GWP-ASan

Przegląd

Narzędzie GWP-ASan jest włączane w niektórych losowo wybranych aplikacjach systemowych i elementach wykonywalnych platformy podczas uruchamiania procesu (lub gdy rozwidla się zygote). Włącz GWP-ASan w swojej aplikacji, aby łatwiej znajdować błędy związane z pamięcią i przygotować aplikację do obsługi rozszerzenia ARM Memory Tagging Extension (MTE). Mechanizmy próbkowania alokacji zapewniają też niezawodność względem zapytań o śmierć.

Po włączeniu GWP-ASan przechwytuje losowo wybrany podzbiór alokacji sterty i umieszcza je w specjalnym regionie, który wychwytuje trudne do wykrycia błędy związane z uszkodzeniem pamięci sterty. Przy wystarczającej liczbie użytkowników nawet tak niska częstotliwość próbkowania znajdzie błędy związane z bezpieczeństwem pamięci sterty, których nie udało się znaleźć podczas regularnych testów. Na przykład zespół GWP-ASan znalazł dużą liczbę błędów w przeglądarce Chrome (wiele z nich nadal znajduje się w widoku z ograniczonym dostępem).

GWP-ASan zbiera dodatkowe informacje o wszystkich przechwytywanych przydziałach. Informacje te są dostępne, gdy GWP-ASan wykryje naruszenie bezpieczeństwa pamięci i są automatycznie umieszczane w raporcie o awariach natywnych, co może znacznie ułatwić debugowanie (patrz przykład).

Narzędzie GWP-ASan nie powoduje znacznego obciążenia procesora. GWP-ASan wprowadza niewielki, stały narzut pamięci RAM po włączeniu. Ten nadmiar jest określany przez system Android i obecnie wynosi około 70 kibibajtów (KiB) dla każdego procesu, którego dotyczy problem.

Włączanie aplikacji

Aplikację GWP-ASan można włączać na poziomie poszczególnych procesów przy użyciu tagu android:gwpAsanMode w pliku manifestu aplikacji. Obsługiwane są te opcje:

• Zawsze wyłączona (android:gwpAsanMode="never"): to ustawienie całkowicie wyłącza GWP-ASan w aplikacji i jest domyślnym ustawieniem dla aplikacji niesystemowych.

• Domyślnie (android:gwpAsanMode="default" lub nieokreślony): Android 13 (poziom interfejsu API 33) i niższy – GWP-ASan jest wyłączony. Android 14 (poziom interfejsu API 34) i wyższy – włączona jest opcja Recoverable GWP-ASan.

• Zawsze włączone (android:gwpAsanMode="always"): to ustawienie włącza GWP-ASan w aplikacji, w tym:

  1. System operacyjny rezerwuje stałą ilość pamięci RAM na potrzeby operacji GWP-ASan – około 70 KiB na każdy proces, którego dotyczy problem. (Jeśli aplikacja nie jest krytycznie podatna na wzrost wykorzystania pamięci, włącz GWP-ASan).

  2. GWP-ASan przechwytuje losowo wybrany podzbiór alokacji sterty i umieszcza je w specjalnym regionie, który niezawodnie wykrywa naruszenia zasad bezpieczeństwa pamięci.

  3. Jeśli w specjalnym regionie doszło do naruszenia bezpieczeństwa pamięci, GWP-ASan kończy ten proces.

  4. GWP-ASan udostępnia dodatkowe informacje o błędzie w raporcie o awariach.

Aby globalnie włączyć GWP-ASan w aplikacji, dodaj do pliku AndroidManifest.xml te dane:

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

Dodatkowo możesz włączyć lub wyłączyć GWP-ASan w przypadku określonych podprocesów aplikacji. Możesz kierować reklamy na działania i usługi za pomocą procesów, które zostały wyraźnie włączone lub wyłączone z GWP-ASan. Oto przykład:

<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>

Odzyskiwanie GWP-ASan

Android w wersji 14 (poziom interfejsu API 34) lub wyższego poziomu obsługuje funkcję Recoverable GWP-ASan, która pomaga programistom znajdować w środowisku produkcyjnym błędy związane z przepełnieniem bufora i używaniem sterty bez obniżania wygody użytkownika. Jeśli właściwość android:gwpAsanMode nie jest określona w AndroidManifest.xml, aplikacja używa kodu GWP-ASan z możliwością przywrócenia.

