lib/CodeGen/StackProtector.cpp

   1 //===-- StackProtector.cpp - Stack Protector Insertion --------------------===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
   6 // License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9 //
  10 // This pass inserts stack protectors into functions which need them. A variable
  11 // with a random value in it is stored onto the stack before the local variables
  12 // are allocated. Upon exiting the block, the stored value is checked. If it's
  13 // changed, then there was some sort of violation and the program aborts.
  14 //
  15 //===----------------------------------------------------------------------===//
  16
  17 #include "llvm/CodeGen/StackProtector.h"
  18 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
  19 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  20 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
  21 #include "llvm/CodeGen/Analysis.h"
  22 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
  23 #include "llvm/IR/Attributes.h"
  24 #include "llvm/IR/Constants.h"
  25 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
  26 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
  27 #include "llvm/IR/Function.h"
  28 #include "llvm/IR/GlobalValue.h"
  29 #include "llvm/IR/GlobalVariable.h"
  30 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
  31 #include "llvm/IR/Instructions.h"
  32 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
  33 #include "llvm/IR/Intrinsics.h"
  34 #include "llvm/IR/Module.h"
  35 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  36 #include "llvm/Target/TargetSubtargetInfo.h"
  37 #include <cstdlib>
  38 using namespace llvm;
  39
  40 #define DEBUG_TYPE "stack-protector"
  41
  42 STATISTIC(NumFunProtected, "Number of functions protected");
  43 STATISTIC(NumAddrTaken, "Number of local variables that have their address"
  44                         " taken.");
  45
  46 static cl::opt<bool> EnableSelectionDAGSP("enable-selectiondag-sp",
  47                                           cl::init(true), cl::Hidden);
  48
  49 char StackProtector::ID = 0;
  50 INITIALIZE_PASS(StackProtector, "stack-protector", "Insert stack protectors",
  51                 false, true)
  52
  53 FunctionPass *llvm::createStackProtectorPass(const TargetMachine *TM) {
  54   return new StackProtector(TM);
  55 }
  56
  57 StackProtector::SSPLayoutKind
  58 StackProtector::getSSPLayout(const AllocaInst *AI) const {
  59   return AI ? Layout.lookup(AI) : SSPLK_None;
  60 }
  61
  62 void StackProtector::adjustForColoring(const AllocaInst *From,
  63                                        const AllocaInst *To) {
  64   // When coloring replaces one alloca with another, transfer the SSPLayoutKind
  65   // tag from the remapped to the target alloca. The remapped alloca should
  66   // have a size smaller than or equal to the replacement alloca.
  67   SSPLayoutMap::iterator I = Layout.find(From);
  68   if (I != Layout.end()) {
  69     SSPLayoutKind Kind = I->second;
  70     Layout.erase(I);
  71
  72     // Transfer the tag, but make sure that SSPLK_AddrOf does not overwrite
  73     // SSPLK_SmallArray or SSPLK_LargeArray, and make sure that
  74     // SSPLK_SmallArray does not overwrite SSPLK_LargeArray.
  75     I = Layout.find(To);
  76     if (I == Layout.end())
  77       Layout.insert(std::make_pair(To, Kind));
  78     else if (I->second != SSPLK_LargeArray && Kind != SSPLK_AddrOf)
  79       I->second = Kind;
  80   }
  81 }
  82
  83 bool StackProtector::runOnFunction(Function &Fn) {
  84   F = &Fn;
  85   M = F->getParent();
  86   DominatorTreeWrapperPass *DTWP =
  87       getAnalysisIfAvailable<DominatorTreeWrapperPass>();
  88   DT = DTWP ? &DTWP->getDomTree() : nullptr;
  89   TLI = TM->getSubtargetImpl()->getTargetLowering();
  90
  91   Attribute Attr = Fn.getAttributes().getAttribute(
  92       AttributeSet::FunctionIndex, "stack-protector-buffer-size");
  93   if (Attr.isStringAttribute() &&
  94       Attr.getValueAsString().getAsInteger(10, SSPBufferSize))
  95       return false; // Invalid integer string
  96
  97   if (!RequiresStackProtector())
  98     return false;
  99
 100   ++NumFunProtected;
 101   return InsertStackProtectors();
 102 }
 103
 104 /// \param [out] IsLarge is set to true if a protectable array is found and
 105 /// it is "large" ( >= ssp-buffer-size).  In the case of a structure with
 106 /// multiple arrays, this gets set if any of them is large.
