lib/Fuzzer/FuzzerLoop.cpp

   1 //===- FuzzerLoop.cpp - Fuzzer's main loop --------------------------------===//
   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 // Fuzzer's main loop.
  10 //===----------------------------------------------------------------------===//
  11
  12 #include "FuzzerInternal.h"
  13 #include <algorithm>
  14
  15 #if defined(__has_include)
  16 # if __has_include(<sanitizer/coverage_interface.h>)
  17 #  include <sanitizer/coverage_interface.h>
  18 # endif
  19 #endif
  20
  21 extern "C" {
  22 // Re-declare some of the sanitizer functions as "weak" so that
  23 // libFuzzer can be linked w/o the sanitizers and sanitizer-coverage
  24 // (in which case it will complain at start-up time).
  25 __attribute__((weak)) void __sanitizer_print_stack_trace();
  26 __attribute__((weak)) void __sanitizer_reset_coverage();
  27 __attribute__((weak)) size_t __sanitizer_get_total_unique_caller_callee_pairs();
  28 __attribute__((weak)) size_t __sanitizer_get_total_unique_coverage();
  29 __attribute__((weak))
  30 void __sanitizer_set_death_callback(void (*callback)(void));
  31 __attribute__((weak)) size_t __sanitizer_get_number_of_counters();
  32 __attribute__((weak))
  33 uintptr_t __sanitizer_update_counter_bitset_and_clear_counters(uint8_t *bitset);
  34 }
  35
  36 namespace fuzzer {
  37 static const size_t kMaxUnitSizeToPrint = 256;
  38
  39 static void MissingWeakApiFunction(const char *FnName) {
  40   Printf("ERROR: %s is not defined. Exiting.\n"
  41          "Did you use -fsanitize-coverage=... to build your code?\n", FnName);
  42   exit(1);
  43 }
  44
  45 #define CHECK_WEAK_API_FUNCTION(fn)                                            \
  46   do {                                                                         \
  47     if (!fn)                                                                   \
  48       MissingWeakApiFunction(#fn);                                             \
  49   } while (false)
  50
  51 // Only one Fuzzer per process.
  52 static Fuzzer *F;
  53
  54 Fuzzer::Fuzzer(UserSuppliedFuzzer &USF, FuzzingOptions Options)
  55     : USF(USF), Options(Options) {
  56   SetDeathCallback();
  57   InitializeTraceState();
  58   assert(!F);
  59   F = this;
  60 }
  61
  62 void Fuzzer::SetDeathCallback() {
  63   CHECK_WEAK_API_FUNCTION(__sanitizer_set_death_callback);
  64   __sanitizer_set_death_callback(StaticDeathCallback);
  65 }
  66
  67 void Fuzzer::PrintUnitInASCII(const Unit &U, const char *PrintAfter) {
  68   PrintASCII(U, PrintAfter);
  69 }
  70
  71 void Fuzzer::StaticDeathCallback() {
  72   assert(F);
  73   F->DeathCallback();
  74 }
  75
  76 void Fuzzer::DeathCallback() {
  77   Printf("DEATH:\n");
  78   if (CurrentUnit.size() <= kMaxUnitSizeToPrint) {
  79     Print(CurrentUnit, "\n");
  80     PrintUnitInASCII(CurrentUnit, "\n");
  81   }
  82   WriteUnitToFileWithPrefix(CurrentUnit, "crash-");
  83 }
  84
  85 void Fuzzer::StaticAlarmCallback() {
  86   assert(F);
  87   F->AlarmCallback();
  88 }
  89
  90 void Fuzzer::AlarmCallback() {
  91   assert(Options.UnitTimeoutSec > 0);
  92   size_t Seconds =
