lib/Transforms/Instrumentation/DataFlowSanitizer.cpp

   1 //===-- DataFlowSanitizer.cpp - dynamic data flow analysis ----------------===//
   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 /// \file
  10 /// This file is a part of DataFlowSanitizer, a generalised dynamic data flow
  11 /// analysis.
  12 ///
  13 /// Unlike other Sanitizer tools, this tool is not designed to detect a specific
  14 /// class of bugs on its own.  Instead, it provides a generic dynamic data flow
  15 /// analysis framework to be used by clients to help detect application-specific
  16 /// issues within their own code.
  17 ///
  18 /// The analysis is based on automatic propagation of data flow labels (also
  19 /// known as taint labels) through a program as it performs computation.  Each
  20 /// byte of application memory is backed by two bytes of shadow memory which
  21 /// hold the label.  On Linux/x86_64, memory is laid out as follows:
  22 ///
  23 /// +--------------------+ 0x800000000000 (top of memory)
  24 /// | application memory |
  25 /// +--------------------+ 0x700000008000 (kAppAddr)
  26 /// |                    |
  27 /// |       unused       |
  28 /// |                    |
  29 /// +--------------------+ 0x200200000000 (kUnusedAddr)
  30 /// |    union table     |
  31 /// +--------------------+ 0x200000000000 (kUnionTableAddr)
  32 /// |   shadow memory    |
  33 /// +--------------------+ 0x000000010000 (kShadowAddr)
  34 /// | reserved by kernel |
  35 /// +--------------------+ 0x000000000000
  36 ///
  37 /// To derive a shadow memory address from an application memory address,
  38 /// bits 44-46 are cleared to bring the address into the range
  39 /// [0x000000008000,0x100000000000).  Then the address is shifted left by 1 to
  40 /// account for the double byte representation of shadow labels and move the
  41 /// address into the shadow memory range.  See the function
  42 /// DataFlowSanitizer::getShadowAddress below.
  43 ///
  44 /// For more information, please refer to the design document:
  45 /// http://clang.llvm.org/docs/DataFlowSanitizerDesign.html
  46
  47 #include "llvm/Transforms/Instrumentation.h"
  48 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
  49 #include "llvm/ADT/DenseSet.h"
  50 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
  51 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
  52 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
  53 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
  54 #include "llvm/IR/InlineAsm.h"
  55 #include "llvm/IR/InstVisitor.h"
  56 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
  57 #include "llvm/IR/MDBuilder.h"
  58 #include "llvm/IR/Type.h"
  59 #include "llvm/IR/Value.h"
  60 #include "llvm/Pass.h"
  61 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  62 #include "llvm/Support/SpecialCaseList.h"
  63 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
  64 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
  65 #include <iterator>
  66
  67 using namespace llvm;
  68
  69 // The -dfsan-preserve-alignment flag controls whether this pass assumes that
  70 // alignment requirements provided by the input IR are correct.  For example,
  71 // if the input IR contains a load with alignment 8, this flag will cause
  72 // the shadow load to have alignment 16.  This flag is disabled by default as
  73 // we have unfortunately encountered too much code (including Clang itself;
  74 // see PR14291) which performs misaligned access.
  75 static cl::opt<bool> ClPreserveAlignment(
  76     "dfsan-preserve-alignment",
  77     cl::desc("respect alignment requirements provided by input IR"), cl::Hidden,
  78     cl::init(false));
  79
  80 // The ABI list file controls how shadow parameters are passed.  The pass treats
  81 // every function labelled "uninstrumented" in the ABI list file as conforming
  82 // to the "native" (i.e. unsanitized) ABI.  Unless the ABI list contains
  83 // additional annotations for those functions, a call to one of those functions
  84 // will produce a warning message, as the labelling behaviour of the function is
  85 // unknown.  The other supported annotations are "functional" and "discard",
  86 // which are described below under DataFlowSanitizer::WrapperKind.
  87 static cl::opt<std::string> ClABIListFile(
  88     "dfsan-abilist",
  89     cl::desc("File listing native ABI functions and how the pass treats them"),
  90     cl::Hidden);
  91
  92 // Controls whether the pass uses IA_Args or IA_TLS as the ABI for instrumented
  93 // functions (see DataFlowSanitizer::InstrumentedABI below).
  94 static cl::opt<bool> ClArgsABI(
  95     "dfsan-args-abi",
  96     cl::desc("Use the argument ABI rather than the TLS ABI"),
  97     cl::Hidden);
  98
  99 // Controls whether the pass includes or ignores the labels of pointers in load
 100 // instructions.
 101 static cl::opt<bool> ClCombinePointerLabelsOnLoad(
 102     "dfsan-combine-pointer-labels-on-load",
 103     cl::desc("Combine the label of the pointer with the label of the data when "
 104              "loading from memory."),
 105     cl::Hidden, cl::init(true));
 106
 107 // Controls whether the pass includes or ignores the labels of pointers in
 108 // stores instructions.
 109 static cl::opt<bool> ClCombinePointerLabelsOnStore(
 110     "dfsan-combine-pointer-labels-on-store",
 111     cl::desc("Combine the label of the pointer with the label of the data when "
 112              "storing in memory."),
 113     cl::Hidden, cl::init(false));
 114
 115 static cl::opt<bool> ClDebugNonzeroLabels(
 116     "dfsan-debug-nonzero-labels",
 117     cl::desc("Insert calls to __dfsan_nonzero_label on observing a parameter, "
 118              "load or return with a nonzero label"),
 119     cl::Hidden);
 120
 121 namespace {
 122
 123 StringRef GetGlobalTypeString(const GlobalValue &G) {
 124   // Types of GlobalVariables are always pointer types.
 125   Type *GType = G.getType()->getElementType();
 126   // For now we support blacklisting struct types only.
 127   if (StructType *SGType = dyn_cast<StructType>(GType)) {
 128     if (!SGType->isLiteral())
 129       return SGType->getName();
 130   }
 131   return "<unknown type>";
 132 }
 133
 134 class DFSanABIList {
 135   std::unique_ptr<SpecialCaseList> SCL;
 136
 137  public:
 138   DFSanABIList(SpecialCaseList *SCL) : SCL(SCL) {}
 139
 140   /// Returns whether either this function or its source file are listed in the
 141   /// given category.
 142   bool isIn(const Function &F, const StringRef Category) const {
 143     return isIn(*F.getParent(), Category) ||
 144            SCL->inSection("fun", F.getName(), Category);
 145   }
 146
 147   /// Returns whether this global alias is listed in the given category.
 148   ///
 149   /// If GA aliases a function, the alias's name is matched as a function name
 150   /// would be.  Similarly, aliases of globals are matched like globals.
 151   bool isIn(const GlobalAlias &GA, const StringRef Category) const {
 152     if (isIn(*GA.getParent(), Category))
 153       return true;
 154
 155     if (isa<FunctionType>(GA.getType()->getElementType()))
 156       return SCL->inSection("fun", GA.getName(), Category);
 157
 158     return SCL->inSection("global", GA.getName(), Category) ||
 159            SCL->inSection("type", GetGlobalTypeString(GA), Category);
 160   }
 161
 162   /// Returns whether this module is listed in the given category.
 163   bool isIn(const Module &M, const StringRef Category) const {
 164     return SCL->inSection("src", M.getModuleIdentifier(), Category);
 165   }
 166 };
 167
 168 class DataFlowSanitizer : public ModulePass {
 169   friend struct DFSanFunction;
 170   friend class DFSanVisitor;
 171
 172   enum {
 173     ShadowWidth = 16
 174   };
 175
 176   /// Which ABI should be used for instrumented functions?
 177   enum InstrumentedABI {
 178     /// Argument and return value labels are passed through additional
 179     /// arguments and by modifying the return type.
 180     IA_Args,
 181
 182     /// Argument and return value labels are passed through TLS variables
 183     /// __dfsan_arg_tls and __dfsan_retval_tls.
 184     IA_TLS
 185   };
 186
 187   /// How should calls to uninstrumented functions be handled?
 188   enum WrapperKind {
 189     /// This function is present in an uninstrumented form but we don't know
 190     /// how it should be handled.  Print a warning and call the function anyway.
 191     /// Don't label the return value.
 192     WK_Warning,
 193
 194     /// This function does not write to (user-accessible) memory, and its return
 195     /// value is unlabelled.
 196     WK_Discard,
 197
 198     /// This function does not write to (user-accessible) memory, and the label
 199     /// of its return value is the union of the label of its arguments.
 200     WK_Functional,
 201
 202     /// Instead of calling the function, a custom wrapper __dfsw_F is called,
 203     /// where F is the name of the function.  This function may wrap the
 204     /// original function or provide its own implementation.  This is similar to
 205     /// the IA_Args ABI, except that IA_Args uses a struct return type to
 206     /// pass the return value shadow in a register, while WK_Custom uses an
 207     /// extra pointer argument to return the shadow.  This allows the wrapped
 208     /// form of the function type to be expressed in C.
