri_resolve_frame(frame: *mut (), flags: u64) -> MiriFrame;
530
531     /// Miri-provided extern function to get the name and filename of the frame provided by `miri_resolve_frame`.
532     /// `name_buf` and `filename_buf` should be allocated with the `name_len` and `filename_len` fields of `MiriFrame`.
533     /// The flags argument must be `0`.
534     fn miri_resolve_frame_names(ptr: *mut (), flags: u64, name_buf: *mut u8, filename_buf: *mut u8);
535
536     /// Miri-provided extern function to begin unwinding with the given payload.
537     ///
538     /// This is internal and unstable and should not be used; we give it here
539     /// just to be complete.
540     fn miri_start_panic(payload: *mut u8) -> !;
541
542     /// Miri-provided extern function to get the internal unique identifier for the allocation that a pointer
543     /// points to. If this pointer is invalid (not pointing to an allocation), interpretation will abort.
544     ///
545     /// This is only useful as an input to `miri_print_borrow_stacks`, and it is a separate call because
546     /// getting a pointer to an allocation at runtime can change the borrow stacks in the allocation.
547     /// This function should be considered unstable. It exists only to support `miri_print_borrow_stacks` and so
548     /// inherits all of its instability.
549     fn miri_get_alloc_id(ptr: *const ()) -> u64;
550
551     /// Miri-provided extern function to print (from the interpreter, not the program) the contents of all
552     /// borrow stacks in an allocation. The leftmost tag is the bottom of the stack.
553     /// The format of what this emits is unstable and may change at any time. In particular, users should be
554     /// aware that Miri will periodically attempt to garbage collect the contents of all stacks. Callers of
555     /// this function may wish to pass `-Zmiri-tag-gc=0` to disable the GC.
556     ///
557     /// This function is extremely unstable. At any time the format of its output may change, its signature may
558     /// change, or it may be removed entirely.
559     fn miri_print_borrow_stacks(alloc_id: u64);
560
561     /// Miri-provided extern function to print (from the interpreter, not the
562     /// program) the contents of a section of program memory, as bytes. Bytes
563     /// written using this function will emerge from the interpreter's stdout.
564     fn miri_write_to_stdout(bytes: &[u8]);
565
566     /// Miri-provided extern function to print (from the interpreter, not the
567     /// program) the contents of a section of program memory, as bytes. Bytes
568     /// written using this function will emerge from the interpreter's stderr.
569     fn miri_write_to_stderr(bytes: &[u8]);
570
571     /// Miri-provided extern function to allocate memory from the interpreter.
572     /// 
573     /// This is useful when no fundamental way of allocating memory is
574     /// available, e.g. when using `no_std` + `alloc`.
575     fn miri_alloc(size: usize, align: usize) -> *mut u8;
576
577     /// Miri-provided extern function to deallocate memory.
578     fn miri_dealloc(ptr: *mut u8, size: usize, align: usize);
579
580     /// Convert a path from the host Miri runs on to the target Miri interprets.
581     /// Performs conversion of path separators as needed.
582     ///
583     /// Usually Miri performs this kind of conversion automatically. However, manual conversion
584     /// might be necessary when reading an environment variable that was set on the host
585     /// (such as TMPDIR) and using it as a target path.
586     ///
587     /// Only works with isolation disabled.
588     ///
589     /// `in` must point to a null-terminated string, and will be read as the input host path.
590     /// `out` must point to at least `out_size` many bytes, and the result will be stored there
591     /// with a null terminator.
592     /// Returns 0 if the `out` buffer was large enough, and the required size otherwise.
593     fn miri_host_to_target_path(path: *const i8, out: *mut i8, out_size: usize) -> usize;
594 }
595 ```
596
597 ## Contributing and getting help
598
599 If you want to contribute to Miri, great!  Please check out our
600 [contribution guide](CONTRIBUTING.md).
601
602 For help with running Miri, you can open an issue here on
603 GitHub or use the [Miri stream on the Rust Zulip][zulip].
604
605 [zulip]: https://rust-lang.zulipchat.com/#narrow/stream/269128-miri
606
607 ## History
608
609 This project began as part of an undergraduate research course in 2015 by
610 @solson at the [University of Saskatchewan][usask].  There are [slides] and a
611 [report] available from that project.  In 2016, @oli-obk joined to prepare Miri
612 for eventually being used as const evaluator in the Rust compiler itself
613 (basically, for `const` and `static` stuff), replacing the old evaluator that
614 worked directly on the AST.  In 2017, @RalfJung did an internship with Mozilla
615 and began developing Miri towards a tool for detecting undefined behavior, and
616 also using Miri as a way to explore the consequences of various possible
617 definitions for undefined behavior in Rust.  @oli-obk's move of the Miri engine
618 into the compiler finally came to completion in early 2018.  Meanwhile, later
619 that year, @RalfJung did a second internship, developing Miri further with
620 support for checking basic type invariants and verifying that references are
621 used according to their aliasing restrictions.