  93       duration_cast<seconds>(system_clock::now() - UnitStartTime).count();
  94   if (Seconds == 0) return;
  95   if (Options.Verbosity >= 2)
  96     Printf("AlarmCallback %zd\n", Seconds);
  97   if (Seconds >= (size_t)Options.UnitTimeoutSec) {
  98     Printf("ALARM: working on the last Unit for %zd seconds\n", Seconds);
  99     Printf("       and the timeout value is %d (use -timeout=N to change)\n",
 100            Options.UnitTimeoutSec);
 101     if (CurrentUnit.size() <= kMaxUnitSizeToPrint) {
 102       Print(CurrentUnit, "\n");
 103       PrintUnitInASCII(CurrentUnit, "\n");
 104     }
 105     WriteUnitToFileWithPrefix(CurrentUnit, "timeout-");
 106     Printf("==%d== ERROR: libFuzzer: timeout after %d seconds\n", GetPid(),
 107            Seconds);
 108     if (__sanitizer_print_stack_trace)
 109       __sanitizer_print_stack_trace();
 110     Printf("SUMMARY: libFuzzer: timeout\n");
 111     exit(1);
 112   }
 113 }
 114
 115 void Fuzzer::PrintStats(const char *Where, const char *End) {
 116   size_t Seconds = secondsSinceProcessStartUp();
 117   size_t ExecPerSec = (Seconds ? TotalNumberOfRuns / Seconds : 0);
 118
 119   if (Options.OutputCSV) {
 120     static bool csvHeaderPrinted = false;
 121     if (!csvHeaderPrinted) {
 122       csvHeaderPrinted = true;
 123       Printf("runs,block_cov,bits,cc_cov,corpus,execs_per_sec,tbms,reason\n");
 124     }
 125     Printf("%zd,%zd,%zd,%zd,%zd,%zd,%zd,%s\n", TotalNumberOfRuns,
 126            LastRecordedBlockCoverage, TotalBits(),
 127            LastRecordedCallerCalleeCoverage, Corpus.size(), ExecPerSec,
 128            TotalNumberOfExecutedTraceBasedMutations, Where);
 129   }
 130
 131   if (!Options.Verbosity)
 132     return;
 133   Printf("#%zd\t%s", TotalNumberOfRuns, Where);
 134   if (LastRecordedBlockCoverage)
 135     Printf(" cov: %zd", LastRecordedBlockCoverage);
 136   if (auto TB = TotalBits())
 137     Printf(" bits: %zd", TB);
 138   if (LastRecordedCallerCalleeCoverage)
 139     Printf(" indir: %zd", LastRecordedCallerCalleeCoverage);
 140   Printf(" units: %zd exec/s: %zd", Corpus.size(), ExecPerSec);
 141   if (TotalNumberOfExecutedTraceBasedMutations)
 142     Printf(" tbm: %zd", TotalNumberOfExecutedTraceBasedMutations);
 143   Printf("%s", End);
 144 }
 145
 146 void Fuzzer::RereadOutputCorpus() {
 147   if (Options.OutputCorpus.empty()) return;
 148   std::vector<Unit> AdditionalCorpus;
 149   ReadDirToVectorOfUnits(Options.OutputCorpus.c_str(), &AdditionalCorpus,
 150                          &EpochOfLastReadOfOutputCorpus);
 151   if (Corpus.empty()) {
 152     Corpus = AdditionalCorpus;
 153     return;
 154   }
 155   if (!Options.Reload) return;
 156   if (Options.Verbosity >= 2)
 157     Printf("Reload: read %zd new units.\n",  AdditionalCorpus.size());
 158   for (auto &X : AdditionalCorpus) {
 159     if (X.size() > (size_t)Options.MaxLen)
 160       X.resize(Options.MaxLen);
 161     if (UnitHashesAddedToCorpus.insert(Hash(X)).second) {
 162       CurrentUnit.clear();
 163       CurrentUnit.insert(CurrentUnit.begin(), X.begin(), X.end());
 164       if (RunOne(CurrentUnit)) {
 165         Corpus.push_back(X);
 166         PrintStats("RELOAD");
 167       }
 168     }