 209     WK_Custom
 210   };
 211
 212   const DataLayout *DL;
 213   Module *Mod;
 214   LLVMContext *Ctx;
 215   IntegerType *ShadowTy;
 216   PointerType *ShadowPtrTy;
 217   IntegerType *IntptrTy;
 218   ConstantInt *ZeroShadow;
 219   ConstantInt *ShadowPtrMask;
 220   ConstantInt *ShadowPtrMul;
 221   Constant *ArgTLS;
 222   Constant *RetvalTLS;
 223   void *(*GetArgTLSPtr)();
 224   void *(*GetRetvalTLSPtr)();
 225   Constant *GetArgTLS;
 226   Constant *GetRetvalTLS;
 227   FunctionType *DFSanUnionFnTy;
 228   FunctionType *DFSanUnionLoadFnTy;
 229   FunctionType *DFSanUnimplementedFnTy;
 230   FunctionType *DFSanSetLabelFnTy;
 231   FunctionType *DFSanNonzeroLabelFnTy;
 232   Constant *DFSanUnionFn;
 233   Constant *DFSanUnionLoadFn;
 234   Constant *DFSanUnimplementedFn;
 235   Constant *DFSanSetLabelFn;
 236   Constant *DFSanNonzeroLabelFn;
 237   MDNode *ColdCallWeights;
 238   DFSanABIList ABIList;
 239   DenseMap<Value *, Function *> UnwrappedFnMap;
 240   AttributeSet ReadOnlyNoneAttrs;
 241
 242   Value *getShadowAddress(Value *Addr, Instruction *Pos);
 243   bool isInstrumented(const Function *F);
 244   bool isInstrumented(const GlobalAlias *GA);
 245   FunctionType *getArgsFunctionType(FunctionType *T);
 246   FunctionType *getTrampolineFunctionType(FunctionType *T);
 247   FunctionType *getCustomFunctionType(FunctionType *T);
 248   InstrumentedABI getInstrumentedABI();
 249   WrapperKind getWrapperKind(Function *F);
 250   void addGlobalNamePrefix(GlobalValue *GV);
 251   Function *buildWrapperFunction(Function *F, StringRef NewFName,
 252                                  GlobalValue::LinkageTypes NewFLink,
 253                                  FunctionType *NewFT);
 254   Constant *getOrBuildTrampolineFunction(FunctionType *FT, StringRef FName);
 255
 256  public:
 257   DataFlowSanitizer(StringRef ABIListFile = StringRef(),
 258                     void *(*getArgTLS)() = nullptr,
 259                     void *(*getRetValTLS)() = nullptr);
 260   static char ID;
 261   bool doInitialization(Module &M) override;
 262   bool runOnModule(Module &M) override;
 263 };
 264
 265 struct DFSanFunction {
 266   DataFlowSanitizer &DFS;
 267   Function *F;
 268   DataFlowSanitizer::InstrumentedABI IA;
 269   bool IsNativeABI;
 270   Value *ArgTLSPtr;
 271   Value *RetvalTLSPtr;
 272   AllocaInst *LabelReturnAlloca;
 273   DenseMap<Value *, Value *> ValShadowMap;
 274   DenseMap<AllocaInst *, AllocaInst *> AllocaShadowMap;
 275   std::vector<std::pair<PHINode *, PHINode *> > PHIFixups;
 276   DenseSet<Instruction *> SkipInsts;
 277   DenseSet<Value *> NonZeroChecks;
 278
 279   DFSanFunction(DataFlowSanitizer &DFS, Function *F, bool IsNativeABI)
 280       : DFS(DFS), F(F), IA(DFS.getInstrumentedABI()),
 281         IsNativeABI(IsNativeABI), ArgTLSPtr(nullptr), RetvalTLSPtr(nullptr),
 282         LabelReturnAlloca(nullptr) {}
 283   Value *getArgTLSPtr();
 284   Value *getArgTLS(unsigned Index, Instruction *Pos);
 285   Value *getRetvalTLS();
 286   Value *getShadow(Value *V);
 287   void setShadow(Instruction *I, Value *Shadow);
 288   Value *combineShadows(Value *V1, Value *V2, Instruction *Pos);
 289   Value *combineOperandShadows(Instruction *Inst);
 290   Value *loadShadow(Value *ShadowAddr, uint64_t Size, uint64_t Align,
 291                     Instruction *Pos);
 292   void storeShadow(Value *Addr, uint64_t Size, uint64_t Align, Value *Shadow,
 293                    Instruction *Pos);
 294 };
 295
 296 class DFSanVisitor : public InstVisitor<DFSanVisitor> {
 297  public:
 298   DFSanFunction &DFSF;
 299   DFSanVisitor(DFSanFunction &DFSF) : DFSF(DFSF) {}
 300
 301   void visitOperandShadowInst(Instruction &I);
 302
 303   void visitBinaryOperator(BinaryOperator &BO);
 304   void visitCastInst(CastInst &CI);
 305   void visitCmpInst(CmpInst &CI);
 306   void visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI);
 307   void visitLoadInst(LoadInst &LI);
 308   void visitStoreInst(StoreInst &SI);
 309   void visitReturnInst(ReturnInst &RI);
 310   void visitCallSite(CallSite CS);
 311   void visitPHINode(PHINode &PN);
 312   void visitExtractElementInst(ExtractElementInst &I);
 313   void visitInsertElementInst(InsertElementInst &I);
 314   void visitShuffleVectorInst(ShuffleVectorInst &I);
 315   void visitExtractValueInst(ExtractValueInst &I);
 316   void visitInsertValueInst(InsertValueInst &I);
 317   void visitAllocaInst(AllocaInst &I);
 318   void visitSelectInst(SelectInst &I);
 319   void visitMemSetInst(MemSetInst &I);
 320   void visitMemTransferInst(MemTransferInst &I);
 321 };
 322
 323 }
 324
 325 char DataFlowSanitizer::ID;
 326 INITIALIZE_PASS(DataFlowSanitizer, "dfsan",
 327                 "DataFlowSanitizer: dynamic data flow analysis.", false, false)
 328
 329 ModulePass *llvm::createDataFlowSanitizerPass(StringRef ABIListFile,
 330                                               void *(*getArgTLS)(),
 331                                               void *(*getRetValTLS)()) {
 332   return new DataFlowSanitizer(ABIListFile, getArgTLS, getRetValTLS);
 333 }
 334
 335 DataFlowSanitizer::DataFlowSanitizer(StringRef ABIListFile,
 336                                      void *(*getArgTLS)(),
 337                                      void *(*getRetValTLS)())
 338     : ModulePass(ID), GetArgTLSPtr(getArgTLS), GetRetvalTLSPtr(getRetValTLS),
 339       ABIList(SpecialCaseList::createOrDie(ABIListFile.empty() ? ClABIListFile
 340                                                                : ABIListFile)) {
 341 }
 342
 343 FunctionType *DataFlowSanitizer::getArgsFunctionType(FunctionType *T) {
 344   llvm::SmallVector<Type *, 4> ArgTypes;
 345   std::copy(T->param_begin(), T->param_end(), std::back_inserter(ArgTypes));
 346   for (unsigned i = 0, e = T->getNumParams(); i != e; ++i)
 347     ArgTypes.push_back(ShadowTy);
 348   if (T->isVarArg())
 349     ArgTypes.push_back(ShadowPtrTy);
 350   Type *RetType = T->getReturnType();
 351   if (!RetType->isVoidTy())
 352     RetType = StructType::get(RetType, ShadowTy, (Type *)nullptr);
 353   return FunctionType::get(RetType, ArgTypes, T->isVarArg());
 354 }
 355
 356 FunctionType *DataFlowSanitizer::getTrampolineFunctionType(FunctionType *T) {
 357   assert(!T->isVarArg());
 358   llvm::SmallVector<Type *, 4> ArgTypes;
 359   ArgTypes.push_back(T->getPointerTo());
 360   std::copy(T->param_begin(), T->param_end(), std::back_inserter(ArgTypes));
 361   for (unsigned i = 0, e = T->getNumParams(); i != e; ++i)
 362     ArgTypes.push_back(ShadowTy);
 363   Type *RetType = T->getReturnType();
 364   if (!RetType->isVoidTy())
 365     ArgTypes.push_back(ShadowPtrTy);
 366   return FunctionType::get(T->getReturnType(), ArgTypes, false);
 367 }
 368
 369 FunctionType *DataFlowSanitizer::getCustomFunctionType(FunctionType *T) {
 370   assert(!T->isVarArg());
 371   llvm::SmallVector<Type *, 4> ArgTypes;
 372   for (FunctionType::param_iterator i = T->param_begin(), e = T->param_end();
 373        i != e; ++i) {
 374     FunctionType *FT;
 375     if (isa<PointerType>(*i) && (FT = dyn_cast<FunctionType>(cast<PointerType>(
 376                                      *i)->getElementType()))) {
 377       ArgTypes.push_back(getTrampolineFunctionType(FT)->getPointerTo());
 378       ArgTypes.push_back(Type::getInt8PtrTy(*Ctx));
 379     } else {
 380       ArgTypes.push_back(*i);
 381     }
 382   }
 383   for (unsigned i = 0, e = T->getNumParams(); i != e; ++i)
 384     ArgTypes.push_back(ShadowTy);
 385   Type *RetType = T->getReturnType();
 386   if (!RetType->isVoidTy())
 387     ArgTypes.push_back(ShadowPtrTy);
 388   return FunctionType::get(T->getReturnType(), ArgTypes, false);
 389 }
 390
 391 bool DataFlowSanitizer::doInitialization(Module &M) {
 392   DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
 393   if (!DLP)
 394     report_fatal_error("data layout missing");
 395   DL = &DLP->getDataLayout();
 396
 397   Mod = &M;
 398   Ctx = &M.getContext();
 399   ShadowTy = IntegerType::get(*Ctx, ShadowWidth);
 400   ShadowPtrTy = PointerType::getUnqual(ShadowTy);
 401   IntptrTy = DL->getIntPtrType(*Ctx);
 402   ZeroShadow = ConstantInt::getSigned(ShadowTy, 0);
 403   ShadowPtrMask = ConstantInt::getSigned(IntptrTy, ~0x700000000000LL);
 404   ShadowPtrMul = ConstantInt::getSigned(IntptrTy, ShadowWidth / 8);
 405
 406   Type *DFSanUnionArgs[2] = { ShadowTy, ShadowTy };