 107 bool StackProtector::ContainsProtectableArray(Type *Ty, bool &IsLarge,
 108                                               bool Strong,
 109                                               bool InStruct) const {
 110   if (!Ty)
 111     return false;
 112   if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(Ty)) {
 113     if (!AT->getElementType()->isIntegerTy(8)) {
 114       // If we're on a non-Darwin platform or we're inside of a structure, don't
 115       // add stack protectors unless the array is a character array.
 116       // However, in strong mode any array, regardless of type and size,
 117       // triggers a protector.
 118       if (!Strong && (InStruct || !Trip.isOSDarwin()))
 119         return false;
 120     }
 121
 122     // If an array has more than SSPBufferSize bytes of allocated space, then we
 123     // emit stack protectors.
 124     if (SSPBufferSize <= TLI->getDataLayout()->getTypeAllocSize(AT)) {
 125       IsLarge = true;
 126       return true;
 127     }
 128
 129     if (Strong)
 130       // Require a protector for all arrays in strong mode
 131       return true;
 132   }
 133
 134   const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(Ty);
 135   if (!ST)
 136     return false;
 137
 138   bool NeedsProtector = false;
 139   for (StructType::element_iterator I = ST->element_begin(),
 140                                     E = ST->element_end();
 141        I != E; ++I)
 142     if (ContainsProtectableArray(*I, IsLarge, Strong, true)) {
 143       // If the element is a protectable array and is large (>= SSPBufferSize)
 144       // then we are done.  If the protectable array is not large, then
 145       // keep looking in case a subsequent element is a large array.
 146       if (IsLarge)
 147         return true;
 148       NeedsProtector = true;
 149     }
 150
 151   return NeedsProtector;
 152 }
 153
 154 bool StackProtector::HasAddressTaken(const Instruction *AI) {
 155   for (const User *U : AI->users()) {
 156     if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
 157       if (AI == SI->getValueOperand())
 158         return true;
 159     } else if (const PtrToIntInst *SI = dyn_cast<PtrToIntInst>(U)) {
 160       if (AI == SI->getOperand(0))
 161         return true;
 162     } else if (isa<CallInst>(U)) {
 163       return true;
 164     } else if (isa<InvokeInst>(U)) {
 165       return true;
 166     } else if (const SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(U)) {
 167       if (HasAddressTaken(SI))
 168         return true;
 169     } else if (const PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(U)) {
 170       // Keep track of what PHI nodes we have already visited to ensure
 171       // they are only visited once.
 172       if (VisitedPHIs.insert(PN))
 173         if (HasAddressTaken(PN))
 174           return true;
 175     } else if (const GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
 176       if (HasAddressTaken(GEP))
 177         return true;
 178     } else if (const BitCastInst *BI = dyn_cast<BitCastInst>(U)) {
 179       if (HasAddressTaken(BI))
 180         return true;
 181     }
 182   }
 183   return false;
 184 }
 185
 186 /// \brief Check whether or not this function needs a stack protector based
 187 /// upon the stack protector level.
 188 ///
 189 /// We use two heuristics: a standard (ssp) and strong (sspstrong).
 190 /// The standard heuristic which will add a guard variable to functions that
 191 /// call alloca with a either a variable size or a size >= SSPBufferSize,
 192 /// functions with character buffers larger than SSPBufferSize, and functions
 193 /// with aggregates containing character buffers larger than SSPBufferSize. The
 194 /// strong heuristic will add a guard variables to functions that call alloca
 195 /// regardless of size, functions with any buffer regardless of type and size,
 196 /// functions with aggregates that contain any buffer regardless of type and
 197 /// size, and functions that contain stack-based variables that have had their
 198 /// address taken.
