a9948d893e14ed462f68b36074a410c92c50884e
[oota-llvm.git] / docs / LibFuzzer.rst
1 ========================================================
2 LibFuzzer -- a library for coverage-guided fuzz testing.
3 ========================================================
4 .. contents::
5    :local:
6    :depth: 4
7
8 Introduction
9 ============
10
11 This library is intended primarily for in-process coverage-guided fuzz testing
12 (fuzzing) of other libraries. The typical workflow looks like this:
13
14 * Build the Fuzzer library as a static archive (or just a set of .o files).
15   Note that the Fuzzer contains the main() function.
16   Preferably do *not* use sanitizers while building the Fuzzer.
17 * Build the library you are going to test with
18   `-fsanitize-coverage={bb,edge}[,indirect-calls,8bit-counters]`
19   and one of the sanitizers. We recommend to build the library in several
20   different modes (e.g. asan, msan, lsan, ubsan, etc) and even using different
21   optimizations options (e.g. -O0, -O1, -O2) to diversify testing.
22 * Build a test driver using the same options as the library.
23   The test driver is a C/C++ file containing interesting calls to the library
24   inside a single function  ``extern "C" void LLVMFuzzerTestOneInput(const uint8_t *Data, size_t Size);``
25 * Link the Fuzzer, the library and the driver together into an executable
26   using the same sanitizer options as for the library.
27 * Collect the initial corpus of inputs for the
28   fuzzer (a directory with test inputs, one file per input).
29   The better your inputs are the faster you will find something interesting.
30   Also try to keep your inputs small, otherwise the Fuzzer will run too slow.
31   By default, the Fuzzer limits the size of every input to 64 bytes
32   (use ``-max_len=N`` to override).
33 * Run the fuzzer with the test corpus. As new interesting test cases are
34   discovered they will be added to the corpus. If a bug is discovered by
35   the sanitizer (asan, etc) it will be reported as usual and the reproducer
36   will be written to disk.
37   Each Fuzzer process is single-threaded (unless the library starts its own
38   threads). You can run the Fuzzer on the same corpus in multiple processes
39   in parallel.
40
41
42 The Fuzzer is similar in concept to AFL_,
43 but uses in-process Fuzzing, which is more fragile, more restrictive, but
44 potentially much faster as it has no overhead for process start-up.
45 It uses LLVM's SanitizerCoverage_ instrumentation to get in-process
46 coverage-feedback
47
48 The code resides in the LLVM repository, requires the fresh Clang compiler to build
49 and is used to fuzz various parts of LLVM,
50 but the Fuzzer itself does not (and should not) depend on any
51 part of LLVM and can be used for other projects w/o requiring the rest of LLVM.
52
53 Flags
54 =====
55 The most important flags are::
56
57   seed                                  0       Random seed. If 0, seed is generated.
58   runs                                  -1      Number of individual test runs (-1 for infinite runs).
59   max_len                               64      Maximum length of the test input.
60   cross_over                            1       If 1, cross over inputs.
61   mutate_depth                          5       Apply this number of consecutive mutations to each input.
62   timeout                               1200    Timeout in seconds (if positive). If one unit runs more than this number of seconds the process will abort.
63   help                                  0       Print help.
64   save_minimized_corpus                 0       If 1, the minimized corpus is saved into the first input directory. Example: ./fuzzer -save_minimized_corpus=1 NEW_EMPTY_DIR OLD_CORPUS
65   jobs                                  0       Number of jobs to run. If jobs >= 1 we spawn this number of jobs in separate worker processes with stdout/stderr redirected to fuzz-JOB.log.
66   workers                               0       Number of simultaneous worker processes to run the jobs. If zero, "min(jobs,NumberOfCpuCores()/2)" is used.
67   sync_command                          0       Execute an external command "<sync_command> <test_corpus>" to synchronize the test corpus.
68   sync_timeout                          600     Minimum timeout between syncs.
69   use_traces                            0       Experimental: use instruction traces
70   only_ascii                            0       If 1, generate only ASCII (isprint+isspace) inputs.