 407   DFSanUnionFnTy =
 408       FunctionType::get(ShadowTy, DFSanUnionArgs, /*isVarArg=*/ false);
 409   Type *DFSanUnionLoadArgs[2] = { ShadowPtrTy, IntptrTy };
 410   DFSanUnionLoadFnTy =
 411       FunctionType::get(ShadowTy, DFSanUnionLoadArgs, /*isVarArg=*/ false);
 412   DFSanUnimplementedFnTy = FunctionType::get(
 413       Type::getVoidTy(*Ctx), Type::getInt8PtrTy(*Ctx), /*isVarArg=*/false);
 414   Type *DFSanSetLabelArgs[3] = { ShadowTy, Type::getInt8PtrTy(*Ctx), IntptrTy };
 415   DFSanSetLabelFnTy = FunctionType::get(Type::getVoidTy(*Ctx),
 416                                         DFSanSetLabelArgs, /*isVarArg=*/false);
 417   DFSanNonzeroLabelFnTy = FunctionType::get(
 418       Type::getVoidTy(*Ctx), ArrayRef<Type *>(), /*isVarArg=*/false);
 419
 420   if (GetArgTLSPtr) {
 421     Type *ArgTLSTy = ArrayType::get(ShadowTy, 64);
 422     ArgTLS = nullptr;
 423     GetArgTLS = ConstantExpr::getIntToPtr(
 424         ConstantInt::get(IntptrTy, uintptr_t(GetArgTLSPtr)),
 425         PointerType::getUnqual(
 426             FunctionType::get(PointerType::getUnqual(ArgTLSTy),
 427                               (Type *)nullptr)));
 428   }
 429   if (GetRetvalTLSPtr) {
 430     RetvalTLS = nullptr;
 431     GetRetvalTLS = ConstantExpr::getIntToPtr(
 432         ConstantInt::get(IntptrTy, uintptr_t(GetRetvalTLSPtr)),
 433         PointerType::getUnqual(
 434             FunctionType::get(PointerType::getUnqual(ShadowTy),
 435                               (Type *)nullptr)));
 436   }
 437
 438   ColdCallWeights = MDBuilder(*Ctx).createBranchWeights(1, 1000);
 439   return true;
 440 }
 441
 442 bool DataFlowSanitizer::isInstrumented(const Function *F) {
 443   return !ABIList.isIn(*F, "uninstrumented");
 444 }
 445
 446 bool DataFlowSanitizer::isInstrumented(const GlobalAlias *GA) {
 447   return !ABIList.isIn(*GA, "uninstrumented");
 448 }
 449
 450 DataFlowSanitizer::InstrumentedABI DataFlowSanitizer::getInstrumentedABI() {
 451   return ClArgsABI ? IA_Args : IA_TLS;
 452 }
 453
 454 DataFlowSanitizer::WrapperKind DataFlowSanitizer::getWrapperKind(Function *F) {
 455   if (ABIList.isIn(*F, "functional"))
 456     return WK_Functional;
 457   if (ABIList.isIn(*F, "discard"))
 458     return WK_Discard;
 459   if (ABIList.isIn(*F, "custom"))
 460     return WK_Custom;
 461
 462   return WK_Warning;
 463 }
 464
 465 void DataFlowSanitizer::addGlobalNamePrefix(GlobalValue *GV) {
 466   std::string GVName = GV->getName(), Prefix = "dfs$";
 467   GV->setName(Prefix + GVName);
 468
 469   // Try to change the name of the function in module inline asm.  We only do
 470   // this for specific asm directives, currently only ".symver", to try to avoid
 471   // corrupting asm which happens to contain the symbol name as a substring.
 472   // Note that the substitution for .symver assumes that the versioned symbol
 473   // also has an instrumented name.
 474   std::string Asm = GV->getParent()->getModuleInlineAsm();
 475   std::string SearchStr = ".symver " + GVName + ",";
 476   size_t Pos = Asm.find(SearchStr);
 477   if (Pos != std::string::npos) {
 478     Asm.replace(Pos, SearchStr.size(),
 479                 ".symver " + Prefix + GVName + "," + Prefix);
 480     GV->getParent()->setModuleInlineAsm(Asm);
 481   }
 482 }
 483
 484 Function *
 485 DataFlowSanitizer::buildWrapperFunction(Function *F, StringRef NewFName,
 486                                         GlobalValue::LinkageTypes NewFLink,
 487                                         FunctionType *NewFT) {
 488   FunctionType *FT = F->getFunctionType();
 489   Function *NewF = Function::Create(NewFT, NewFLink, NewFName,
 490                                     F->getParent());
 491   NewF->copyAttributesFrom(F);
 492   NewF->removeAttributes(
 493       AttributeSet::ReturnIndex,
 494       AttributeFuncs::typeIncompatible(NewFT->getReturnType(),
 495                                        AttributeSet::ReturnIndex));
 496
 497   BasicBlock *BB = BasicBlock::Create(*Ctx, "entry", NewF);
 498   std::vector<Value *> Args;
 499   unsigned n = FT->getNumParams();
 500   for (Function::arg_iterator ai = NewF->arg_begin(); n != 0; ++ai, --n)
 501     Args.push_back(&*ai);
 502   CallInst *CI = CallInst::Create(F, Args, "", BB);
 503   if (FT->getReturnType()->isVoidTy())
 504     ReturnInst::Create(*Ctx, BB);
 505   else
 506     ReturnInst::Create(*Ctx, CI, BB);
 507
 508   return NewF;
 509 }
 510
 511 Constant *DataFlowSanitizer::getOrBuildTrampolineFunction(FunctionType *FT,
 512                                                           StringRef FName) {
 513   FunctionType *FTT = getTrampolineFunctionType(FT);
 514   Constant *C = Mod->getOrInsertFunction(FName, FTT);
 515   Function *F = dyn_cast<Function>(C);
 516   if (F && F->isDeclaration()) {
 517     F->setLinkage(GlobalValue::LinkOnceODRLinkage);
 518     BasicBlock *BB = BasicBlock::Create(*Ctx, "entry", F);
 519     std::vector<Value *> Args;
 520     Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); ++AI;
 521     for (unsigned N = FT->getNumParams(); N != 0; ++AI, --N)
 522       Args.push_back(&*AI);
 523     CallInst *CI =
 524         CallInst::Create(&F->getArgumentList().front(), Args, "", BB);
 525     ReturnInst *RI;
 526     if (FT->getReturnType()->isVoidTy())
 527       RI = ReturnInst::Create(*Ctx, BB);
 528     else
 529       RI = ReturnInst::Create(*Ctx, CI, BB);
 530
 531     DFSanFunction DFSF(*this, F, /*IsNativeABI=*/true);
 532     Function::arg_iterator ValAI = F->arg_begin(), ShadowAI = AI; ++ValAI;
 533     for (unsigned N = FT->getNumParams(); N != 0; ++ValAI, ++ShadowAI, --N)
 534       DFSF.ValShadowMap[ValAI] = ShadowAI;
 535     DFSanVisitor(DFSF).visitCallInst(*CI);
 536     if (!FT->getReturnType()->isVoidTy())
 537       new StoreInst(DFSF.getShadow(RI->getReturnValue()),
 538                     &F->getArgumentList().back(), RI);
 539   }
 540
 541   return C;
 542 }
 543
 544 bool DataFlowSanitizer::runOnModule(Module &M) {
 545   if (!DL)
 546     return false;
 547
 548   if (ABIList.isIn(M, "skip"))
 549     return false;
 550
 551   if (!GetArgTLSPtr) {
 552     Type *ArgTLSTy = ArrayType::get(ShadowTy, 64);
 553     ArgTLS = Mod->getOrInsertGlobal("__dfsan_arg_tls", ArgTLSTy);
 554     if (GlobalVariable *G = dyn_cast<GlobalVariable>(ArgTLS))
 555       G->setThreadLocalMode(GlobalVariable::InitialExecTLSModel);
 556   }
 557   if (!GetRetvalTLSPtr) {
 558     RetvalTLS = Mod->getOrInsertGlobal("__dfsan_retval_tls", ShadowTy);
 559     if (GlobalVariable *G = dyn_cast<GlobalVariable>(RetvalTLS))
 560       G->setThreadLocalMode(GlobalVariable::InitialExecTLSModel);
 561   }
 562
 563   DFSanUnionFn = Mod->getOrInsertFunction("__dfsan_union", DFSanUnionFnTy);
 564   if (Function *F = dyn_cast<Function>(DFSanUnionFn)) {
 565     F->addAttribute(AttributeSet::FunctionIndex, Attribute::ReadNone);
 566     F->addAttribute(AttributeSet::ReturnIndex, Attribute::ZExt);
 567     F->addAttribute(1, Attribute::ZExt);
 568     F->addAttribute(2, Attribute::ZExt);
 569   }
 570   DFSanUnionLoadFn =
 571       Mod->getOrInsertFunction("__dfsan_union_load", DFSanUnionLoadFnTy);
 572   if (Function *F = dyn_cast<Function>(DFSanUnionLoadFn)) {
 573     F->addAttribute(AttributeSet::FunctionIndex, Attribute::ReadOnly);
 574     F->addAttribute(AttributeSet::ReturnIndex, Attribute::ZExt);
 575   }
 576   DFSanUnimplementedFn =
 577       Mod->getOrInsertFunction("__dfsan_unimplemented", DFSanUnimplementedFnTy);
 578   DFSanSetLabelFn =
 579       Mod->getOrInsertFunction("__dfsan_set_label", DFSanSetLabelFnTy);
 580   if (Function *F = dyn_cast<Function>(DFSanSetLabelFn)) {
 581     F->addAttribute(1, Attribute::ZExt);
 582   }
 583   DFSanNonzeroLabelFn =
 584       Mod->getOrInsertFunction("__dfsan_nonzero_label", DFSanNonzeroLabelFnTy);
 585
 586   std::vector<Function *> FnsToInstrument;
 587   llvm::SmallPtrSet<Function *, 2> FnsWithNativeABI;
 588   for (Module::iterator i = M.begin(), e = M.end(); i != e; ++i) {
 589     if (!i->isIntrinsic() &&
 590         i != DFSanUnionFn &&
 591         i != DFSanUnionLoadFn &&
 592         i != DFSanUnimplementedFn &&
 593         i != DFSanSetLabelFn &&
 594         i != DFSanNonzeroLabelFn)
 595       FnsToInstrument.push_back(&*i);
 596   }
 597
 598   // Give function aliases prefixes when necessary, and build wrappers where the
 599   // instrumentedness is inconsistent.