 169   }
 170 }
 171
 172 void Fuzzer::ShuffleAndMinimize() {
 173   bool PreferSmall = (Options.PreferSmallDuringInitialShuffle == 1 ||
 174                       (Options.PreferSmallDuringInitialShuffle == -1 &&
 175                        USF.GetRand().RandBool()));
 176   if (Options.Verbosity)
 177     Printf("PreferSmall: %d\n", PreferSmall);
 178   PrintStats("READ  ");
 179   std::vector<Unit> NewCorpus;
 180   if (Options.ShuffleAtStartUp) {
 181     std::random_shuffle(Corpus.begin(), Corpus.end(), USF.GetRand());
 182     if (PreferSmall)
 183       std::stable_sort(
 184           Corpus.begin(), Corpus.end(),
 185           [](const Unit &A, const Unit &B) { return A.size() < B.size(); });
 186   }
 187   Unit &U = CurrentUnit;
 188   for (const auto &C : Corpus) {
 189     for (size_t First = 0; First < 1; First++) {
 190       U.clear();
 191       size_t Last = std::min(First + Options.MaxLen, C.size());
 192       U.insert(U.begin(), C.begin() + First, C.begin() + Last);
 193       if (Options.OnlyASCII)
 194         ToASCII(U);
 195       if (RunOne(U)) {
 196         NewCorpus.push_back(U);
 197         if (Options.Verbosity >= 2)
 198           Printf("NEW0: %zd L %zd\n", LastRecordedBlockCoverage, U.size());
 199       }
 200     }
 201   }
 202   Corpus = NewCorpus;
 203   for (auto &X : Corpus)
 204     UnitHashesAddedToCorpus.insert(Hash(X));
 205   PrintStats("INITED");
 206 }
 207
 208 bool Fuzzer::RunOne(const Unit &U) {
 209   UnitStartTime = system_clock::now();
 210   TotalNumberOfRuns++;
 211
 212   PrepareCoverageBeforeRun();
 213   ExecuteCallback(U);
 214   bool Res = CheckCoverageAfterRun();
 215
 216   auto UnitStopTime = system_clock::now();
 217   auto TimeOfUnit =
 218       duration_cast<seconds>(UnitStopTime - UnitStartTime).count();
 219   if (!(TotalNumberOfRuns & (TotalNumberOfRuns - 1)) &&
 220       secondsSinceProcessStartUp() >= 2)
 221     PrintStats("pulse ");
 222   if (TimeOfUnit > TimeOfLongestUnitInSeconds &&
 223       TimeOfUnit >= Options.ReportSlowUnits) {
 224     TimeOfLongestUnitInSeconds = TimeOfUnit;
 225     Printf("Slowest unit: %zd s:\n", TimeOfLongestUnitInSeconds);
 226     WriteUnitToFileWithPrefix(U, "slow-unit-");
 227   }
 228   return Res;
 229 }
 230
 231 void Fuzzer::RunOneAndUpdateCorpus(Unit &U) {
 232   if (TotalNumberOfRuns >= Options.MaxNumberOfRuns)
 233     return;
 234   if (Options.OnlyASCII)
 235     ToASCII(U);
 236   if (RunOne(U))
 237     ReportNewCoverage(U);
 238 }
 239
 240 void Fuzzer::ExecuteCallback(const Unit &U) {
 241   const uint8_t *Data = U.data();
 242   uint8_t EmptyData;
 243   if (!Data)
 244     Data = &EmptyData;
 245   int Res = USF.TargetFunction(Data, U.size());
 246   (void)Res;
 247   assert(Res == 0);
 248 }
 249
 250 size_t Fuzzer::RecordBlockCoverage() {
 251   CHECK_WEAK_API_FUNCTION(__sanitizer_get_total_unique_coverage);
 252   return LastRecordedBlockCoverage = __sanitizer_get_total_unique_coverage();
 253 }
 254
 255 size_t Fuzzer::RecordCallerCalleeCoverage() {
 256   if (!Options.UseIndirCalls)
 257     return 0;
 258   if (!__sanitizer_get_total_unique_caller_callee_pairs)
 259     return 0;