71   test_single_input                     ""      Use specified file content as test input. Test will be run only once. Useful for debugging a particular case.
72
73
74 For the full list of flags run the fuzzer binary with ``-help=1``.
75
76 Usage examples
77 ==============
78
79 Toy example
80 -----------
81
82 A simple function that does something interesting if it receives the input "HI!"::
83
84   cat << EOF >> test_fuzzer.cc
85   extern "C" void LLVMFuzzerTestOneInput(const unsigned char *data, unsigned long size) {
86     if (size > 0 && data[0] == 'H')
87       if (size > 1 && data[1] == 'I')
88          if (size > 2 && data[2] == '!')
89          __builtin_trap();
90   }
91   EOF
92   # Get lib/Fuzzer. Assuming that you already have fresh clang in PATH.
93   svn co http://llvm.org/svn/llvm-project/llvm/trunk/lib/Fuzzer
94   # Build lib/Fuzzer files.
95   clang -c -g -O2 -std=c++11 Fuzzer/*.cpp -IFuzzer
96   # Build test_fuzzer.cc with asan and link against lib/Fuzzer.
97   clang++ -fsanitize=address -fsanitize-coverage=edge test_fuzzer.cc Fuzzer*.o
98   # Run the fuzzer with no corpus.
99   ./a.out
100
101 You should get ``Illegal instruction (core dumped)`` pretty quickly.
102
103 PCRE2
104 -----
105
106 Here we show how to use lib/Fuzzer on something real, yet simple: pcre2_::
107
108   COV_FLAGS=" -fsanitize-coverage=edge,indirect-calls,8bit-counters"
109   # Get PCRE2
110   svn co svn://vcs.exim.org/pcre2/code/trunk pcre
111   # Get lib/Fuzzer. Assuming that you already have fresh clang in PATH.
112   svn co http://llvm.org/svn/llvm-project/llvm/trunk/lib/Fuzzer
113   # Build PCRE2 with AddressSanitizer and coverage.
114   (cd pcre; ./autogen.sh; CC="clang -fsanitize=address $COV_FLAGS" ./configure --prefix=`pwd`/../inst && make -j && make install)
115   # Build lib/Fuzzer files.
116   clang -c -g -O2 -std=c++11 Fuzzer/*.cpp -IFuzzer
117   # Build the actual function that does something interesting with PCRE2.
118   cat << EOF > pcre_fuzzer.cc
119   #include <string.h>
120   #include "pcre2posix.h"
121   extern "C" void LLVMFuzzerTestOneInput(const unsigned char *data, size_t size) {
122     if (size < 1) return;
123     char *str = new char[size+1];
124     memcpy(str, data, size);
125     str[size] = 0;
126     regex_t preg;
127     if (0 == regcomp(&preg, str, 0)) {
128       regexec(&preg, str, 0, 0, 0);
129       regfree(&preg);
130     }
131     delete [] str;
132   }
133   EOF
134   clang++ -g -fsanitize=address $COV_FLAGS -c -std=c++11  -I inst/include/ pcre_fuzzer.cc
135   # Link.
136   clang++ -g -fsanitize=address -Wl,--whole-archive inst/lib/*.a -Wl,-no-whole-archive Fuzzer*.o pcre_fuzzer.o -o pcre_fuzzer
137
138 This will give you a binary of the fuzzer, called ``pcre_fuzzer``.
139 Now, create a directory that will hold the test corpus::
140
141   mkdir -p CORPUS
142
143 For simple input languages like regular expressions this is all you need.
144 For more complicated inputs populate the directory with some input samples.
145 Now run the fuzzer with the corpus dir as the only parameter::
146
147   ./pcre_fuzzer ./CORPUS
148
149 You will see output like this::
150
151   Seed: 1876794929
152   #0      READ   cov 0 bits 0 units 1 exec/s 0
153   #1      pulse  cov 3 bits 0 units 1 exec/s 0
154   #1      INITED cov 3 bits 0 units 1 exec/s 0
155   #2      pulse  cov 208 bits 0 units 1 exec/s 0
156   #2      NEW    cov 208 bits 0 units 2 exec/s 0 L: 64
157   #3      NEW    cov 217 bits 0 units 3 exec/s 0 L: 63
158   #4      pulse  cov 217 bits 0 units 3 exec/s 0
159
160 * The ``Seed:`` line shows you the current random seed (you can change it with ``-seed=N`` flag).
