تذكرة GWP-ASan

إنّ GWP-ASan هي ميزة أصلية لتخصيص الذاكرة تساعد في العثور على أخطاء الاستخدام بعد الشحن وتجاوز سعة المخزن المؤقت للذاكرة. ويكون اسمها غير الرسمي هو اختصار متكرّر، وهو "GWP-ASan Will rovide llocation SANity". وعلى عكس HWASan أو Malloc Debug، لا يتطلب GWP-ASan عملية إعادة التحويل البرمجي أو المصدر (أي يعمل مع عمليات الإنشاء المصمَّمة مسبقًا)، ويعمل على العمليات بالإصدارات 32 و64 بت (على الرغم من أنّ الأعطال في الإصدار 32 بت تتضمّن معلومات تصحيح أخطاء أقل). يوضّح هذا الموضوع الإجراءات التي يجب اتّخاذها لتفعيل هذه الميزة في تطبيقك. تتوفّر أداة GWP-ASan على التطبيقات التي تستهدف الإصدار 11 من نظام التشغيل Android (المستوى 30 لواجهة برمجة التطبيقات) أو الإصدارات الأحدث.

نظرة عامة

يتم تفعيل GWP-ASan على بعض تطبيقات النظام والأنظمة الأساسية القابلة للتنفيذ التي يتم اختيارها عشوائيًا عند بدء العملية (أو عند تشعّبها). يمكنك تفعيل أداة GWP-ASan في تطبيقك لمساعدتك في العثور على الأخطاء المتعلّقة بالذاكرة، ولإعداد تطبيقك لإتاحة إضافة وضع علامات الذاكرة (MTE) من ARM. توفّر آليات أخذ العينات أيضًا الموثوقية مقارنةً بطلبات الموت.

بعد تفعيل GWP-ASan، يعترض مجموعة فرعية يتم اختيارها عشوائيًا من تخصيصات كومة الذاكرة، ويضعها في منطقة خاصة ترصد أخطاء تلف الذاكرة التي يصعب رصدها. مع توفّر عدد كافٍ من المستخدمين، سيؤدي حتى معدّل أخذ العينات المنخفض هذا إلى العثور على أخطاء أمان في ذاكرة الشريحة لا يتم العثور عليها من خلال الاختبار العادي. على سبيل المثال، عثر GWP-ASan على عدد كبير من الأخطاء في متصفّح Chrome (لا يزال الكثير منها قيد الفحص).

تجمع أداة GWP-ASan معلومات إضافية عن جميع عمليات التخصيص التي تتعذّر عليها تنفيذها. تتوفّر هذه المعلومات عندما ترصد أداة GWP-ASan حدوث انتهاك لأمان الذاكرة ويتم إدراجها تلقائيًا في تقرير الأعطال الأصلي، ما يساعد بشكل كبير في تصحيح الأخطاء (راجِع المثال).

تم تصميم GWP-ASan بحيث لا يتسبب في أيّ عبء كبير على وحدة المعالجة المركزية. يؤدي تفعيل GWP-ASan إلى زيادة طفيفة وثابتة في استهلاك ذاكرة الوصول العشوائي. يحدّد نظام Android هذه النفقات العامة وهي حاليًا 70 كيبيبايت تقريبًا لكل عملية متأثّرة.

تفعيل الميزة في تطبيقك

يمكن للتطبيقات على مستوى كل عملية تفعيل GWP-ASan باستخدام علامة android:gwpAsanMode في بيان التطبيق. الخيارات التالية متوفرة:

  • غير مفعَّل دائمًا (android:gwpAsanMode="never"): يؤدي هذا الإعداد إلى إيقاف GWP-ASan بالكامل في تطبيقك، وهو الإعداد التلقائي للتطبيقات غير المخصّصة للنظام.

  • الإعداد التلقائي (android:gwpAsanMode="default" أو غير محدّد): الإصدار 13 من نظام التشغيل Android (المستوى 33 لواجهة برمجة التطبيقات) والإصدارات الأقدم: GWP-ASan غير مفعَّل. Android 14 (المستوى 34 لواجهة برمجة التطبيقات) والإصدارات الأحدث: تم تفعيل ميزة GWP-ASan القابلة للاسترداد

  • مفعَّل دائمًا (android:gwpAsanMode="always"): يفعِّل هذا الإعداد GWP-ASan في تطبيقك، ويشمل ما يلي:

    1. يحتفظ نظام التشغيل بمقدار ثابت من ذاكرة الوصول العشوائي لعمليات GWP-ASan، حوالي 70 كيلوبايت لكل عملية متأثرة. (فعِّل GWP-ASan إذا لم يكن تطبيقك حساسًا بشكل كبير لزيادة استهلاك الذاكرة).