 260   return LastRecordedCallerCalleeCoverage =
 261              __sanitizer_get_total_unique_caller_callee_pairs();
 262 }
 263
 264 void Fuzzer::PrepareCoverageBeforeRun() {
 265   if (Options.UseCounters) {
 266     size_t NumCounters = __sanitizer_get_number_of_counters();
 267     CounterBitmap.resize(NumCounters);
 268     __sanitizer_update_counter_bitset_and_clear_counters(0);
 269   }
 270   RecordBlockCoverage();
 271   RecordCallerCalleeCoverage();
 272 }
 273
 274 bool Fuzzer::CheckCoverageAfterRun() {
 275   size_t OldCoverage = LastRecordedBlockCoverage;
 276   size_t NewCoverage = RecordBlockCoverage();
 277   size_t OldCallerCalleeCoverage = LastRecordedCallerCalleeCoverage;
 278   size_t NewCallerCalleeCoverage = RecordCallerCalleeCoverage();
 279   size_t NumNewBits = 0;
 280   if (Options.UseCounters)
 281     NumNewBits = __sanitizer_update_counter_bitset_and_clear_counters(
 282         CounterBitmap.data());
 283   return NewCoverage > OldCoverage ||
 284          NewCallerCalleeCoverage > OldCallerCalleeCoverage || NumNewBits;
 285 }
 286
 287 void Fuzzer::WriteToOutputCorpus(const Unit &U) {
 288   if (Options.OutputCorpus.empty()) return;
 289   std::string Path = DirPlusFile(Options.OutputCorpus, Hash(U));
 290   WriteToFile(U, Path);
 291   if (Options.Verbosity >= 2)
 292     Printf("Written to %s\n", Path.c_str());
 293   assert(!Options.OnlyASCII || IsASCII(U));
 294 }
 295
 296 void Fuzzer::WriteUnitToFileWithPrefix(const Unit &U, const char *Prefix) {
 297   if (!Options.SaveArtifacts)
 298     return;
 299   std::string Path = Options.ArtifactPrefix + Prefix + Hash(U);
 300   if (!Options.ExactArtifactPath.empty())
 301     Path = Options.ExactArtifactPath;  // Overrides ArtifactPrefix.
 302   WriteToFile(U, Path);
 303   Printf("artifact_prefix='%s'; Test unit written to %s\n",
 304          Options.ArtifactPrefix.c_str(), Path.c_str());
 305   if (U.size() <= kMaxUnitSizeToPrint)
 306     Printf("Base64: %s\n", Base64(U).c_str());
 307 }
 308
 309 void Fuzzer::SaveCorpus() {
 310   if (Options.OutputCorpus.empty()) return;
 311   for (const auto &U : Corpus)
 312     WriteToFile(U, DirPlusFile(Options.OutputCorpus, Hash(U)));
 313   if (Options.Verbosity)
 314     Printf("Written corpus of %zd files to %s\n", Corpus.size(),
 315            Options.OutputCorpus.c_str());
 316 }
 317
 318 void Fuzzer::PrintStatusForNewUnit(const Unit &U) {
 319   if (!Options.PrintNEW)
 320     return;
 321   PrintStats("NEW   ", "");
 322   if (Options.Verbosity) {
 323     Printf(" L: %zd", U.size());
 324     if (U.size() < 30) {
 325       Printf(" ");
 326       PrintUnitInASCII(U, "\t");
 327       Print(U);
 328     }
 329     Printf("\n");
 330   }
 331 }
 332
 333 void Fuzzer::ReportNewCoverage(const Unit &U) {
 334   Corpus.push_back(U);
 335   UnitHashesAddedToCorpus.insert(Hash(U));
 336   PrintStatusForNewUnit(U);
 337   WriteToOutputCorpus(U);
 338   if (Options.ExitOnFirst)
 339     exit(0);
 340 }
 341
 342 void Fuzzer::Merge(const std::vector<std::string> &Corpora) {
 343   if (Corpora.size() <= 1) {
 344     Printf("Merge requires two or more corpus dirs\n");
 345     return;
 346   }
 347   auto InitialCorpusDir = Corpora[0];
