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 <sanitizer/coverage_interface.h>
  14 #include <algorithm>
  15
  16 namespace fuzzer {
  17 static const size_t kMaxUnitSizeToPrint = 4096;
  18
  19 // Only one Fuzzer per process.
  20 static Fuzzer *F;
  21
  22 Fuzzer::Fuzzer(UserSuppliedFuzzer &USF, FuzzingOptions Options)
  23     : USF(USF), Options(Options) {
  24   SetDeathCallback();
  25   InitializeTraceState();
  26   assert(!F);
  27   F = this;
  28 }
  29
  30 void Fuzzer::SetDeathCallback() {
  31   __sanitizer_set_death_callback(StaticDeathCallback);
  32 }
  33
  34 void Fuzzer::PrintUnitInASCIIOrTokens(const Unit &U, const char *PrintAfter) {
  35   if (Options.Tokens.empty()) {
  36     PrintASCII(U, PrintAfter);
  37   } else {
  38     auto T = SubstituteTokens(U);
  39     T.push_back(0);
  40     Printf("%s%s", T.data(), PrintAfter);
  41   }
  42 }
  43
  44 void Fuzzer::StaticDeathCallback() {
  45   assert(F);
  46   F->DeathCallback();
  47 }
  48
  49 void Fuzzer::DeathCallback() {
  50   Printf("DEATH:\n");
  51   Print(CurrentUnit, "\n");
  52   PrintUnitInASCIIOrTokens(CurrentUnit, "\n");
  53   WriteUnitToFileWithPrefix(CurrentUnit, "crash-");
  54 }
  55
  56 void Fuzzer::StaticAlarmCallback() {
  57   assert(F);
  58   F->AlarmCallback();
  59 }
  60
  61 void Fuzzer::AlarmCallback() {
  62   assert(Options.UnitTimeoutSec > 0);
  63   size_t Seconds =
  64       duration_cast<seconds>(system_clock::now() - UnitStartTime).count();
  65   if (Seconds == 0) return;
  66   if (Options.Verbosity >= 2)
  67     Printf("AlarmCallback %zd\n", Seconds);
  68   if (Seconds >= (size_t)Options.UnitTimeoutSec) {
  69     Printf("ALARM: working on the last Unit for %zd seconds\n", Seconds);
  70     Printf("       and the timeout value is %d (use -timeout=N to change)\n",
  71            Options.UnitTimeoutSec);
  72     if (CurrentUnit.size() <= kMaxUnitSizeToPrint)
  73       Print(CurrentUnit, "\n");
  74     PrintUnitInASCIIOrTokens(CurrentUnit, "\n");
  75     WriteUnitToFileWithPrefix(CurrentUnit, "timeout-");
  76     exit(1);
  77   }
  78 }
  79
  80 void Fuzzer::PrintStats(const char *Where, size_t Cov, const char *End) {
  81   if (!Options.Verbosity) return;
  82   size_t Seconds = secondsSinceProcessStartUp();
  83   size_t ExecPerSec = (Seconds ? TotalNumberOfRuns / Seconds : 0);
  84   Printf("#%zd\t%s cov: %zd bits: %zd units: %zd exec/s: %zd",
  85          TotalNumberOfRuns, Where, Cov, TotalBits(), Corpus.size(), ExecPerSec);
  86   if (TotalNumberOfExecutedTraceBasedMutations)
  87     Printf(" tbm: %zd", TotalNumberOfExecutedTraceBasedMutations);
  88   Printf("%s", End);
  89 }
  90
  91 void Fuzzer::RereadOutputCorpus() {
  92   if (Options.OutputCorpus.empty()) return;
  93   std::vector<Unit> AdditionalCorpus;
  94   ReadDirToVectorOfUnits(Options.OutputCorpus.c_str(), &AdditionalCorpus,
  95                          &EpochOfLastReadOfOutputCorpus);
  96   if (Corpus.empty()) {
  97     Corpus = AdditionalCorpus;
  98     return;
  99   }
 100   if (!Options.Reload) return;
 101   if (Options.Verbosity >= 2)
 102     Printf("Reload: read %zd new units.\n",  AdditionalCorpus.size());
 103   for (auto &X : AdditionalCorpus) {
 104     if (X.size() > (size_t)Options.MaxLen)
 105       X.resize(Options.MaxLen);
 106     if (UnitHashesAddedToCorpus.insert(Hash(X)).second) {
 107       CurrentUnit.clear();