 600   for (Module::alias_iterator i = M.alias_begin(), e = M.alias_end(); i != e;) {
 601     GlobalAlias *GA = &*i;
 602     ++i;
 603     // Don't stop on weak.  We assume people aren't playing games with the
 604     // instrumentedness of overridden weak aliases.
 605     if (auto F = dyn_cast<Function>(GA->getBaseObject())) {
 606       bool GAInst = isInstrumented(GA), FInst = isInstrumented(F);
 607       if (GAInst && FInst) {
 608         addGlobalNamePrefix(GA);
 609       } else if (GAInst != FInst) {
 610         // Non-instrumented alias of an instrumented function, or vice versa.
 611         // Replace the alias with a native-ABI wrapper of the aliasee.  The pass
 612         // below will take care of instrumenting it.
 613         Function *NewF =
 614             buildWrapperFunction(F, "", GA->getLinkage(), F->getFunctionType());
 615         GA->replaceAllUsesWith(ConstantExpr::getBitCast(NewF, GA->getType()));
 616         NewF->takeName(GA);
 617         GA->eraseFromParent();
 618         FnsToInstrument.push_back(NewF);
 619       }
 620     }
 621   }
 622
 623   AttrBuilder B;
 624   B.addAttribute(Attribute::ReadOnly).addAttribute(Attribute::ReadNone);
 625   ReadOnlyNoneAttrs = AttributeSet::get(*Ctx, AttributeSet::FunctionIndex, B);
 626
 627   // First, change the ABI of every function in the module.  ABI-listed
 628   // functions keep their original ABI and get a wrapper function.
 629   for (std::vector<Function *>::iterator i = FnsToInstrument.begin(),
 630                                          e = FnsToInstrument.end();
 631        i != e; ++i) {
 632     Function &F = **i;
 633     FunctionType *FT = F.getFunctionType();
 634
 635     bool IsZeroArgsVoidRet = (FT->getNumParams() == 0 && !FT->isVarArg() &&
 636                               FT->getReturnType()->isVoidTy());
 637
 638     if (isInstrumented(&F)) {
 639       // Instrumented functions get a 'dfs$' prefix.  This allows us to more
 640       // easily identify cases of mismatching ABIs.
 641       if (getInstrumentedABI() == IA_Args && !IsZeroArgsVoidRet) {
 642         FunctionType *NewFT = getArgsFunctionType(FT);
 643         Function *NewF = Function::Create(NewFT, F.getLinkage(), "", &M);
 644         NewF->copyAttributesFrom(&F);
 645         NewF->removeAttributes(
 646             AttributeSet::ReturnIndex,
 647             AttributeFuncs::typeIncompatible(NewFT->getReturnType(),
 648                                              AttributeSet::ReturnIndex));
 649         for (Function::arg_iterator FArg = F.arg_begin(),
 650                                     NewFArg = NewF->arg_begin(),
 651                                     FArgEnd = F.arg_end();
 652              FArg != FArgEnd; ++FArg, ++NewFArg) {
 653           FArg->replaceAllUsesWith(NewFArg);
 654         }
 655         NewF->getBasicBlockList().splice(NewF->begin(), F.getBasicBlockList());
 656
 657         for (Function::user_iterator UI = F.user_begin(), UE = F.user_end();
 658              UI != UE;) {
 659           BlockAddress *BA = dyn_cast<BlockAddress>(*UI);
 660           ++UI;
 661           if (BA) {
 662             BA->replaceAllUsesWith(
 663                 BlockAddress::get(NewF, BA->getBasicBlock()));
 664             delete BA;
 665           }
 666         }
 667         F.replaceAllUsesWith(
 668             ConstantExpr::getBitCast(NewF, PointerType::getUnqual(FT)));
 669         NewF->takeName(&F);
 670         F.eraseFromParent();
 671         *i = NewF;
 672         addGlobalNamePrefix(NewF);
 673       } else {
 674         addGlobalNamePrefix(&F);
 675       }
 676                // Hopefully, nobody will try to indirectly call a vararg
 677                // function... yet.
 678     } else if (FT->isVarArg()) {
 679       UnwrappedFnMap[&F] = &F;
 680       *i = nullptr;
 681     } else if (!IsZeroArgsVoidRet || getWrapperKind(&F) == WK_Custom) {
 682       // Build a wrapper function for F.  The wrapper simply calls F, and is
 683       // added to FnsToInstrument so that any instrumentation according to its
 684       // WrapperKind is done in the second pass below.
 685       FunctionType *NewFT = getInstrumentedABI() == IA_Args
 686                                 ? getArgsFunctionType(FT)
 687                                 : FT;
 688       Function *NewF = buildWrapperFunction(
 689           &F, std::string("dfsw$") + std::string(F.getName()),
 690           GlobalValue::LinkOnceODRLinkage, NewFT);
 691       if (getInstrumentedABI() == IA_TLS)
 692         NewF->removeAttributes(AttributeSet::FunctionIndex, ReadOnlyNoneAttrs);
 693
 694       Value *WrappedFnCst =
 695           ConstantExpr::getBitCast(NewF, PointerType::getUnqual(FT));
 696       F.replaceAllUsesWith(WrappedFnCst);
 697       UnwrappedFnMap[WrappedFnCst] = &F;
 698       *i = NewF;
 699
 700       if (!F.isDeclaration()) {
 701         // This function is probably defining an interposition of an
 702         // uninstrumented function and hence needs to keep the original ABI.
 703         // But any functions it may call need to use the instrumented ABI, so
 704         // we instrument it in a mode which preserves the original ABI.
 705         FnsWithNativeABI.insert(&F);
 706
 707         // This code needs to rebuild the iterators, as they may be invalidated
 708         // by the push_back, taking care that the new range does not include
 709         // any functions added by this code.
 710         size_t N = i - FnsToInstrument.begin(),
 711                Count = e - FnsToInstrument.begin();
 712         FnsToInstrument.push_back(&F);
 713         i = FnsToInstrument.begin() + N;
 714         e = FnsToInstrument.begin() + Count;
 715       }
 716     }
 717   }
 718
 719   for (std::vector<Function *>::iterator i = FnsToInstrument.begin(),
 720                                          e = FnsToInstrument.end();
 721        i != e; ++i) {
 722     if (!*i || (*i)->isDeclaration())
 723       continue;
 724
 725     removeUnreachableBlocks(**i);
 726
 727     DFSanFunction DFSF(*this, *i, FnsWithNativeABI.count(*i));
 728
 729     // DFSanVisitor may create new basic blocks, which confuses df_iterator.