 348   ReadDir(InitialCorpusDir, nullptr);
 349   Printf("Merge: running the initial corpus '%s' of %d units\n",
 350          InitialCorpusDir.c_str(), Corpus.size());
 351   for (auto &U : Corpus)
 352     RunOne(U);
 353
 354   std::vector<std::string> ExtraCorpora(Corpora.begin() + 1, Corpora.end());
 355
 356   size_t NumTried = 0;
 357   size_t NumMerged = 0;
 358   for (auto &C : ExtraCorpora) {
 359     Corpus.clear();
 360     ReadDir(C, nullptr);
 361     Printf("Merge: merging the extra corpus '%s' of %zd units\n", C.c_str(),
 362            Corpus.size());
 363     for (auto &U : Corpus) {
 364       NumTried++;
 365       if (RunOne(U)) {
 366         WriteToOutputCorpus(U);
 367         NumMerged++;
 368       }
 369     }
 370   }
 371   Printf("Merge: written %zd out of %zd units\n", NumMerged, NumTried);
 372 }
 373
 374 void Fuzzer::MutateAndTestOne(Unit *U) {
 375   for (int i = 0; i < Options.MutateDepth; i++) {
 376     StartTraceRecording();
 377     size_t Size = U->size();
 378     U->resize(Options.MaxLen);
 379     size_t NewSize = USF.Mutate(U->data(), Size, U->size());
 380     assert(NewSize > 0 && "Mutator returned empty unit");
 381     assert(NewSize <= (size_t)Options.MaxLen &&
 382            "Mutator return overisized unit");
 383     U->resize(NewSize);
 384     RunOneAndUpdateCorpus(*U);
 385     size_t NumTraceBasedMutations = StopTraceRecording();
 386     size_t TBMWidth =
 387         std::min((size_t)Options.TBMWidth, NumTraceBasedMutations);
 388     size_t TBMDepth =
 389         std::min((size_t)Options.TBMDepth, NumTraceBasedMutations);
 390     Unit BackUp = *U;
 391     for (size_t w = 0; w < TBMWidth; w++) {
 392       *U = BackUp;
 393       for (size_t d = 0; d < TBMDepth; d++) {
 394         TotalNumberOfExecutedTraceBasedMutations++;
 395         ApplyTraceBasedMutation(USF.GetRand()(NumTraceBasedMutations), U);
 396         RunOneAndUpdateCorpus(*U);
 397       }
 398     }
 399   }
 400 }
 401
 402 // Returns an index of random unit from the corpus to mutate.
 403 // Hypothesis: units added to the corpus last are more likely to be interesting.
 404 // This function gives more wieght to the more recent units.
 405 size_t Fuzzer::ChooseUnitIdxToMutate() {
 406     size_t N = Corpus.size();
 407     size_t Total = (N + 1) * N / 2;
 408     size_t R = USF.GetRand()(Total);
 409     size_t IdxBeg = 0, IdxEnd = N;
 410     // Binary search.
 411     while (IdxEnd - IdxBeg >= 2) {
 412       size_t Idx = IdxBeg + (IdxEnd - IdxBeg) / 2;
 413       if (R > (Idx + 1) * Idx / 2)
 414         IdxBeg = Idx;
 415       else
 416         IdxEnd = Idx;
 417     }
 418     assert(IdxBeg < N);
 419     return IdxBeg;
 420 }
 421
 422 // Experimental search heuristic: drilling.
 423 // - Read, shuffle, execute and minimize the corpus.
 424 // - Choose one random unit.
 425 // - Reset the coverage.
 426 // - Start fuzzing as if the chosen unit was the only element of the corpus.
 427 // - When done, reset the coverage again.
 428 // - Merge the newly created corpus into the original one.
 429 void Fuzzer::Drill() {
 430   // The corpus is already read, shuffled, and minimized.