161 * The ``READ``  line shows you how many input files were read (since you passed an empty dir there were inputs, but one dummy input was synthesised).
162 * The ``INITED`` line shows you that how many inputs will be fuzzed.
163 * The ``NEW`` lines appear with the fuzzer finds a new interesting input, which is saved to the CORPUS dir. If multiple corpus dirs are given, the first one is used.
164 * The ``pulse`` lines appear periodically to show the current status.
165
166 Now, interrupt the fuzzer and run it again the same way. You will see::
167
168   Seed: 1879995378
169   #0      READ   cov 0 bits 0 units 564 exec/s 0
170   #1      pulse  cov 502 bits 0 units 564 exec/s 0
171   ...
172   #512    pulse  cov 2933 bits 0 units 564 exec/s 512
173   #564    INITED cov 2991 bits 0 units 344 exec/s 564
174   #1024   pulse  cov 2991 bits 0 units 344 exec/s 1024
175   #1455   NEW    cov 2995 bits 0 units 345 exec/s 1455 L: 49
176
177 This time you were running the fuzzer with a non-empty input corpus (564 items).
178 As the first step, the fuzzer minimized the set to produce 344 interesting items (the ``INITED`` line)
179
180 It is quite convenient to store test corpuses in git.
181 As an example, here is a git repository with test inputs for the above PCRE2 fuzzer::
182
183   git clone https://github.com/kcc/fuzzing-with-sanitizers.git
184   ./pcre_fuzzer ./fuzzing-with-sanitizers/pcre2/C1/
185
186 You may run ``N`` independent fuzzer jobs in parallel on ``M`` CPUs::
187
188   N=100; M=4; ./pcre_fuzzer ./CORPUS -jobs=$N -workers=$M
189
190 By default (``-reload=1``) the fuzzer processes will periodically scan the CORPUS directory
191 and reload any new tests. This way the test inputs found by one process will be picked up
192 by all others.
193
194 If ``-workers=$M`` is not supplied, ``min($N,NumberOfCpuCore/2)`` will be used.
195
196 Heartbleed
197 ----------
198 Remember Heartbleed_?
199 As it was recently `shown <https://blog.hboeck.de/archives/868-How-Heartbleed-couldve-been-found.html>`_,
200 fuzzing with AddressSanitizer can find Heartbleed. Indeed, here are the step-by-step instructions
201 to find Heartbleed with LibFuzzer::
202
203   wget https://www.openssl.org/source/openssl-1.0.1f.tar.gz
204   tar xf openssl-1.0.1f.tar.gz
205   COV_FLAGS="-fsanitize-coverage=edge,indirect-calls" # -fsanitize-coverage=8bit-counters
206   (cd openssl-1.0.1f/ && ./config &&
207     make -j 32 CC="clang -g -fsanitize=address $COV_FLAGS")
208   # Get and build LibFuzzer
209   svn co http://llvm.org/svn/llvm-project/llvm/trunk/lib/Fuzzer
210   clang -c -g -O2 -std=c++11 Fuzzer/*.cpp -IFuzzer
211   # Get examples of key/pem files.
212   git clone   https://github.com/hannob/selftls
213   cp selftls/server* . -v
214   cat << EOF > handshake-fuzz.cc
215   #include <openssl/ssl.h>
216   #include <openssl/err.h>
217   #include <assert.h>
218   SSL_CTX *sctx;
219   int Init() {
220     SSL_library_init();
221     SSL_load_error_strings();
222     ERR_load_BIO_strings();
223     OpenSSL_add_all_algorithms();
224     assert (sctx = SSL_CTX_new(TLSv1_method()));
225     assert (SSL_CTX_use_certificate_file(sctx, "server.pem", SSL_FILETYPE_PEM));
226     assert (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(sctx, "server.key", SSL_FILETYPE_PEM));
227     return 0;
228   }
229   extern "C" void LLVMFuzzerTestOneInput(unsigned char *Data, size_t Size) {
230     static int unused = Init();
231     SSL *server = SSL_new(sctx);
232     BIO *sinbio = BIO_new(BIO_s_mem());
233     BIO *soutbio = BIO_new(BIO_s_mem());
234     SSL_set_bio(server, sinbio, soutbio);
235     SSL_set_accept_state(server);
236     BIO_write(sinbio, Data, Size);
237     SSL_do_handshake(server);
238     SSL_free(server);
239   }
240   EOF
241   # Build the fuzzer.