 730     // Build a copy of the list before iterating over it.
 731     llvm::SmallVector<BasicBlock *, 4> BBList(
 732         depth_first(&(*i)->getEntryBlock()));
 733
 734     for (llvm::SmallVector<BasicBlock *, 4>::iterator i = BBList.begin(),
 735                                                       e = BBList.end();
 736          i != e; ++i) {
 737       Instruction *Inst = &(*i)->front();
 738       while (1) {
 739         // DFSanVisitor may split the current basic block, changing the current
 740         // instruction's next pointer and moving the next instruction to the
 741         // tail block from which we should continue.
 742         Instruction *Next = Inst->getNextNode();
 743         // DFSanVisitor may delete Inst, so keep track of whether it was a
 744         // terminator.
 745         bool IsTerminator = isa<TerminatorInst>(Inst);
 746         if (!DFSF.SkipInsts.count(Inst))
 747           DFSanVisitor(DFSF).visit(Inst);
 748         if (IsTerminator)
 749           break;
 750         Inst = Next;
 751       }
 752     }
 753
 754     // We will not necessarily be able to compute the shadow for every phi node
 755     // until we have visited every block.  Therefore, the code that handles phi
 756     // nodes adds them to the PHIFixups list so that they can be properly
 757     // handled here.
 758     for (std::vector<std::pair<PHINode *, PHINode *> >::iterator
 759              i = DFSF.PHIFixups.begin(),
 760              e = DFSF.PHIFixups.end();
 761          i != e; ++i) {
 762       for (unsigned val = 0, n = i->first->getNumIncomingValues(); val != n;
 763            ++val) {
 764         i->second->setIncomingValue(
 765             val, DFSF.getShadow(i->first->getIncomingValue(val)));
 766       }
 767     }
 768
 769     // -dfsan-debug-nonzero-labels will split the CFG in all kinds of crazy
 770     // places (i.e. instructions in basic blocks we haven't even begun visiting
 771     // yet).  To make our life easier, do this work in a pass after the main
 772     // instrumentation.
 773     if (ClDebugNonzeroLabels) {
 774       for (DenseSet<Value *>::iterator i = DFSF.NonZeroChecks.begin(),
 775                                        e = DFSF.NonZeroChecks.end();
 776            i != e; ++i) {
 777         Instruction *Pos;
 778         if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(*i))
 779           Pos = I->getNextNode();
 780         else
 781           Pos = DFSF.F->getEntryBlock().begin();
 782         while (isa<PHINode>(Pos) || isa<AllocaInst>(Pos))
 783           Pos = Pos->getNextNode();
 784         IRBuilder<> IRB(Pos);
 785         Value *Ne = IRB.CreateICmpNE(*i, DFSF.DFS.ZeroShadow);
 786         BranchInst *BI = cast<BranchInst>(SplitBlockAndInsertIfThen(
 787             Ne, Pos, /*Unreachable=*/false, ColdCallWeights));
 788         IRBuilder<> ThenIRB(BI);
 789         ThenIRB.CreateCall(DFSF.DFS.DFSanNonzeroLabelFn);
 790       }
 791     }
 792   }
 793
 794   return false;
 795 }
 796
 797 Value *DFSanFunction::getArgTLSPtr() {
 798   if (ArgTLSPtr)
 799     return ArgTLSPtr;
 800   if (DFS.ArgTLS)
 801     return ArgTLSPtr = DFS.ArgTLS;
 802
 803   IRBuilder<> IRB(F->getEntryBlock().begin());
 804   return ArgTLSPtr = IRB.CreateCall(DFS.GetArgTLS);
 805 }
 806
 807 Value *DFSanFunction::getRetvalTLS() {
 808   if (RetvalTLSPtr)
 809     return RetvalTLSPtr;
 810   if (DFS.RetvalTLS)
 811     return RetvalTLSPtr = DFS.RetvalTLS;
 812
 813   IRBuilder<> IRB(F->getEntryBlock().begin());
 814   return RetvalTLSPtr = IRB.CreateCall(DFS.GetRetvalTLS);
 815 }
 816
 817 Value *DFSanFunction::getArgTLS(unsigned Idx, Instruction *Pos) {
 818   IRBuilder<> IRB(Pos);
 819   return IRB.CreateConstGEP2_64(getArgTLSPtr(), 0, Idx);
 820 }
 821
 822 Value *DFSanFunction::getShadow(Value *V) {
 823   if (!isa<Argument>(V) && !isa<Instruction>(V))
 824     return DFS.ZeroShadow;
 825   Value *&Shadow = ValShadowMap[V];
 826   if (!Shadow) {
 827     if (Argument *A = dyn_cast<Argument>(V)) {
 828       if (IsNativeABI)
 829         return DFS.ZeroShadow;
 830       switch (IA) {
 831       case DataFlowSanitizer::IA_TLS: {
 832         Value *ArgTLSPtr = getArgTLSPtr();
 833         Instruction *ArgTLSPos =
 834             DFS.ArgTLS ? &*F->getEntryBlock().begin()
 835                        : cast<Instruction>(ArgTLSPtr)->getNextNode();
 836         IRBuilder<> IRB(ArgTLSPos);
 837         Shadow = IRB.CreateLoad(getArgTLS(A->getArgNo(), ArgTLSPos));
 838         break;
 839       }
 840       case DataFlowSanitizer::IA_Args: {
 841         unsigned ArgIdx = A->getArgNo() + F->getArgumentList().size() / 2;
 842         Function::arg_iterator i = F->arg_begin();
 843         while (ArgIdx--)
 844           ++i;
 845         Shadow = i;
 846         assert(Shadow->getType() == DFS.ShadowTy);
 847         break;
 848       }
 849       }
 850       NonZeroChecks.insert(Shadow);
 851     } else {
 852       Shadow = DFS.ZeroShadow;
 853     }
 854   }
 855   return Shadow;
 856 }
 857
 858 void DFSanFunction::setShadow(Instruction *I, Value *Shadow) {
 859   assert(!ValShadowMap.count(I));
 860   assert(Shadow->getType() == DFS.ShadowTy);
 861   ValShadowMap[I] = Shadow;
 862 }
 863
 864 Value *DataFlowSanitizer::getShadowAddress(Value *Addr, Instruction *Pos) {
 865   assert(Addr != RetvalTLS && "Reinstrumenting?");
 866   IRBuilder<> IRB(Pos);
 867   return IRB.CreateIntToPtr(
 868       IRB.CreateMul(
 869           IRB.CreateAnd(IRB.CreatePtrToInt(Addr, IntptrTy), ShadowPtrMask),
 870           ShadowPtrMul),
 871       ShadowPtrTy);
 872 }
 873
 874 // Generates IR to compute the union of the two given shadows, inserting it
 875 // before Pos.  Returns the computed union Value.
 876 Value *DFSanFunction::combineShadows(Value *V1, Value *V2, Instruction *Pos) {
 877   if (V1 == DFS.ZeroShadow)
 878     return V2;
 879   if (V2 == DFS.ZeroShadow)
 880     return V1;
 881   if (V1 == V2)
 882     return V1;
 883   IRBuilder<> IRB(Pos);
 884   BasicBlock *Head = Pos->getParent();
 885   Value *Ne = IRB.CreateICmpNE(V1, V2);
 886   BranchInst *BI = cast<BranchInst>(SplitBlockAndInsertIfThen(
 887       Ne, Pos, /*Unreachable=*/false, DFS.ColdCallWeights, &DT));
 888   IRBuilder<> ThenIRB(BI);
 889   CallInst *Call = ThenIRB.CreateCall2(DFS.DFSanUnionFn, V1, V2);
 890   Call->addAttribute(AttributeSet::ReturnIndex, Attribute::ZExt);
 891   Call->addAttribute(1, Attribute::ZExt);
 892   Call->addAttribute(2, Attribute::ZExt);
 893
 894   BasicBlock *Tail = BI->getSuccessor(0);
 895   PHINode *Phi = PHINode::Create(DFS.ShadowTy, 2, "", Tail->begin());
 896   Phi->addIncoming(Call, Call->getParent());
 897   Phi->addIncoming(V1, Head);
 898   return Phi;
 899 }
 900
 901 // A convenience function which folds the shadows of each of the operands
 902 // of the provided instruction Inst, inserting the IR before Inst.  Returns
 903 // the computed union Value.
 904 Value *DFSanFunction::combineOperandShadows(Instruction *Inst) {
 905   if (Inst->getNumOperands() == 0)
 906     return DFS.ZeroShadow;
 907
 908   Value *Shadow = getShadow(Inst->getOperand(0));
 909   for (unsigned i = 1, n = Inst->getNumOperands(); i != n; ++i) {
 910     Shadow = combineShadows(Shadow, getShadow(Inst->getOperand(i)), Inst);
 911   }
 912   return Shadow;
 913 }
 914
 915 void DFSanVisitor::visitOperandShadowInst(Instruction &I) {
 916   Value *CombinedShadow = DFSF.combineOperandShadows(&I);
 917   DFSF.setShadow(&I, CombinedShadow);
 918 }
 919
 920 // Generates IR to load shadow corresponding to bytes [Addr, Addr+Size), where
 921 // Addr has alignment Align, and take the union of each of those shadows.