 199 bool StackProtector::RequiresStackProtector() {
 200   bool Strong = false;
 201   bool NeedsProtector = false;
 202   if (F->getAttributes().hasAttribute(AttributeSet::FunctionIndex,
 203                                       Attribute::StackProtectReq)) {
 204     NeedsProtector = true;
 205     Strong = true; // Use the same heuristic as strong to determine SSPLayout
 206   } else if (F->getAttributes().hasAttribute(AttributeSet::FunctionIndex,
 207                                              Attribute::StackProtectStrong))
 208     Strong = true;
 209   else if (!F->getAttributes().hasAttribute(AttributeSet::FunctionIndex,
 210                                             Attribute::StackProtect))
 211     return false;
 212
 213   for (Function::iterator I = F->begin(), E = F->end(); I != E; ++I) {
 214     BasicBlock *BB = I;
 215
 216     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), IE = BB->end(); II != IE;
 217          ++II) {
 218       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(II)) {
 219         if (AI->isArrayAllocation()) {
 220           // SSP-Strong: Enable protectors for any call to alloca, regardless
 221           // of size.
 222           if (Strong)
 223             return true;
 224
 225           if (const ConstantInt *CI =
 226                   dyn_cast<ConstantInt>(AI->getArraySize())) {
 227             if (CI->getLimitedValue(SSPBufferSize) >= SSPBufferSize) {
 228               // A call to alloca with size >= SSPBufferSize requires
 229               // stack protectors.
 230               Layout.insert(std::make_pair(AI, SSPLK_LargeArray));
 231               NeedsProtector = true;
 232             } else if (Strong) {
 233               // Require protectors for all alloca calls in strong mode.
 234               Layout.insert(std::make_pair(AI, SSPLK_SmallArray));
 235               NeedsProtector = true;
 236             }
 237           } else {
 238             // A call to alloca with a variable size requires protectors.
 239             Layout.insert(std::make_pair(AI, SSPLK_LargeArray));
 240             NeedsProtector = true;
 241           }
 242           continue;
 243         }
 244
 245         bool IsLarge = false;
 246         if (ContainsProtectableArray(AI->getAllocatedType(), IsLarge, Strong)) {
 247           Layout.insert(std::make_pair(AI, IsLarge ? SSPLK_LargeArray
 248                                                    : SSPLK_SmallArray));
 249           NeedsProtector = true;
 250           continue;
 251         }
 252
 253         if (Strong && HasAddressTaken(AI)) {
 254           ++NumAddrTaken;
 255           Layout.insert(std::make_pair(AI, SSPLK_AddrOf));
 256           NeedsProtector = true;
 257         }
 258       }
 259     }
 260   }
 261
 262   return NeedsProtector;
 263 }
 264
 265 static bool InstructionWillNotHaveChain(const Instruction *I) {
 266   return !I->mayHaveSideEffects() && !I->mayReadFromMemory() &&
 267          isSafeToSpeculativelyExecute(I);
 268 }
 269
 270 /// Identify if RI has a previous instruction in the "Tail Position" and return
 271 /// it. Otherwise return 0.
 272 ///
 273 /// This is based off of the code in llvm::isInTailCallPosition. The difference
 274 /// is that it inverts the first part of llvm::isInTailCallPosition since
 275 /// isInTailCallPosition is checking if a call is in a tail call position, and
 276 /// we are searching for an unknown tail call that might be in the tail call
 277 /// position. Once we find the call though, the code uses the same refactored
 278 /// code, returnTypeIsEligibleForTailCall.
 279 static CallInst *FindPotentialTailCall(BasicBlock *BB, ReturnInst *RI,
 280                                        const TargetLoweringBase *TLI) {
 281   // Establish a reasonable upper bound on the maximum amount of instructions we
 282   // will look through to find a tail call.
 283   unsigned SearchCounter = 0;
 284   const unsigned MaxSearch = 4;
 285   bool NoInterposingChain = true;
 286
 287   for (BasicBlock::reverse_iterator I = std::next(BB->rbegin()), E = BB->rend();
 288        I != E && SearchCounter < MaxSearch; ++I) {
 289     Instruction *Inst = &*I;
 290
 291     // Skip over debug intrinsics and do not allow them to affect our MaxSearch
 292     // counter.
 293     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(Inst))
 294       continue;
 295
 296     // If we find a call and the following conditions are satisifed, then we
 297     // have found a tail call that satisfies at least the target independent
 298     // requirements of a tail call:
 299     //
 300     // 1. The call site has the tail marker.