 108       CurrentUnit.insert(CurrentUnit.begin(), X.begin(), X.end());
 109       size_t NewCoverage = RunOne(CurrentUnit);
 110       if (NewCoverage) {
 111         Corpus.push_back(X);
 112         if (Options.Verbosity >= 1)
 113           PrintStats("RELOAD", NewCoverage);
 114       }
 115     }
 116   }
 117 }
 118
 119 void Fuzzer::ShuffleAndMinimize() {
 120   size_t MaxCov = 0;
 121   bool PreferSmall = (Options.PreferSmallDuringInitialShuffle == 1 ||
 122                       (Options.PreferSmallDuringInitialShuffle == -1 &&
 123                        USF.GetRand().RandBool()));
 124   if (Options.Verbosity)
 125     Printf("PreferSmall: %d\n", PreferSmall);
 126   PrintStats("READ  ", 0);
 127   std::vector<Unit> NewCorpus;
 128   std::random_shuffle(Corpus.begin(), Corpus.end(), USF.GetRand());
 129   if (PreferSmall)
 130     std::stable_sort(
 131         Corpus.begin(), Corpus.end(),
 132         [](const Unit &A, const Unit &B) { return A.size() < B.size(); });
 133   Unit &U = CurrentUnit;
 134   for (const auto &C : Corpus) {
 135     for (size_t First = 0; First < 1; First++) {
 136       U.clear();
 137       size_t Last = std::min(First + Options.MaxLen, C.size());
 138       U.insert(U.begin(), C.begin() + First, C.begin() + Last);
 139       if (Options.OnlyASCII)
 140         ToASCII(U);
 141       size_t NewCoverage = RunOne(U);
 142       if (NewCoverage) {
 143         MaxCov = NewCoverage;
 144         NewCorpus.push_back(U);
 145         if (Options.Verbosity >= 2)
 146           Printf("NEW0: %zd L %zd\n", NewCoverage, U.size());
 147       }
 148     }
 149   }
 150   Corpus = NewCorpus;
 151   for (auto &X : Corpus)
 152     UnitHashesAddedToCorpus.insert(Hash(X));
 153   PrintStats("INITED", MaxCov);
 154 }
 155
 156 size_t Fuzzer::RunOne(const Unit &U) {
 157   UnitStartTime = system_clock::now();
 158   TotalNumberOfRuns++;
 159   size_t Res = 0;
 160   if (Options.UseFullCoverageSet)
 161     Res = RunOneMaximizeFullCoverageSet(U);
 162   else
 163     Res = RunOneMaximizeTotalCoverage(U);
 164   auto UnitStopTime = system_clock::now();
 165   auto TimeOfUnit =
 166       duration_cast<seconds>(UnitStopTime - UnitStartTime).count();
 167   if (TimeOfUnit > TimeOfLongestUnitInSeconds &&
 168       TimeOfUnit >= Options.ReportSlowUnits) {
 169     TimeOfLongestUnitInSeconds = TimeOfUnit;
 170     Printf("Slowest unit: %zd s:\n", TimeOfLongestUnitInSeconds);
 171     if (U.size() <= kMaxUnitSizeToPrint)
 172       Print(U, "\n");
 173     WriteUnitToFileWithPrefix(U, "slow-unit-");
 174   }
 175   return Res;
 176 }
 177
 178 void Fuzzer::RunOneAndUpdateCorpus(Unit &U) {
 179   if (TotalNumberOfRuns >= Options.MaxNumberOfRuns)
 180     return;
 181   if (Options.OnlyASCII)
 182     ToASCII(U);
 183   ReportNewCoverage(RunOne(U), U);
 184 }
 185
 186 static uintptr_t HashOfArrayOfPCs(uintptr_t *PCs, uintptr_t NumPCs) {
 187   uintptr_t Res = 0;
 188   for (uintptr_t i = 0; i < NumPCs; i++) {
 189     Res = (Res + PCs[i]) * 7;
 190   }
 191   return Res;
 192 }
 193
 194 Unit Fuzzer::SubstituteTokens(const Unit &U) const {
 195   Unit Res;
 196   for (auto Idx : U) {
 197     if (Idx < Options.Tokens.size()) {
 198       std::string Token = Options.Tokens[Idx];
 199       Res.insert(Res.end(), Token.begin(), Token.end());
 200     } else {
 201       Res.push_back(' ');
 202     }
 203   }
 204   // FIXME: Apply DFSan labels.