 922 Value *DFSanFunction::loadShadow(Value *Addr, uint64_t Size, uint64_t Align,
 923                                  Instruction *Pos) {
 924   if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(Addr)) {
 925     llvm::DenseMap<AllocaInst *, AllocaInst *>::iterator i =
 926         AllocaShadowMap.find(AI);
 927     if (i != AllocaShadowMap.end()) {
 928       IRBuilder<> IRB(Pos);
 929       return IRB.CreateLoad(i->second);
 930     }
 931   }
 932
 933   uint64_t ShadowAlign = Align * DFS.ShadowWidth / 8;
 934   SmallVector<Value *, 2> Objs;
 935   GetUnderlyingObjects(Addr, Objs, DFS.DL);
 936   bool AllConstants = true;
 937   for (SmallVector<Value *, 2>::iterator i = Objs.begin(), e = Objs.end();
 938        i != e; ++i) {
 939     if (isa<Function>(*i) || isa<BlockAddress>(*i))
 940       continue;
 941     if (isa<GlobalVariable>(*i) && cast<GlobalVariable>(*i)->isConstant())
 942       continue;
 943
 944     AllConstants = false;
 945     break;
 946   }
 947   if (AllConstants)
 948     return DFS.ZeroShadow;
 949
 950   Value *ShadowAddr = DFS.getShadowAddress(Addr, Pos);
 951   switch (Size) {
 952   case 0:
 953     return DFS.ZeroShadow;
 954   case 1: {
 955     LoadInst *LI = new LoadInst(ShadowAddr, "", Pos);
 956     LI->setAlignment(ShadowAlign);
 957     return LI;
 958   }
 959   case 2: {
 960     IRBuilder<> IRB(Pos);
 961     Value *ShadowAddr1 =
 962         IRB.CreateGEP(ShadowAddr, ConstantInt::get(DFS.IntptrTy, 1));
 963     return combineShadows(IRB.CreateAlignedLoad(ShadowAddr, ShadowAlign),
 964                           IRB.CreateAlignedLoad(ShadowAddr1, ShadowAlign), Pos);
 965   }
 966   }
 967   if (Size % (64 / DFS.ShadowWidth) == 0) {
 968     // Fast path for the common case where each byte has identical shadow: load
 969     // shadow 64 bits at a time, fall out to a __dfsan_union_load call if any
 970     // shadow is non-equal.
 971     BasicBlock *FallbackBB = BasicBlock::Create(*DFS.Ctx, "", F);
 972     IRBuilder<> FallbackIRB(FallbackBB);
 973     CallInst *FallbackCall = FallbackIRB.CreateCall2(
 974         DFS.DFSanUnionLoadFn, ShadowAddr, ConstantInt::get(DFS.IntptrTy, Size));
 975     FallbackCall->addAttribute(AttributeSet::ReturnIndex, Attribute::ZExt);
 976
 977     // Compare each of the shadows stored in the loaded 64 bits to each other,
 978     // by computing (WideShadow rotl ShadowWidth) == WideShadow.
 979     IRBuilder<> IRB(Pos);
 980     Value *WideAddr =
 981         IRB.CreateBitCast(ShadowAddr, Type::getInt64PtrTy(*DFS.Ctx));
 982     Value *WideShadow = IRB.CreateAlignedLoad(WideAddr, ShadowAlign);
 983     Value *TruncShadow = IRB.CreateTrunc(WideShadow, DFS.ShadowTy);
 984     Value *ShlShadow = IRB.CreateShl(WideShadow, DFS.ShadowWidth);
 985     Value *ShrShadow = IRB.CreateLShr(WideShadow, 64 - DFS.ShadowWidth);
 986     Value *RotShadow = IRB.CreateOr(ShlShadow, ShrShadow);
 987     Value *ShadowsEq = IRB.CreateICmpEQ(WideShadow, RotShadow);
 988
 989     BasicBlock *Head = Pos->getParent();
 990     BasicBlock *Tail = Head->splitBasicBlock(Pos);
 991     // In the following code LastBr will refer to the previous basic block's
 992     // conditional branch instruction, whose true successor is fixed up to point
 993     // to the next block during the loop below or to the tail after the final
 994     // iteration.
 995     BranchInst *LastBr = BranchInst::Create(FallbackBB, FallbackBB, ShadowsEq);
 996     ReplaceInstWithInst(Head->getTerminator(), LastBr);
 997
 998     for (uint64_t Ofs = 64 / DFS.ShadowWidth; Ofs != Size;
 999          Ofs += 64 / DFS.ShadowWidth) {
1000       BasicBlock *NextBB = BasicBlock::Create(*DFS.Ctx, "", F);
1001       IRBuilder<> NextIRB(NextBB);
1002       WideAddr = NextIRB.CreateGEP(WideAddr, ConstantInt::get(DFS.IntptrTy, 1));
1003       Value *NextWideShadow = NextIRB.CreateAlignedLoad(WideAddr, ShadowAlign);
1004       ShadowsEq = NextIRB.CreateICmpEQ(WideShadow, NextWideShadow);
1005       LastBr->setSuccessor(0, NextBB);
1006       LastBr = NextIRB.CreateCondBr(ShadowsEq, FallbackBB, FallbackBB);
1007     }
1008
1009     LastBr->setSuccessor(0, Tail);
1010     FallbackIRB.CreateBr(Tail);
1011     PHINode *Shadow = PHINode::Create(DFS.ShadowTy, 2, "", &Tail->front());
1012     Shadow->addIncoming(FallbackCall, FallbackBB);
1013     Shadow->addIncoming(TruncShadow, LastBr->getParent());
1014     return Shadow;
1015   }
1016
1017   IRBuilder<> IRB(Pos);
1018   CallInst *FallbackCall = IRB.CreateCall2(
1019       DFS.DFSanUnionLoadFn, ShadowAddr, ConstantInt::get(DFS.IntptrTy, Size));
1020   FallbackCall->addAttribute(AttributeSet::ReturnIndex, Attribute::ZExt);
1021   return FallbackCall;
1022 }
1023
1024 void DFSanVisitor::visitLoadInst(LoadInst &LI) {
1025   uint64_t Size = DFSF.DFS.DL->getTypeStoreSize(LI.getType());
1026   uint64_t Align;
1027   if (ClPreserveAlignment) {
1028     Align = LI.getAlignment();
1029     if (Align == 0)
1030       Align = DFSF.DFS.DL->getABITypeAlignment(LI.getType());
1031   } else {
1032     Align = 1;
1033   }
1034   IRBuilder<> IRB(&LI);
1035   Value *Shadow = DFSF.loadShadow(LI.getPointerOperand(), Size, Align, &LI);
1036   if (ClCombinePointerLabelsOnLoad) {
1037     Value *PtrShadow = DFSF.getShadow(LI.getPointerOperand());
1038     Shadow = DFSF.combineShadows(Shadow, PtrShadow, &LI);
1039   }
1040   if (Shadow != DFSF.DFS.ZeroShadow)
1041     DFSF.NonZeroChecks.insert(Shadow);
1042
1043   DFSF.setShadow(&LI, Shadow);
1044 }
1045
1046 void DFSanFunction::storeShadow(Value *Addr, uint64_t Size, uint64_t Align,
1047                                 Value *Shadow, Instruction *Pos) {
1048   if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(Addr)) {
1049     llvm::DenseMap<AllocaInst *, AllocaInst *>::iterator i =
1050         AllocaShadowMap.find(AI);
1051     if (i != AllocaShadowMap.end()) {
1052       IRBuilder<> IRB(Pos);
1053       IRB.CreateStore(Shadow, i->second);
1054       return;
1055     }
1056   }
1057
1058   uint64_t ShadowAlign = Align * DFS.ShadowWidth / 8;
1059   IRBuilder<> IRB(Pos);
1060   Value *ShadowAddr = DFS.getShadowAddress(Addr, Pos);
1061   if (Shadow == DFS.ZeroShadow) {
1062     IntegerType *ShadowTy = IntegerType::get(*DFS.Ctx, Size * DFS.ShadowWidth);
1063     Value *ExtZeroShadow = ConstantInt::get(ShadowTy, 0);
1064     Value *ExtShadowAddr =
1065         IRB.CreateBitCast(ShadowAddr, PointerType::getUnqual(ShadowTy));
1066     IRB.CreateAlignedStore(ExtZeroShadow, ExtShadowAddr, ShadowAlign);
1067     return;
1068   }
1069
1070   const unsigned ShadowVecSize = 128 / DFS.ShadowWidth;
1071   uint64_t Offset = 0;
1072   if (Size >= ShadowVecSize) {
1073     VectorType *ShadowVecTy = VectorType::get(DFS.ShadowTy, ShadowVecSize);
1074     Value *ShadowVec = UndefValue::get(ShadowVecTy);
1075     for (unsigned i = 0; i != ShadowVecSize; ++i) {
1076       ShadowVec = IRB.CreateInsertElement(
1077           ShadowVec, Shadow, ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(*DFS.Ctx), i));
1078     }
1079     Value *ShadowVecAddr =
1080         IRB.CreateBitCast(ShadowAddr, PointerType::getUnqual(ShadowVecTy));
1081     do {
1082       Value *CurShadowVecAddr = IRB.CreateConstGEP1_32(ShadowVecAddr, Offset);