    2. تعترض أداة GWP-ASan مجموعة فرعية تم اختيارها عشوائيًا من عمليات تخصيص الذاكرة في ملف الخَزَن ويُعاد توجيهها إلى منطقة خاصة ترصد بشكل موثوق انتهاكات أمان الذاكرة.

    3. عند حدوث انتهاك لأمان الذاكرة في المنطقة الخاصة، تُنهي أداة GWP-ASan العملية.

    4. يوفّر GWP-ASan معلومات إضافية حول الخطأ في تقرير الأعطال.

لتفعيل أداة GWP-ASan على مستوى تطبيقك، أضِف ما يلي إلى ملف AndroidManifest.xml:

<application android:gwpAsanMode="always">
  ...
</application>

بالإضافة إلى ذلك، يمكن تفعيل أداة GWP-ASan أو إيقافها بشكل واضح في عمليات فرعية محدّدة داخل تطبيقك. ويمكنك استهداف الأنشطة والخدمات باستخدام العمليات التي تم فيها تفعيل أو إيقاف ميزة GWP-ASan بشكل صريح. إليك مثال:

<application>
  <processes>
    <!-- Create the (empty) application process -->
    <process />

    <!-- Create subprocesses with GWP-ASan both explicitly enabled and disabled. -->
    <process android:process=":gwp_asan_enabled"
               android:gwpAsanMode="always" />
    <process android:process=":gwp_asan_disabled"
               android:gwpAsanMode="never" />
  </processes>

  <!-- Target services and activities to be run on either the GWP-ASan enabled or disabled processes. -->
  <activity android:name="android.gwpasan.GwpAsanEnabledActivity"
            android:process=":gwp_asan_enabled" />
  <activity android:name="android.gwpasan.GwpAsanDisabledActivity"
            android:process=":gwp_asan_disabled" />
  <service android:name="android.gwpasan.GwpAsanEnabledService"
           android:process=":gwp_asan_enabled" />
  <service android:name="android.gwpasan.GwpAsanDisabledService"
           android:process=":gwp_asan_disabled" />
</application>

أخطاء GWP-ASan القابلة للاسترداد

يتيح الإصدار 14 من نظام التشغيل Android (المستوى 34 لواجهة برمجة التطبيقات) والإصدارات الأحدث ميزة GWP-ASan القابلة للاسترداد، والتي تساعد المطوّرين في العثور على أخطاء تجاوز سعة المخزن المؤقت للذاكرة الديناميكية واستخدام ذاكرة معيّنة بعد تفريغها في مرحلة الإنتاج بدون التأثير سلبًا في تجربة المستخدم. عندما يكون android:gwpAsanMode غير محدّد في AndroidManifest.xml، يستخدم التطبيق أداة GWP-ASan التي يمكن استردادها.

يختلف GWP-ASan القابل للاسترداد عن GWP-ASan الأساسي بالطرق التالية:

  1. لا يتم تفعيل ميزة GWP-ASan القابلة للاسترداد إلا في% 1 تقريبًا من عمليات تشغيل التطبيقات، بدلاً من كل عملية تشغيل لتطبيق.
  2. عند رصد خطأ في استخدام الذاكرة العشوائية بعد تحريرها أو في تدفّق ذاكرة التخزين المؤقت للذاكرة العشوائية، يظهر هذا الخطأ في تقرير الأعطال (الحجر). يتوفّر تقرير الأعطال هذا من خلال واجهة برمجة التطبيقات ActivityManager#getHistoricalProcessExitReasons ، تمامًا مثل أداة GWP-ASan الأصلية.
  3. بدلاً من الخروج بعد تفريغ تقرير الأعطال، تسمح أداة GWP-ASan التي يمكن استردادها بحدوث تلف في الذاكرة، ويستمر تشغيل التطبيق. في حين أن العملية قد تستمر كالمعتاد، لم يعد سلوك التطبيق محددًا. بسبب تلف الذاكرة، قد يتعطل التطبيق في وقت محدد بشكل عشوائي في المستقبل، أو قد يستمر بدون أي تأثير يلاحظه المستخدم.
  4. تم إيقاف GWP-ASan القابل للاسترداد بعد إرسال تقرير الأعطال. لذلك، يمكن للتطبيق الحصول على تقرير واحد فقط من GWP-ASan قابل للاسترداد لكل عملية تشغيل للتطبيق.
  5. في حال تثبيت معالِج الإشارات المخصّصة في التطبيق، لن يُطلب منه أبدًا إشارة SIGSEGV التي تدل على حدوث خطأ في GWP-ASan القابل للاسترداد.

بما أنّ الأعطال في أداة GWP-ASan القابلة للاسترداد تشير إلى حالات حقيقية لتلف الذاكرة على أجهزة المستخدمين النهائيين، ننصحك بشدة بتحديد أولويات الأخطاء التي رصدتها أداة GWP-ASan القابلة للاسترداد وإصلاحها بأولوية عالية.