 205   return Res;
 206 }
 207
 208 void Fuzzer::ExecuteCallback(const Unit &U) {
 209   if (Options.Tokens.empty()) {
 210     USF.TargetFunction(U.data(), U.size());
 211   } else {
 212     auto T = SubstituteTokens(U);
 213     USF.TargetFunction(T.data(), T.size());
 214   }
 215 }
 216
 217 // Experimental.
 218 // Fuly reset the current coverage state, run a single unit,
 219 // compute a hash function from the full coverage set,
 220 // return non-zero if the hash value is new.
 221 // This produces tons of new units and as is it's only suitable for small tests,
 222 // e.g. test/FullCoverageSetTest.cpp. FIXME: make it scale.
 223 size_t Fuzzer::RunOneMaximizeFullCoverageSet(const Unit &U) {
 224   __sanitizer_reset_coverage();
 225   ExecuteCallback(U);
 226   uintptr_t *PCs;
 227   uintptr_t NumPCs =__sanitizer_get_coverage_guards(&PCs);
 228   if (FullCoverageSets.insert(HashOfArrayOfPCs(PCs, NumPCs)).second)
 229     return FullCoverageSets.size();
 230   return 0;
 231 }
 232
 233 size_t Fuzzer::RunOneMaximizeTotalCoverage(const Unit &U) {
 234   size_t NumCounters = __sanitizer_get_number_of_counters();
 235   if (Options.UseCounters) {
 236     CounterBitmap.resize(NumCounters);
 237     __sanitizer_update_counter_bitset_and_clear_counters(0);
 238   }
 239   size_t OldCoverage = __sanitizer_get_total_unique_coverage();
 240   ExecuteCallback(U);
 241   size_t NewCoverage = __sanitizer_get_total_unique_coverage();
 242   size_t NumNewBits = 0;
 243   if (Options.UseCounters)
 244     NumNewBits = __sanitizer_update_counter_bitset_and_clear_counters(
 245         CounterBitmap.data());
 246
 247   if (!(TotalNumberOfRuns & (TotalNumberOfRuns - 1)) && Options.Verbosity)
 248     PrintStats("pulse ", NewCoverage);
 249
 250   if (NewCoverage > OldCoverage || NumNewBits)
 251     return NewCoverage;
 252   return 0;
 253 }
 254
 255 void Fuzzer::WriteToOutputCorpus(const Unit &U) {
 256   if (Options.OutputCorpus.empty()) return;
 257   std::string Path = DirPlusFile(Options.OutputCorpus, Hash(U));
 258   WriteToFile(U, Path);
 259   if (Options.Verbosity >= 2)
 260     Printf("Written to %s\n", Path.c_str());
 261   assert(!Options.OnlyASCII || IsASCII(U));
 262 }
 263
 264 void Fuzzer::WriteUnitToFileWithPrefix(const Unit &U, const char *Prefix) {
 265   std::string Path = Prefix + Hash(U);
 266   WriteToFile(U, Path);
 267   Printf("Test unit written to %s\n", Path.c_str());
 268   if (U.size() <= kMaxUnitSizeToPrint) {
 269     Printf("Base64: ");
 270     PrintFileAsBase64(Path);
 271   }
 272 }
 273
 274 void Fuzzer::SaveCorpus() {
 275   if (Options.OutputCorpus.empty()) return;
 276   for (const auto &U : Corpus)
 277     WriteToFile(U, DirPlusFile(Options.OutputCorpus, Hash(U)));
 278   if (Options.Verbosity)
 279     Printf("Written corpus of %zd files to %s\n", Corpus.size(),
 280            Options.OutputCorpus.c_str());
 281 }
 282
 283 void Fuzzer::ReportNewCoverage(size_t NewCoverage, const Unit &U) {
 284   if (!NewCoverage) return;
 285   Corpus.push_back(U);
 286   UnitHashesAddedToCorpus.insert(Hash(U));
 287   PrintStats("NEW   ", NewCoverage, "");
 288   if (Options.Verbosity) {