1083       IRB.CreateAlignedStore(ShadowVec, CurShadowVecAddr, ShadowAlign);
1084       Size -= ShadowVecSize;
1085       ++Offset;
1086     } while (Size >= ShadowVecSize);
1087     Offset *= ShadowVecSize;
1088   }
1089   while (Size > 0) {
1090     Value *CurShadowAddr = IRB.CreateConstGEP1_32(ShadowAddr, Offset);
1091     IRB.CreateAlignedStore(Shadow, CurShadowAddr, ShadowAlign);
1092     --Size;
1093     ++Offset;
1094   }
1095 }
1096
1097 void DFSanVisitor::visitStoreInst(StoreInst &SI) {
1098   uint64_t Size =
1099       DFSF.DFS.DL->getTypeStoreSize(SI.getValueOperand()->getType());
1100   uint64_t Align;
1101   if (ClPreserveAlignment) {
1102     Align = SI.getAlignment();
1103     if (Align == 0)
1104       Align = DFSF.DFS.DL->getABITypeAlignment(SI.getValueOperand()->getType());
1105   } else {
1106     Align = 1;
1107   }
1108
1109   Value* Shadow = DFSF.getShadow(SI.getValueOperand());
1110   if (ClCombinePointerLabelsOnStore) {
1111     Value *PtrShadow = DFSF.getShadow(SI.getPointerOperand());
1112     Shadow = DFSF.combineShadows(Shadow, PtrShadow, &SI);
1113   }
1114   DFSF.storeShadow(SI.getPointerOperand(), Size, Align, Shadow, &SI);
1115 }
1116
1117 void DFSanVisitor::visitBinaryOperator(BinaryOperator &BO) {
1118   visitOperandShadowInst(BO);
1119 }
1120
1121 void DFSanVisitor::visitCastInst(CastInst &CI) { visitOperandShadowInst(CI); }
1122
1123 void DFSanVisitor::visitCmpInst(CmpInst &CI) { visitOperandShadowInst(CI); }
1124
1125 void DFSanVisitor::visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
1126   visitOperandShadowInst(GEPI);
1127 }
1128
1129 void DFSanVisitor::visitExtractElementInst(ExtractElementInst &I) {
1130   visitOperandShadowInst(I);
1131 }
1132
1133 void DFSanVisitor::visitInsertElementInst(InsertElementInst &I) {
1134   visitOperandShadowInst(I);
1135 }
1136
1137 void DFSanVisitor::visitShuffleVectorInst(ShuffleVectorInst &I) {
1138   visitOperandShadowInst(I);
1139 }
1140
1141 void DFSanVisitor::visitExtractValueInst(ExtractValueInst &I) {
1142   visitOperandShadowInst(I);
1143 }
1144
1145 void DFSanVisitor::visitInsertValueInst(InsertValueInst &I) {
1146   visitOperandShadowInst(I);
1147 }
1148
1149 void DFSanVisitor::visitAllocaInst(AllocaInst &I) {
1150   bool AllLoadsStores = true;
1151   for (User *U : I.users()) {
1152     if (isa<LoadInst>(U))
1153       continue;
1154
1155     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
1156       if (SI->getPointerOperand() == &I)
1157         continue;
1158     }
1159
1160     AllLoadsStores = false;
1161     break;
1162   }
1163   if (AllLoadsStores) {
1164     IRBuilder<> IRB(&I);
1165     DFSF.AllocaShadowMap[&I] = IRB.CreateAlloca(DFSF.DFS.ShadowTy);
1166   }
1167   DFSF.setShadow(&I, DFSF.DFS.ZeroShadow);
1168 }
1169
1170 void DFSanVisitor::visitSelectInst(SelectInst &I) {
1171   Value *CondShadow = DFSF.getShadow(I.getCondition());
1172   Value *TrueShadow = DFSF.getShadow(I.getTrueValue());
1173   Value *FalseShadow = DFSF.getShadow(I.getFalseValue());
1174
1175   if (isa<VectorType>(I.getCondition()->getType())) {
1176     DFSF.setShadow(
1177         &I,
1178         DFSF.combineShadows(
1179             CondShadow, DFSF.combineShadows(TrueShadow, FalseShadow, &I), &I));
1180   } else {
1181     Value *ShadowSel;
1182     if (TrueShadow == FalseShadow) {
1183       ShadowSel = TrueShadow;
1184     } else {
1185       ShadowSel =
1186           SelectInst::Create(I.getCondition(), TrueShadow, FalseShadow, "", &I);
1187     }
1188     DFSF.setShadow(&I, DFSF.combineShadows(CondShadow, ShadowSel, &I));
1189   }
1190 }
1191
1192 void DFSanVisitor::visitMemSetInst(MemSetInst &I) {
1193   IRBuilder<> IRB(&I);
1194   Value *ValShadow = DFSF.getShadow(I.getValue());
1195   IRB.CreateCall3(
1196       DFSF.DFS.DFSanSetLabelFn, ValShadow,
1197       IRB.CreateBitCast(I.getDest(), Type::getInt8PtrTy(*DFSF.DFS.Ctx)),
1198       IRB.CreateZExtOrTrunc(I.getLength(), DFSF.DFS.IntptrTy));
1199 }
1200
1201 void DFSanVisitor::visitMemTransferInst(MemTransferInst &I) {
1202   IRBuilder<> IRB(&I);
1203   Value *DestShadow = DFSF.DFS.getShadowAddress(I.getDest(), &I);
1204   Value *SrcShadow = DFSF.DFS.getShadowAddress(I.getSource(), &I);
1205   Value *LenShadow = IRB.CreateMul(
1206       I.getLength(),
1207       ConstantInt::get(I.getLength()->getType(), DFSF.DFS.ShadowWidth / 8));
1208   Value *AlignShadow;
1209   if (ClPreserveAlignment) {
1210     AlignShadow = IRB.CreateMul(I.getAlignmentCst(),
1211                                 ConstantInt::get(I.getAlignmentCst()->getType(),
1212                                                  DFSF.DFS.ShadowWidth / 8));
1213   } else {
1214     AlignShadow = ConstantInt::get(I.getAlignmentCst()->getType(),
1215                                    DFSF.DFS.ShadowWidth / 8);
1216   }
1217   Type *Int8Ptr = Type::getInt8PtrTy(*DFSF.DFS.Ctx);
1218   DestShadow = IRB.CreateBitCast(DestShadow, Int8Ptr);
1219   SrcShadow = IRB.CreateBitCast(SrcShadow, Int8Ptr);
1220   IRB.CreateCall5(I.getCalledValue(), DestShadow, SrcShadow, LenShadow,
1221                   AlignShadow, I.getVolatileCst());
1222 }
1223
1224 void DFSanVisitor::visitReturnInst(ReturnInst &RI) {
1225   if (!DFSF.IsNativeABI && RI.getReturnValue()) {
1226     switch (DFSF.IA) {
1227     case DataFlowSanitizer::IA_TLS: {
1228       Value *S = DFSF.getShadow(RI.getReturnValue());
1229       IRBuilder<> IRB(&RI);
1230       IRB.CreateStore(S, DFSF.getRetvalTLS());
1231       break;
1232     }
1233     case DataFlowSanitizer::IA_Args: {
1234       IRBuilder<> IRB(&RI);
1235       Type *RT = DFSF.F->getFunctionType()->getReturnType();
1236       Value *InsVal =
1237           IRB.CreateInsertValue(UndefValue::get(RT), RI.getReturnValue(), 0);
1238       Value *InsShadow =
1239           IRB.CreateInsertValue(InsVal, DFSF.getShadow(RI.getReturnValue()), 1);
1240       RI.setOperand(0, InsShadow);
1241       break;
1242     }
1243     }
1244   }
1245 }
1246
1247 void DFSanVisitor::visitCallSite(CallSite CS) {
1248   Function *F = CS.getCalledFunction();
1249   if ((F && F->isIntrinsic()) || isa<InlineAsm>(CS.getCalledValue())) {
1250     visitOperandShadowInst(*CS.getInstruction());
1251     return;
1252   }
1253
1254   IRBuilder<> IRB(CS.getInstruction());
1255
1256   DenseMap<Value *, Function *>::iterator i =
1257       DFSF.DFS.UnwrappedFnMap.find(CS.getCalledValue());
1258   if (i != DFSF.DFS.UnwrappedFnMap.end()) {
1259     Function *F = i->second;
1260     switch (DFSF.DFS.getWrapperKind(F)) {
1261     case DataFlowSanitizer::WK_Warning: {
1262       CS.setCalledFunction(F);
1263       IRB.CreateCall(DFSF.DFS.DFSanUnimplementedFn,
1264                      IRB.CreateGlobalStringPtr(F->getName()));
1265       DFSF.setShadow(CS.getInstruction(), DFSF.DFS.ZeroShadow);
1266       return;
1267     }
1268     case DataFlowSanitizer::WK_Discard: {
1269       CS.setCalledFunction(F);
1270       DFSF.setShadow(CS.getInstruction(), DFSF.DFS.ZeroShadow);
1271       return;
1272     }
1273     case DataFlowSanitizer::WK_Functional: {
1274       CS.setCalledFunction(F);
1275       visitOperandShadowInst(*CS.getInstruction());
1276       return;
1277     }
1278     case DataFlowSanitizer::WK_Custom: {
1279       // Don't try to handle invokes of custom functions, it's too complicated.