 301     //
 302     // 2. The call site either will not cause the creation of a chain or if a
 303     // chain is necessary there are no instructions in between the callsite and
 304     // the call which would create an interposing chain.
 305     //
 306     // 3. The return type of the function does not impede tail call
 307     // optimization.
 308     if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(Inst)) {
 309       if (CI->isTailCall() &&
 310           (InstructionWillNotHaveChain(CI) || NoInterposingChain) &&
 311           returnTypeIsEligibleForTailCall(BB->getParent(), CI, RI, *TLI))
 312         return CI;
 313     }
 314
 315     // If we did not find a call see if we have an instruction that may create
 316     // an interposing chain.
 317     NoInterposingChain =
 318         NoInterposingChain && InstructionWillNotHaveChain(Inst);
 319
 320     // Increment max search.
 321     SearchCounter++;
 322   }
 323
 324   return nullptr;
 325 }
 326
 327 /// Insert code into the entry block that stores the __stack_chk_guard
 328 /// variable onto the stack:
 329 ///
 330 ///   entry:
 331 ///     StackGuardSlot = alloca i8*
 332 ///     StackGuard = load __stack_chk_guard
 333 ///     call void @llvm.stackprotect.create(StackGuard, StackGuardSlot)
 334 ///
 335 /// Returns true if the platform/triple supports the stackprotectorcreate pseudo
 336 /// node.
 337 static bool CreatePrologue(Function *F, Module *M, ReturnInst *RI,
 338                            const TargetLoweringBase *TLI, const Triple &Trip,
 339                            AllocaInst *&AI, Value *&StackGuardVar) {
 340   bool SupportsSelectionDAGSP = false;
 341   PointerType *PtrTy = Type::getInt8PtrTy(RI->getContext());
 342   unsigned AddressSpace, Offset;
 343   if (TLI->getStackCookieLocation(AddressSpace, Offset)) {
 344     Constant *OffsetVal =
 345         ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(RI->getContext()), Offset);
 346
 347     StackGuardVar = ConstantExpr::getIntToPtr(
 348         OffsetVal, PointerType::get(PtrTy, AddressSpace));
 349   } else if (Trip.getOS() == llvm::Triple::OpenBSD) {
 350     StackGuardVar = M->getOrInsertGlobal("__guard_local", PtrTy);
 351     cast<GlobalValue>(StackGuardVar)
 352         ->setVisibility(GlobalValue::HiddenVisibility);
 353   } else {
 354     SupportsSelectionDAGSP = true;
 355     StackGuardVar = M->getOrInsertGlobal("__stack_chk_guard", PtrTy);
 356   }
 357
 358   IRBuilder<> B(&F->getEntryBlock().front());
 359   AI = B.CreateAlloca(PtrTy, nullptr, "StackGuardSlot");
 360   LoadInst *LI = B.CreateLoad(StackGuardVar, "StackGuard");
 361   B.CreateCall2(Intrinsic::getDeclaration(M, Intrinsic::stackprotector), LI,
 362                 AI);
 363
 364   return SupportsSelectionDAGSP;
 365 }
 366
 367 /// InsertStackProtectors - Insert code into the prologue and epilogue of the
 368 /// function.
 369 ///
 370 ///  - The prologue code loads and stores the stack guard onto the stack.
 371 ///  - The epilogue checks the value stored in the prologue against the original
 372 ///    value. It calls __stack_chk_fail if they differ.
 373 bool StackProtector::InsertStackProtectors() {
 374   bool HasPrologue = false;
 375   bool SupportsSelectionDAGSP =
 376       EnableSelectionDAGSP && !TM->Options.EnableFastISel;
 377   AllocaInst *AI = nullptr;       // Place on stack that stores the stack guard.
 378   Value *StackGuardVar = nullptr; // The stack guard variable.
 379
 380   for (Function::iterator I = F->begin(), E = F->end(); I != E;) {
 381     BasicBlock *BB = I++;
 382     ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BB->getTerminator());
 383     if (!RI)
 384       continue;
 385
 386     if (!HasPrologue) {
 387       HasPrologue = true;
 388       SupportsSelectionDAGSP &=
 389           CreatePrologue(F, M, RI, TLI, Trip, AI, StackGuardVar);
 390     }
 391
 392     if (SupportsSelectionDAGSP) {
 393       // Since we have a potential tail call, insert the special stack check
 394       // intrinsic.