 431   assert(!Corpus.empty());
 432   Options.PrintNEW = false;  // Don't print NEW status lines when drilling.
 433
 434   Unit U = ChooseUnitToMutate();
 435
 436   CHECK_WEAK_API_FUNCTION(__sanitizer_reset_coverage);
 437   __sanitizer_reset_coverage();
 438
 439   std::vector<Unit> SavedCorpus;
 440   SavedCorpus.swap(Corpus);
 441   Corpus.push_back(U);
 442   assert(Corpus.size() == 1);
 443   RunOne(U);
 444   PrintStats("DRILL ");
 445   std::string SavedOutputCorpusPath; // Don't write new units while drilling.
 446   SavedOutputCorpusPath.swap(Options.OutputCorpus);
 447   Loop();
 448
 449   __sanitizer_reset_coverage();
 450
 451   PrintStats("REINIT");
 452   SavedOutputCorpusPath.swap(Options.OutputCorpus);
 453   for (auto &U : SavedCorpus)
 454     RunOne(U);
 455   PrintStats("MERGE ");
 456   Options.PrintNEW = true;
 457   size_t NumMerged = 0;
 458   for (auto &U : Corpus) {
 459     if (RunOne(U)) {
 460       PrintStatusForNewUnit(U);
 461       NumMerged++;
 462       WriteToOutputCorpus(U);
 463     }
 464   }
 465   PrintStats("MERGED");
 466   if (NumMerged && Options.Verbosity)
 467     Printf("Drilling discovered %zd new units\n", NumMerged);
 468 }
 469
 470 void Fuzzer::Loop() {
 471   system_clock::time_point LastCorpusReload = system_clock::now();
 472   while (true) {
 473     size_t J1 = ChooseUnitIdxToMutate();;
 474     SyncCorpus();
 475     auto Now = system_clock::now();
 476     if (duration_cast<seconds>(Now - LastCorpusReload).count()) {
 477       RereadOutputCorpus();
 478       LastCorpusReload = Now;
 479     }
 480     if (TotalNumberOfRuns >= Options.MaxNumberOfRuns)
 481       break;
 482     if (Options.MaxTotalTimeSec > 0 &&
 483         secondsSinceProcessStartUp() >
 484         static_cast<size_t>(Options.MaxTotalTimeSec))
 485       break;
 486     CurrentUnit = Corpus[J1];
 487     // Optionally, cross with another unit.
 488     if (Options.DoCrossOver && USF.GetRand().RandBool()) {
 489       size_t J2 = ChooseUnitIdxToMutate();
 490       if (!Corpus[J1].empty() && !Corpus[J2].empty()) {
 491         assert(!Corpus[J2].empty());
 492         CurrentUnit.resize(Options.MaxLen);
 493         size_t NewSize = USF.CrossOver(
 494             Corpus[J1].data(), Corpus[J1].size(), Corpus[J2].data(),
 495             Corpus[J2].size(), CurrentUnit.data(), CurrentUnit.size());
 496         assert(NewSize > 0 && "CrossOver returned empty unit");
 497         assert(NewSize <= (size_t)Options.MaxLen &&
 498                "CrossOver returned overisized unit");
 499         CurrentUnit.resize(NewSize);
 500       }
 501     }
 502     // Perform several mutations and runs.
 503     MutateAndTestOne(&CurrentUnit);
 504   }
 505
 506   PrintStats("DONE  ", "\n");
 507 }
 508
 509 void Fuzzer::SyncCorpus() {
 510   if (Options.SyncCommand.empty() || Options.OutputCorpus.empty()) return;
 511   auto Now = system_clock::now();
 512   if (duration_cast<seconds>(Now - LastExternalSync).count() <
 513       Options.SyncTimeout)
 514     return;
 515   LastExternalSync = Now;
 516   ExecuteCommand(Options.SyncCommand + " " + Options.OutputCorpus);
 517 }
 518
 519 }  // namespace fuzzer