242   clang++ -g handshake-fuzz.cc  -fsanitize=address \
243     openssl-1.0.1f/libssl.a openssl-1.0.1f/libcrypto.a Fuzzer*.o
244   # Run 20 independent fuzzer jobs.
245   ./a.out  -jobs=20 -workers=20
246
247 Voila::
248
249   #1048576        pulse  cov 3424 bits 0 units 9 exec/s 24385
250   =================================================================
251   ==17488==ERROR: AddressSanitizer: heap-buffer-overflow on address 0x629000004748 at pc 0x00000048c979 bp 0x7fffe3e864f0 sp 0x7fffe3e85ca8
252   READ of size 60731 at 0x629000004748 thread T0
253       #0 0x48c978 in __asan_memcpy
254       #1 0x4db504 in tls1_process_heartbeat openssl-1.0.1f/ssl/t1_lib.c:2586:3
255       #2 0x580be3 in ssl3_read_bytes openssl-1.0.1f/ssl/s3_pkt.c:1092:4
256
257 Advanced features
258 =================
259
260 Dictionaries
261 ------------
262 *EXPERIMENTAL*.
263 LibFuzzer supports user-supplied dictionaries with input language keywords
264 or other interesting byte sequences (e.g. multi-byte magic values).
265 Use ``-dict=DICTIONARY_FILE``. For some input languages using a dictionary
266 may significantly improve the search speed.
267 The dictionary syntax is similar to that used by AFL_ for its ``-x`` option::
268
269   # Lines starting with '#' and empty lines are ignored.
270
271   # Adds "blah" (w/o quotes) to the dictionary.
272   kw1="blah"
273   # Use \\ for backslash and \" for quotes.
274   kw2="\"ac\\dc\""
275   # Use \xAB for hex values
276   kw3="\xF7\xF8"
277   # the name of the keyword followed by '=' may be omitted:
278   "foo\x0Abar"
279
280 Data-flow-guided fuzzing
281 ------------------------
282
283 *EXPERIMENTAL*.
284 With an additional compiler flag ``-fsanitize-coverage=trace-cmp`` (see SanitizerCoverageTraceDataFlow_)
285 and extra run-time flag ``-use_traces=1`` the fuzzer will try to apply *data-flow-guided fuzzing*.
286 That is, the fuzzer will record the inputs to comparison instructions, switch statements,
287 and several libc functions (``memcmp``, ``strcmp``, ``strncmp``, etc).
288 It will later use those recorded inputs during mutations.
289
290 This mode can be combined with DataFlowSanitizer_ to achieve better sensitivity.
291
292 AFL compatibility
293 -----------------
294 LibFuzzer can be used in parallel with AFL_ on the same test corpus.
295 Both fuzzers expect the test corpus to reside in a directory, one file per input.
296 You can run both fuzzers on the same corpus in parallel::
297
298   ./afl-fuzz -i testcase_dir -o findings_dir /path/to/program -r @@
299   ./llvm-fuzz testcase_dir findings_dir  # Will write new tests to testcase_dir
300
301 Periodically restart both fuzzers so that they can use each other's findings.
302
303 How good is my fuzzer?
304 ----------------------
305
306 Once you implement your target function ``LLVMFuzzerTestOneInput`` and fuzz it to death,
307 you will want to know whether the function or the corpus can be improved further.