 395       Instruction *InsertionPt = nullptr;
 396       if (CallInst *CI = FindPotentialTailCall(BB, RI, TLI)) {
 397         InsertionPt = CI;
 398       } else {
 399         InsertionPt = RI;
 400         // At this point we know that BB has a return statement so it *DOES*
 401         // have a terminator.
 402         assert(InsertionPt != nullptr && "BB must have a terminator instruction at "
 403                                    "this point.");
 404       }
 405
 406       Function *Intrinsic =
 407           Intrinsic::getDeclaration(M, Intrinsic::stackprotectorcheck);
 408       CallInst::Create(Intrinsic, StackGuardVar, "", InsertionPt);
 409
 410     } else {
 411       // If we do not support SelectionDAG based tail calls, generate IR level
 412       // tail calls.
 413       //
 414       // For each block with a return instruction, convert this:
 415       //
 416       //   return:
 417       //     ...
 418       //     ret ...
 419       //
 420       // into this:
 421       //
 422       //   return:
 423       //     ...
 424       //     %1 = load __stack_chk_guard
 425       //     %2 = load StackGuardSlot
 426       //     %3 = cmp i1 %1, %2
 427       //     br i1 %3, label %SP_return, label %CallStackCheckFailBlk
 428       //
 429       //   SP_return:
 430       //     ret ...
 431       //
 432       //   CallStackCheckFailBlk:
 433       //     call void @__stack_chk_fail()
 434       //     unreachable
 435
 436       // Create the FailBB. We duplicate the BB every time since the MI tail
 437       // merge pass will merge together all of the various BB into one including
 438       // fail BB generated by the stack protector pseudo instruction.
 439       BasicBlock *FailBB = CreateFailBB();
 440
 441       // Split the basic block before the return instruction.
 442       BasicBlock *NewBB = BB->splitBasicBlock(RI, "SP_return");
 443
 444       // Update the dominator tree if we need to.
 445       if (DT && DT->isReachableFromEntry(BB)) {
 446         DT->addNewBlock(NewBB, BB);
 447         DT->addNewBlock(FailBB, BB);
 448       }
 449
 450       // Remove default branch instruction to the new BB.
 451       BB->getTerminator()->eraseFromParent();
 452
 453       // Move the newly created basic block to the point right after the old
 454       // basic block so that it's in the "fall through" position.
 455       NewBB->moveAfter(BB);
 456
 457       // Generate the stack protector instructions in the old basic block.
 458       IRBuilder<> B(BB);
 459       LoadInst *LI1 = B.CreateLoad(StackGuardVar);
 460       LoadInst *LI2 = B.CreateLoad(AI);
 461       Value *Cmp = B.CreateICmpEQ(LI1, LI2);
 462       B.CreateCondBr(Cmp, NewBB, FailBB);
 463     }
 464   }
 465
 466   // Return if we didn't modify any basic blocks. I.e., there are no return
 467   // statements in the function.
 468   if (!HasPrologue)
 469     return false;
 470
 471   return true;
 472 }
 473
 474 /// CreateFailBB - Create a basic block to jump to when the stack protector
 475 /// check fails.
 476 BasicBlock *StackProtector::CreateFailBB() {
 477   LLVMContext &Context = F->getContext();
 478   BasicBlock *FailBB = BasicBlock::Create(Context, "CallStackCheckFailBlk", F);
 479   IRBuilder<> B(FailBB);
 480   if (Trip.getOS() == llvm::Triple::OpenBSD) {
 481     Constant *StackChkFail = M->getOrInsertFunction(
 482         "__stack_smash_handler", Type::getVoidTy(Context),
 483         Type::getInt8PtrTy(Context), NULL);
 484
 485     B.CreateCall(StackChkFail, B.CreateGlobalStringPtr(F->getName(), "SSH"));
 486   } else {
 487     Constant *StackChkFail = M->getOrInsertFunction(
 488         "__stack_chk_fail", Type::getVoidTy(Context), NULL);
 489     B.CreateCall(StackChkFail);
 490   }
 491   B.CreateUnreachable();
 492   return FailBB;
 493 }