دعم مطوّر البرامج

توضح هذه الأقسام المشكلات التي قد تحدث عند استخدام GWP-ASan وكيفية معالجتها.

لا تتوفّر عمليات تتبُّع التخصيص/إلغاء التخصيص

إذا كنت بصدد تشخيص عُطل أصلي يبدو أنّه يفتقد إلى إطارات التخصيص أو إلغاء التخصيص، فمن المحتمل أنّ تطبيقك يفتقد إلى مؤشرات الإطارات. يستخدم أداة GWP-ASan مؤشرات الإطارات لتسجيل عمليات التخصيص وتتبُّع عمليات تحديد الموقع لأسباب تتعلّق بالأداء، ولا يمكن التراجع عن عملية تتبُّع تسلسل استدعاء الدوال البرمجية في حال عدم توفّرها.

تكون مؤشرات الإطار مفعَّلة تلقائيًا على أجهزة arm64، وتكون غير مفعَّلة تلقائيًا على أجهزة arm32 . بما أنّ التطبيقات لا تتحكّم في libc، فإنه (بشكل عام) لا يمكن لمجموعة GWP-ASan جمع عمليات تتبُّع تخصيص/إلغاء تخصيص ملفّات تنفيذية أو تطبيقات 32 بت. يجب أن تضمن تطبيقات 64 بت عدم استخدامها -fomit-frame-pointer حتى تتمكّن أداة GWP-ASan من جمع عمليات تتبُّع تسلسل استدعاء الدوال البرمجية لعمليات تخصيص الذاكرة وإزالتها.

إعادة إنشاء انتهاكات السلامة

تم تصميم GWP-ASan لرصد انتهاكات أمان ذاكرة الشريحة على أجهزة المستخدمين. يوفّر GWP-ASan أكبر قدر ممكن من السياق حول العُطل (تتبُّع الوصول إلى الانتهاك وسلسلة السبب وتتبُّع التخصيص/إلغاء التخصيص)، ولكن قد يظل من الصعب استنتاج كيفية حدوث الانتهاك. نظرًا لأنّ رصد الأخطاء يعتمد على الاحتمالية، غالبًا ما يكون من الصعب إعادة إنشاء تقارير GWP-ASan على جهاز محلي.

في هذه الحالات، إذا كان الخلل يؤثر في الأجهزة التي تعمل بنظام التشغيل 64 بت، يجب استخدام HWAddressSanitizer (HWASan). يرصد HWASan انتهاكات أمان الذاكرة بشكل موثوق في الذاكرة المؤقتة والذاكرة العشوائية والمتغيرات الشاملة. قد يؤدي تشغيل تطبيقك باستخدام HWASan إلى إعادة إنتاج النتيجة نفسها التي تم الإبلاغ عنها بواسطة GWP-ASan بشكل موثوق.

في الحالات التي لا يكون فيها تشغيل تطبيقك ضمن HWASan كافيًا لتحديد السبب الأساسي للخطأ، يجب محاولة تعذير الرمز المعني. يمكنك توجيه جهودك المبهمة استنادًا إلى المعلومات الواردة في تقرير GWP-ASan الذي يمكن أن يكتشف ويكشف مشاكل سلامة الرمز الأساسية بشكل موثوق.

مثال

يتضمّن هذا المثال على رمز برمجي أصلي خطأً في استخدام الذاكرة العشوائية بعد تحريرها:

#include <jni.h>
#include <string>
#include <string_view>

jstring native_get_string(JNIEnv* env) {
   std::string s = "Hellooooooooooooooo ";
   std::string_view sv = s + "World\n";

   // BUG: Use-after-free. `sv` holds a dangling reference to the ephemeral
   // string created by `s + "World\n"`. Accessing the data here is a
   // use-after-free.
   return env->NewStringUTF(sv.data());
}

extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_android11_test_gwpasan_MainActivity_nativeGetString(
    JNIEnv* env, jobject /* this */) {
  // Repeat the buggy code a few thousand times. GWP-ASan has a small chance
  // of detecting the use-after-free every time it happens. A single user who
  // triggers the use-after-free thousands of times will catch the bug once.
  // Alternatively, if a few thousand users each trigger the bug a single time,
  // you'll also get one report (this is the assumed model).
  jstring return_string;
  for (unsigned i = 0; i < 0x10000; ++i) {
    return_string = native_get_string(env);
  }

  return reinterpret_cast<jstring>(env->NewGlobalRef(return_string));
}

لإجراء اختبار باستخدام رمز النموذج أعلاه، رصد أداة GWP-ASan الاستخدام غير القانوني بنجاح وشغّل تقرير الأعطال أدناه. عملت أداة GWP-ASan على تحسين التقرير تلقائيًا من خلال توفير معلومات حول نوع العطل والبيانات الوصفية للتخصيص وعمليات تتبُّع تسلسل استدعاء الدوال البرمجية والتخصيص المرتبطتَين.

*** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** ***
Build fingerprint: 'google/sargo/sargo:10/RPP3.200320.009/6360804:userdebug/dev-keys'
Revision: 'PVT1.0'
ABI: 'arm64'
Timestamp: 2020-04-06 18:27:08-0700
pid: 16227, tid: 16227, name: 11.test.gwpasan  >>> android11.test.gwpasan <<<
uid: 10238
signal 11 (SIGSEGV), code 2 (SEGV_ACCERR), fault addr 0x736ad4afe0
Cause: [GWP-ASan]: Use After Free on a 32-byte allocation at 0x736ad4afe0

backtrace:
      #00 pc 000000000037a090  /apex/com.android.art/lib64/libart.so (art::(anonymous namespace)::ScopedCheck::CheckNonHeapValue(char, art::(anonymous namespace)::JniValueType)+448)
      #01 pc 0000000000378440  /apex/com.android.art/lib64/libart.so (art::(anonymous namespace)::ScopedCheck::CheckPossibleHeapValue(art::ScopedObjectAccess&, char, art::(anonymous namespace)::JniValueType)+204)
      #02 pc 0000000000377bec  /apex/com.android.art/lib64/libart.so (art::(anonymous namespace)::ScopedCheck::Check(art::ScopedObjectAccess&, bool, char const*, art::(anonymous namespace)::JniValueType*)+612)
      #03 pc 000000000036dcf4  /apex/com.android.art/lib64/libart.so (art::(anonymous namespace)::CheckJNI::NewStringUTF(_JNIEnv*, char const*)+708)
      #04 pc 000000000000eda4  /data/app/android11.test.gwpasan/lib/arm64/libmy-test.so (_JNIEnv::NewStringUTF(char const*)+40)
      #05 pc 000000000000eab8  /data/app/android11.test.gwpasan/lib/arm64/libmy-test.so (native_get_string(_JNIEnv*)+144)
      #06 pc 000000000000edf8  /data/app/android11.test.gwpasan/lib/arm64/libmy-test.so (Java_android11_test_gwpasan_MainActivity_nativeGetString+44)
      ...

deallocated by thread 16227:
      #00 pc 0000000000048970  /apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so (gwp_asan::AllocationMetadata::CallSiteInfo::RecordBacktrace(unsigned long (*)(unsigned long*, unsigned long))+80)
      #01 pc 0000000000048f30  /apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so (gwp_asan::GuardedPoolAllocator::deallocate(void*)+184)
      #02 pc 000000000000f130  /data/app/android11.test.gwpasan/lib/arm64/libmy-test.so (std::__ndk1::_DeallocateCaller::__do_call(void*)+20)
      ...
      #08 pc 000000000000ed6c  /data/app/android11.test.gwpasan/lib/arm64/libmy-test.so (std::__ndk1::basic_string<char, std::__ndk1::char_traits<char>, std::__ndk1::allocator<char> >::~basic_string()+100)
      #09 pc 000000000000ea90  /data/app/android11.test.gwpasan/lib/arm64/libmy-test.so (native_get_string(_JNIEnv*)+104)
      #10 pc 000000000000edf8  /data/app/android11.test.gwpasan/lib/arm64/libmy-test.so (Java_android11_test_gwpasan_MainActivity_nativeGetString+44)
      ...

allocated by thread 16227:
      #00 pc 0000000000048970  /apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so (gwp_asan::AllocationMetadata::CallSiteInfo::RecordBacktrace(unsigned long (*)(unsigned long*, unsigned long))+80)
      #01 pc 0000000000048e4c  /apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so (gwp_asan::GuardedPoolAllocator::allocate(unsigned long)+368)
      #02 pc 000000000003b258  /apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so (gwp_asan_malloc(unsigned long)+132)
      #03 pc 000000000003bbec  /apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so (malloc+76)
      #04 pc 0000000000010414  /data/app/android11.test.gwpasan/lib/arm64/libmy-test.so (operator new(unsigned long)+24)
      ...
      #10 pc 000000000000ea6c  /data/app/android11.test.gwpasan/lib/arm64/libmy-test.so (native_get_string(_JNIEnv*)+68)
      #11 pc 000000000000edf8  /data/app/android11.test.gwpasan/lib/arm64/libmy-test.so (Java_android11_test_gwpasan_MainActivity_nativeGetString+44)
      ...

مزيد من المعلومات

لمزيد من المعلومات حول تفاصيل تنفيذ GWP-ASan، يمكنك الاطّلاع على مستندات LLVM. لمزيد من المعلومات حول تقارير أعطال Android الأصلية، يُرجى الاطّلاع على تشخيص أعطال التطبيقات الأصلية.