 289     Printf(" L: %zd", U.size());
 290     if (U.size() < 30) {
 291       Printf(" ");
 292       PrintUnitInASCIIOrTokens(U, "\t");
 293       Print(U);
 294     }
 295     Printf("\n");
 296   }
 297   WriteToOutputCorpus(U);
 298   if (Options.ExitOnFirst)
 299     exit(0);
 300 }
 301
 302 void Fuzzer::MutateAndTestOne(Unit *U) {
 303   for (int i = 0; i < Options.MutateDepth; i++) {
 304     StartTraceRecording();
 305     size_t Size = U->size();
 306     U->resize(Options.MaxLen);
 307     size_t NewSize = USF.Mutate(U->data(), Size, U->size());
 308     assert(NewSize > 0 && "Mutator returned empty unit");
 309     assert(NewSize <= (size_t)Options.MaxLen &&
 310            "Mutator return overisized unit");
 311     U->resize(NewSize);
 312     RunOneAndUpdateCorpus(*U);
 313     size_t NumTraceBasedMutations = StopTraceRecording();
 314     size_t TBMWidth =
 315         std::min((size_t)Options.TBMWidth, NumTraceBasedMutations);
 316     size_t TBMDepth =
 317         std::min((size_t)Options.TBMDepth, NumTraceBasedMutations);
 318     Unit BackUp = *U;
 319     for (size_t w = 0; w < TBMWidth; w++) {
 320       *U = BackUp;
 321       for (size_t d = 0; d < TBMDepth; d++) {
 322         TotalNumberOfExecutedTraceBasedMutations++;
 323         ApplyTraceBasedMutation(USF.GetRand()(NumTraceBasedMutations), U);
 324         RunOneAndUpdateCorpus(*U);
 325       }
 326     }
 327   }
 328 }
 329
 330 void Fuzzer::Loop(size_t NumIterations) {
 331   for (auto &U: Options.Dictionary)
 332     USF.GetMD().AddWordToDictionary(U.data(), U.size());
 333
 334   for (size_t i = 1; i <= NumIterations; i++) {
 335     for (size_t J1 = 0; J1 < Corpus.size(); J1++) {
 336       SyncCorpus();
 337       RereadOutputCorpus();
 338       if (TotalNumberOfRuns >= Options.MaxNumberOfRuns)
 339         return;
 340       // First, simply mutate the unit w/o doing crosses.
 341       CurrentUnit = Corpus[J1];
 342       MutateAndTestOne(&CurrentUnit);
 343       // Now, cross with others.
 344       if (Options.DoCrossOver && !Corpus[J1].empty()) {
 345         for (size_t J2 = 0; J2 < Corpus.size(); J2++) {
 346           CurrentUnit.resize(Options.MaxLen);
 347           size_t NewSize = USF.CrossOver(
 348               Corpus[J1].data(), Corpus[J1].size(), Corpus[J2].data(),
 349               Corpus[J2].size(), CurrentUnit.data(), CurrentUnit.size());
 350           assert(NewSize > 0 && "CrossOver returned empty unit");
 351           assert(NewSize <= (size_t)Options.MaxLen &&
 352                  "CrossOver return overisized unit");
 353           CurrentUnit.resize(NewSize);
 354           MutateAndTestOne(&CurrentUnit);
 355         }
 356       }
 357     }
 358   }
 359 }
 360
 361 void Fuzzer::SyncCorpus() {
 362   if (Options.SyncCommand.empty() || Options.OutputCorpus.empty()) return;
 363   auto Now = system_clock::now();
 364   if (duration_cast<seconds>(Now - LastExternalSync).count() <
 365       Options.SyncTimeout)
 366     return;
 367   LastExternalSync = Now;
 368   ExecuteCommand(Options.SyncCommand + " " + Options.OutputCorpus);
 369 }
 370
 371 }  // namespace fuzzer