308 One easy to use metric is, of course, code coverage.
309 You can get the coverage for your corpus like this::
310
311   ASAN_OPTIONS=coverage_pcs=1 ./fuzzer CORPUS_DIR -runs=0
312
313 This will run all the tests in the CORPUS_DIR but will not generate any new tests
314 and dump covered PCs to disk before exiting.
315 Then you can subtract the set of covered PCs from the set of all instrumented PCs in the binary,
316 see SanitizerCoverage_ for details.
317
318 User-supplied mutators
319 ----------------------
320
321 LibFuzzer allows to use custom (user-supplied) mutators,
322 see FuzzerInterface.h_
323
324 Fuzzing components of LLVM
325 ==========================
326
327 clang-format-fuzzer
328 -------------------
329 The inputs are random pieces of C++-like text.
330
331 Build (make sure to use fresh clang as the host compiler)::
332
333     cmake -GNinja  -DCMAKE_C_COMPILER=clang -DCMAKE_CXX_COMPILER=clang++ -DLLVM_USE_SANITIZER=Address -DLLVM_USE_SANITIZE_COVERAGE=YES -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release /path/to/llvm
334     ninja clang-format-fuzzer
335     mkdir CORPUS_DIR
336     ./bin/clang-format-fuzzer CORPUS_DIR
337
338 Optionally build other kinds of binaries (asan+Debug, msan, ubsan, etc).
339
340 Tracking bug: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=23052
341
342 clang-fuzzer
343 ------------
344
345 The behavior is very similar to ``clang-format-fuzzer``.
346
347 Tracking bug: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=23057
348
349 llvm-as-fuzzer
350 --------------
351
352 Tracking bug: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=24639
353
354 llvm-mc-fuzzer
355 --------------
356
357 This tool fuzzes the MC layer. Currently it is only able to fuzz the
358 disassembler but it is hoped that assembly, and round-trip verification will be
359 added in future.
360
361 When run in dissassembly mode, the inputs are opcodes to be disassembled. The
362 fuzzer will consume as many instructions as possible and will stop when it
363 finds an invalid instruction or runs out of data.
364
365 Please note that the command line interface differs slightly from that of other
366 fuzzers. The fuzzer arguments should follow ``--fuzzer-args`` and should have
367 a single dash, while other arguments control the operation mode and target in a
368 similar manner to ``llvm-mc`` and should have two dashes. For example::
369
370   llvm-mc-fuzzer --triple=aarch64-linux-gnu --disassemble --fuzzer-args -max_len=4 -jobs=10
371
372 Buildbot
373 --------
374
375 We have a buildbot that runs the above fuzzers for LLVM components
376 24/7/365 at http://lab.llvm.org:8011/builders/sanitizer-x86_64-linux-fuzzer .
377
378 Pre-fuzzed test inputs in git
379 -----------------------------
380
381 The buildbot occumulates large test corpuses over time.
382 The corpuses are stored in git on github and can be used like this::
383
384   git clone https://github.com/kcc/fuzzing-with-sanitizers.git
385   bin/clang-format-fuzzer fuzzing-with-sanitizers/llvm/clang-format/C1
386   bin/clang-fuzzer        fuzzing-with-sanitizers/llvm/clang/C1/
387   bin/llvm-as-fuzzer      fuzzing-with-sanitizers/llvm/llvm-as/C1  -only_ascii=1
388
389
390 FAQ
391 =========================
392
393 Q. Why Fuzzer does not use any of the LLVM support?
394 ---------------------------------------------------
395
396 There are two reasons.
397
398 First, we want this library to be used outside of the LLVM w/o users having to
399 build the rest of LLVM. This may sound unconvincing for many LLVM folks,
400 but in practice the need for building the whole LLVM frightens many potential
401 users -- and we want more users to use this code.
402
403 Second, there is a subtle technical reason not to rely on the rest of LLVM, or
404 any other large body of code (maybe not even STL). When coverage instrumentation
405 is enabled, it will also instrument the LLVM support code which will blow up the
406 coverage set of the process (since the fuzzer is in-process). In other words, by
407 using more external dependencies we will slow down the fuzzer while the main
408 reason for it to exist is extreme speed.