1280       // Instead, invoke the dfsw$ wrapper, which will in turn call the __dfsw_
1281       // wrapper.
1282       if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(CS.getInstruction())) {
1283         FunctionType *FT = F->getFunctionType();
1284         FunctionType *CustomFT = DFSF.DFS.getCustomFunctionType(FT);
1285         std::string CustomFName = "__dfsw_";
1286         CustomFName += F->getName();
1287         Constant *CustomF =
1288             DFSF.DFS.Mod->getOrInsertFunction(CustomFName, CustomFT);
1289         if (Function *CustomFn = dyn_cast<Function>(CustomF)) {
1290           CustomFn->copyAttributesFrom(F);
1291
1292           // Custom functions returning non-void will write to the return label.
1293           if (!FT->getReturnType()->isVoidTy()) {
1294             CustomFn->removeAttributes(AttributeSet::FunctionIndex,
1295                                        DFSF.DFS.ReadOnlyNoneAttrs);
1296           }
1297         }
1298
1299         std::vector<Value *> Args;
1300
1301         CallSite::arg_iterator i = CS.arg_begin();
1302         for (unsigned n = FT->getNumParams(); n != 0; ++i, --n) {
1303           Type *T = (*i)->getType();
1304           FunctionType *ParamFT;
1305           if (isa<PointerType>(T) &&
1306               (ParamFT = dyn_cast<FunctionType>(
1307                    cast<PointerType>(T)->getElementType()))) {
1308             std::string TName = "dfst";
1309             TName += utostr(FT->getNumParams() - n);
1310             TName += "$";
1311             TName += F->getName();
1312             Constant *T = DFSF.DFS.getOrBuildTrampolineFunction(ParamFT, TName);
1313             Args.push_back(T);
1314             Args.push_back(
1315                 IRB.CreateBitCast(*i, Type::getInt8PtrTy(*DFSF.DFS.Ctx)));
1316           } else {
1317             Args.push_back(*i);
1318           }
1319         }
1320
1321         i = CS.arg_begin();
1322         for (unsigned n = FT->getNumParams(); n != 0; ++i, --n)
1323           Args.push_back(DFSF.getShadow(*i));
1324
1325         if (!FT->getReturnType()->isVoidTy()) {
1326           if (!DFSF.LabelReturnAlloca) {
1327             DFSF.LabelReturnAlloca =
1328                 new AllocaInst(DFSF.DFS.ShadowTy, "labelreturn",
1329                                DFSF.F->getEntryBlock().begin());
1330           }
1331           Args.push_back(DFSF.LabelReturnAlloca);
1332         }
1333
1334         CallInst *CustomCI = IRB.CreateCall(CustomF, Args);
1335         CustomCI->setCallingConv(CI->getCallingConv());
1336         CustomCI->setAttributes(CI->getAttributes());
1337
1338         if (!FT->getReturnType()->isVoidTy()) {
1339           LoadInst *LabelLoad = IRB.CreateLoad(DFSF.LabelReturnAlloca);
1340           DFSF.setShadow(CustomCI, LabelLoad);
1341         }
1342
1343         CI->replaceAllUsesWith(CustomCI);
1344         CI->eraseFromParent();
1345         return;
1346       }
1347       break;
1348     }
1349     }
1350   }
1351
1352   FunctionType *FT = cast<FunctionType>(
1353       CS.getCalledValue()->getType()->getPointerElementType());
1354   if (DFSF.DFS.getInstrumentedABI() == DataFlowSanitizer::IA_TLS) {
1355     for (unsigned i = 0, n = FT->getNumParams(); i != n; ++i) {
1356       IRB.CreateStore(DFSF.getShadow(CS.getArgument(i)),
1357                       DFSF.getArgTLS(i, CS.getInstruction()));
1358     }
1359   }
1360
1361   Instruction *Next = nullptr;
1362   if (!CS.getType()->isVoidTy()) {
1363     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(CS.getInstruction())) {
1364       if (II->getNormalDest()->getSinglePredecessor()) {
1365         Next = II->getNormalDest()->begin();
1366       } else {
1367         BasicBlock *NewBB =
1368             SplitEdge(II->getParent(), II->getNormalDest(), &DFSF.DFS);
1369         Next = NewBB->begin();
1370       }
1371     } else {
1372       Next = CS->getNextNode();
1373     }
1374
1375     if (DFSF.DFS.getInstrumentedABI() == DataFlowSanitizer::IA_TLS) {
1376       IRBuilder<> NextIRB(Next);
1377       LoadInst *LI = NextIRB.CreateLoad(DFSF.getRetvalTLS());
1378       DFSF.SkipInsts.insert(LI);
1379       DFSF.setShadow(CS.getInstruction(), LI);
1380       DFSF.NonZeroChecks.insert(LI);
1381     }
1382   }
1383
1384   // Do all instrumentation for IA_Args down here to defer tampering with the
1385   // CFG in a way that SplitEdge may be able to detect.
1386   if (DFSF.DFS.getInstrumentedABI() == DataFlowSanitizer::IA_Args) {
1387     FunctionType *NewFT = DFSF.DFS.getArgsFunctionType(FT);
1388     Value *Func =
1389         IRB.CreateBitCast(CS.getCalledValue(), PointerType::getUnqual(NewFT));
1390     std::vector<Value *> Args;
1391
1392     CallSite::arg_iterator i = CS.arg_begin(), e = CS.arg_end();
1393     for (unsigned n = FT->getNumParams(); n != 0; ++i, --n)
1394       Args.push_back(*i);
1395
1396     i = CS.arg_begin();
1397     for (unsigned n = FT->getNumParams(); n != 0; ++i, --n)
1398       Args.push_back(DFSF.getShadow(*i));
1399
1400     if (FT->isVarArg()) {
1401       unsigned VarArgSize = CS.arg_size() - FT->getNumParams();
1402       ArrayType *VarArgArrayTy = ArrayType::get(DFSF.DFS.ShadowTy, VarArgSize);
1403       AllocaInst *VarArgShadow =
1404           new AllocaInst(VarArgArrayTy, "", DFSF.F->getEntryBlock().begin());
1405       Args.push_back(IRB.CreateConstGEP2_32(VarArgShadow, 0, 0));
1406       for (unsigned n = 0; i != e; ++i, ++n) {
1407         IRB.CreateStore(DFSF.getShadow(*i),
1408                         IRB.CreateConstGEP2_32(VarArgShadow, 0, n));
1409         Args.push_back(*i);
1410       }
1411     }
1412
1413     CallSite NewCS;
1414     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(CS.getInstruction())) {
1415       NewCS = IRB.CreateInvoke(Func, II->getNormalDest(), II->getUnwindDest(),
1416                                Args);
1417     } else {
1418       NewCS = IRB.CreateCall(Func, Args);
1419     }
1420     NewCS.setCallingConv(CS.getCallingConv());
1421     NewCS.setAttributes(CS.getAttributes().removeAttributes(
1422         *DFSF.DFS.Ctx, AttributeSet::ReturnIndex,
1423         AttributeFuncs::typeIncompatible(NewCS.getInstruction()->getType(),
1424                                          AttributeSet::ReturnIndex)));
1425
1426     if (Next) {
1427       ExtractValueInst *ExVal =
1428           ExtractValueInst::Create(NewCS.getInstruction(), 0, "", Next);
1429       DFSF.SkipInsts.insert(ExVal);
1430       ExtractValueInst *ExShadow =
1431           ExtractValueInst::Create(NewCS.getInstruction(), 1, "", Next);
1432       DFSF.SkipInsts.insert(ExShadow);
1433       DFSF.setShadow(ExVal, ExShadow);
1434       DFSF.NonZeroChecks.insert(ExShadow);
1435
1436       CS.getInstruction()->replaceAllUsesWith(ExVal);
1437     }
1438
1439     CS.getInstruction()->eraseFromParent();
1440   }
1441 }
1442
1443 void DFSanVisitor::visitPHINode(PHINode &PN) {
1444   PHINode *ShadowPN =
1445       PHINode::Create(DFSF.DFS.ShadowTy, PN.getNumIncomingValues(), "", &PN);
1446
1447   // Give the shadow phi node valid predecessors to fool SplitEdge into working.
1448   Value *UndefShadow = UndefValue::get(DFSF.DFS.ShadowTy);
1449   for (PHINode::block_iterator i = PN.block_begin(), e = PN.block_end(); i != e;
1450        ++i) {
1451     ShadowPN->addIncoming(UndefShadow, *i);
1452   }
1453
1454   DFSF.PHIFixups.push_back(std::make_pair(&PN, ShadowPN));
1455   DFSF.setShadow(&PN, ShadowPN);
1456 }