622
623 [usask]: https://www.usask.ca/
624 [slides]: https://solson.me/miri-slides.pdf
625 [report]: https://solson.me/miri-report.pdf
626
627 ## Bugs found by Miri
628
629 Miri has already found a number of bugs in the Rust standard library and beyond, which we collect here.
630
631 Definite bugs found:
632
633 * [`Debug for vec_deque::Iter` accessing uninitialized memory](https://github.com/rust-lang/rust/issues/53566)
634 * [`Vec::into_iter` doing an unaligned ZST read](https://github.com/rust-lang/rust/pull/53804)
635 * [`From<&[T]> for Rc` creating a not sufficiently aligned reference](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54908)
636 * [`BTreeMap` creating a shared reference pointing to a too small allocation](https://github.com/rust-lang/rust/issues/54957)
637 * [`Vec::append` creating a dangling reference](https://github.com/rust-lang/rust/pull/61082)
638 * [Futures turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56319)
639 * [`str` turning a shared reference into a mutable one](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58200)
640 * [`rand` performing unaligned reads](https://github.com/rust-random/rand/issues/779)
641 * [The Unix allocator calling `posix_memalign` in an invalid way](https://github.com/rust-lang/rust/issues/62251)
642 * [`getrandom` calling the `getrandom` syscall in an invalid way](https://github.com/rust-random/getrandom/pull/73)
643 * [`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
644 * [`beef` leaking memory](https://github.com/maciejhirsz/beef/issues/12)
645 * [`EbrCell` using uninitialized memory incorrectly](https://github.com/Firstyear/concread/commit/b15be53b6ec076acb295a5c0483cdb4bf9be838f#diff-6282b2fc8e98bd089a1f0c86f648157cR229)
646 * [TiKV performing an unaligned pointer access](https://github.com/tikv/tikv/issues/7613)
647 * [`servo_arc` creating a dangling shared reference](https://github.com/servo/servo/issues/26357)
648 * [TiKV constructing out-of-bounds pointers (and overlapping mutable references)](https://github.com/tikv/tikv/pull/7751)
649 * [`encoding_rs` doing out-of-bounds pointer arithmetic](https://github.com/hsivonen/encoding_rs/pull/53)
650 * [TiKV using `Vec::from_raw_parts` incorrectly](https://github.com/tikv/agatedb/pull/24)
651 * Incorrect doctests for [`AtomicPtr`](https://github.com/rust-lang/rust/pull/84052) and [`Box::from_raw_in`](https://github.com/rust-lang/rust/pull/84053)
652 * [Insufficient alignment in `ThinVec`](https://github.com/Gankra/thin-vec/pull/27)
653 * [`crossbeam-epoch` calling `assume_init` on a partly-initialized `MaybeUninit`](https://github.com/crossbeam-rs/crossbeam/pull/779)
654 * [`integer-encoding` dereferencing a misaligned pointer](https://github.com/dermesser/integer-encoding-rs/pull/23)
655 * [`rkyv` constructing a `Box<[u8]>` from an overaligned allocation](https://github.com/rkyv/rkyv/commit/a9417193a34757e12e24263178be8b2eebb72456)
656 * [Data race in `thread::scope`](https://github.com/rust-lang/rust/issues/98498)
657 * [`regex` incorrectly handling unaligned `Vec<u8>` buffers](https://www.reddit.com/r/rust/comments/vq3mmu/comment/ienc7t0?context=3)
658 * [Incorrect use of `compare_exchange_weak` in `once_cell`](https://github.com/matklad/once_cell/issues/186)
659 * [Dropping with unaligned pointers in `vec::IntoIter`](https://github.com/rust-lang/rust/pull/106084)
660
661 Violations of [Stacked Borrows] found that are likely bugs (but Stacked Borrows is currently just an experiment):
662
663 * [`VecDeque::drain` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/56161)
664 * Various `BTreeMap` problems
665     * [`BTreeMap` iterators creating mutable references that overlap with shared references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/58431)
666     * [`BTreeMap::iter_mut` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/73915)
667     * [`BTreeMap` node insertion using raw pointers outside their valid memory area](https://github.com/rust-lang/rust/issues/78477)
668 * [`LinkedList` cursor insertion creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/pull/60072)
669 * [`Vec::push` invalidating existing references into the vector](https://github.com/rust-lang/rust/issues/60847)
670 * [`align_to_mut` violating uniqueness of mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/68549)
671 * [`sized-chunks` creating aliasing mutable references](https://github.com/bodil/sized-chunks/issues/8)
672 * [`String::push_str` invalidating existing references into the string](https://github.com/rust-lang/rust/issues/70301)
673 * [`ryu` using raw pointers outside their valid memory area](https://github.com/dtolnay/ryu/issues/24)
674 * [ink! creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/miri/issues/1364)
675 * [TiKV creating overlapping mutable reference and raw pointer](https://github.com/tikv/tikv/pull/7709)
676 * [Windows `Env` iterator using a raw pointer outside its valid memory area](https://github.com/rust-lang/rust/pull/70479)
677 * [`VecDeque::iter_mut` creating overlapping mutable references](https://github.com/rust-lang/rust/issues/74029)
678 * [Various standard library aliasing issues involving raw pointers](https://github.com/rust-lang/rust/pull/78602)
679 * [`<[T]>::copy_within` using a loan after invalidating it](https://github.com/rust-lang/rust/pull/85610)
680
681 ## Scientific papers employing Miri
682
683 * [Stacked Borrows: An Aliasing Model for Rust](https://plv.mpi-sws.org/rustbelt/stacked-borrows/)
684 * [Using Lightweight Formal Methods to Validate a Key-Value Storage Node in Amazon S3](https://www.amazon.science/publications/using-lightweight-formal-methods-to-validate-a-key-value-storage-node-in-amazon-s3)
685 * [SyRust: Automatic Testing of Rust Libraries with Semantic-Aware Program Synthesis](https://dl.acm.org/doi/10.1145/3453483.3454084)
686
687 ## License
688
689 Licensed under either of
690
691   * Apache License, Version 2.0 ([LICENSE-APACHE](LICENSE-APACHE) or
692     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0)
693   * MIT license ([LICENSE-MIT](LICENSE-MIT) or
694     http://opensource.org/licenses/MIT)
695
696 at your option.
697
698 ### Contribution
699
700 Unless you explicitly state otherwise, any contribution intentionally submitted
701 for inclusion in the work by you shall be dual licensed as above, without any
702 additional terms or conditions.