409
410 Q. What about Windows then? The Fuzzer contains code that does not build on Windows.
411 ------------------------------------------------------------------------------------
412
413 The sanitizer coverage support does not work on Windows either as of 01/2015.
414 Once it's there, we'll need to re-implement OS-specific parts (I/O, signals).
415
416 Q. When this Fuzzer is not a good solution for a problem?
417 ---------------------------------------------------------
418
419 * If the test inputs are validated by the target library and the validator
420   asserts/crashes on invalid inputs, the in-process fuzzer is not applicable
421   (we could use fork() w/o exec, but it comes with extra overhead).
422 * Bugs in the target library may accumulate w/o being detected. E.g. a memory
423   corruption that goes undetected at first and then leads to a crash while
424   testing another input. This is why it is highly recommended to run this
425   in-process fuzzer with all sanitizers to detect most bugs on the spot.
426 * It is harder to protect the in-process fuzzer from excessive memory
427   consumption and infinite loops in the target library (still possible).
428 * The target library should not have significant global state that is not
429   reset between the runs.
430 * Many interesting target libs are not designed in a way that supports
431   the in-process fuzzer interface (e.g. require a file path instead of a
432   byte array).
433 * If a single test run takes a considerable fraction of a second (or
434   more) the speed benefit from the in-process fuzzer is negligible.
435 * If the target library runs persistent threads (that outlive
436   execution of one test) the fuzzing results will be unreliable.
437
438 Q. So, what exactly this Fuzzer is good for?
439 --------------------------------------------
440
441 This Fuzzer might be a good choice for testing libraries that have relatively
442 small inputs, each input takes < 1ms to run, and the library code is not expected
443 to crash on invalid inputs.
444 Examples: regular expression matchers, text or binary format parsers.
445
446 Trophies
447 ========
448 * GLIBC: https://sourceware.org/glibc/wiki/FuzzingLibc
449
450 * MUSL LIBC:
451
452   * http://git.musl-libc.org/cgit/musl/commit/?id=39dfd58417ef642307d90306e1c7e50aaec5a35c
453   * http://www.openwall.com/lists/oss-security/2015/03/30/3
454
455 * pugixml: https://github.com/zeux/pugixml/issues/39
456
457 * PCRE: Search for "LLVM fuzzer" in http://vcs.pcre.org/pcre2/code/trunk/ChangeLog?view=markup
458
459 * ICU: http://bugs.icu-project.org/trac/ticket/11838
460
461 * Freetype: https://savannah.nongnu.org/search/?words=LibFuzzer&type_of_search=bugs&Search=Search&exact=1#options
462
463 * Linux Kernel's BPF verifier: https://github.com/iovisor/bpf-fuzzer
464
465 * LLVM:
466
467   * Clang: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=23057
468
469   * Clang-format: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=23052
470
471   * libc++: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=24411
472
473   * llvm-as: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=24639
474
475   * Disassembler:
476
477     * Mips: Discovered a number of untested instructions for the Mips target
478       (see valid-mips*.s in http://reviews.llvm.org/rL247405,
479       http://reviews.llvm.org/rL247414, http://reviews.llvm.org/rL247416,
480       http://reviews.llvm.org/rL247417, http://reviews.llvm.org/rL247420,
481       and http://reviews.llvm.org/rL247422) as well some instructions that
482       successfully disassembled on ISA's where they were not valid (see
483       invalid-xfail.s files in the same commits).
484
485 .. _pcre2: http://www.pcre.org/
486
487 .. _AFL: http://lcamtuf.coredump.cx/afl/
488
489 .. _SanitizerCoverage: http://clang.llvm.org/docs/SanitizerCoverage.html
490 .. _SanitizerCoverageTraceDataFlow: http://clang.llvm.org/docs/SanitizerCoverage.html#tracing-data-flow
491 .. _DataFlowSanitizer: http://clang.llvm.org/docs/DataFlowSanitizer.html
492
493 .. _Heartbleed: http://en.wikipedia.org/wiki/Heartbleed
494
495 .. _FuzzerInterface.h: https://github.com/llvm-mirror/llvm/blob/master/lib/Fuzzer/FuzzerInterface.h