GWP-ASan, który można odzyskać, różni się od GWP-ASan tym, że:

1. Funkcja GWP-ASan, którą można przywrócić, jest włączana tylko przy około 1% uruchomień aplikacji, a nie przy każdym uruchomieniu.
2. W przypadku wykrycia błędu „heap-use-after-free” lub „przepełnienia bufora sterty” pojawia się on w raporcie o awariach (tombstone). Ten raport o awariach jest dostępny przez interfejs API ActivityManager#getHistoricalProcessExitReasons, tak samo jak w przypadku oryginalnej aplikacji GWP-ASan.
3. Zamiast zamykania po zrzucie raportu o awarii można przywrócić GWP-ASan, aby możliwe było uszkodzenie pamięci, a aplikacja będzie nadal działać. Chociaż ten proces może przebiegać w zwykły sposób, działanie aplikacji nie jest już określone. Z powodu uszkodzenia pamięci aplikacja może ulec awarii w dowolnym momencie w przyszłości lub działać dalej bez negatywnego wpływu na działanie usługi.
4. Funkcja odzyskiwania (GWP-ASan) jest wyłączona po zrzucie raportu o awarii. W związku z tym każde uruchomienie aplikacji może otrzymać tylko 1 raport GWP-ASan, który można przywrócić.
5. Jeśli w aplikacji jest zainstalowany niestandardowy moduł obsługi sygnałów, nigdy nie jest on wywoływany w celu dostarczenia sygnału SIGSEGV, który wskazuje na możliwe do naprawienia błąd GWP-ASan.

Możliwe do odzyskania awarie GWP-ASan wskazują na prawdziwe przypadki uszkodzenia pamięci na urządzeniach użytkowników, dlatego zdecydowanie zalecamy sklasyfikowanie i naprawienie błędów zidentyfikowanych przez Recoverable GWP-ASan o wysokim priorytecie.

Pomoc dla programistów

W tych sekcjach opisujemy problemy, które mogą wystąpić podczas korzystania z GWP-ASan, oraz sposoby ich rozwiązywania.

Brak śladów alokacji/transakcji

Jeśli diagnozujesz awarię natywną, w której brakuje ramek alokacji/oddzielania, w Twojej aplikacji prawdopodobnie brakuje wskaźników ramek. GWP-ASan używa wskaźników ramek do rejestrowania logów czasu alokacji i transakcji ze względu na wydajność. Nie może cofnąć zrzutu stosu, jeśli ich nie ma.

Wskaźniki ramek są domyślnie włączone na urządzeniach Arm64 i domyślnie wyłączone na urządzeniach Arm32. Ponieważ aplikacje nie mają kontroli nad biblioteką biblioteczną, GWP-ASan nie może zbierać logów czasu alokacji/dealokacji w przypadku 32-bitowych plików wykonywalnych lub aplikacji. Aplikacje 64-bitowe powinny się upewnić, że nie są tworzone z wykorzystaniem protokołu -fomit-frame-pointer, aby GWP-ASan mógł zbierać zrzuty stosu alokacji i transakcji.

Odtwarzanie naruszeń bezpieczeństwa

Narzędzie GWP-ASan służy do wykrywania naruszeń bezpieczeństwa pamięci sterty na urządzeniach użytkowników. GWP-ASan zapewnia jak najwięcej informacji na temat awarii (zrzut dostępu do danych o naruszeniu, ciąg znaków powodujący oraz ślady przydziału/rozdzielania), ale trudno jest wywnioskować, jak doszło do naruszenia. Niestety rozpoznanie błędu jest bardzo prawdopodobne, dlatego odtworzenie raportu GWP-ASan na urządzeniu lokalnym jest często trudne.

W takich przypadkach, jeśli błąd dotyczy urządzeń 64-bitowych, należy użyć metody HWAddressSanitizer (HWASan). HWASan niezawodnie wykrywa naruszenia zasad bezpieczeństwa pamięci w stosie, stercie i globalnej. Uruchomienie aplikacji przy użyciu HWASan może niezawodnie odtworzyć ten sam wynik co raport GWP-ASan.

Jeśli uruchomienie aplikacji przy użyciu systemu HWASan jest niewystarczające do wywołania głównego błędu, należy spróbować zdezorientować dany kod. Efektywność rozmycia możesz ukierunkować na podstawie informacji z raportu GWP-ASan, który może skutecznie wykryć i wykryć potencjalne problemy ze stanem kodu.

Przykład

W tym przykładowym kodzie natywnym występuje błąd związany ze stertą użycia po wolnym działaniu:

#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));
}

W ramach testu z użyciem powyższego przykładowego kodu aplikacja GWP-ASan wykryła niedozwolone działanie i wygenerowała raport o awariach poniżej. Zespół GWP-ASan automatycznie wzbogacił raport o informacje o typie awarii, metadanych alokacji oraz powiązanych z nimi alokacjach i śladach stosu transakcji.

*** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** ***
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)
      ...

Więcej informacji

Więcej informacji o implementacji GWP-ASan znajdziesz w dokumentacji LLVM. Więcej informacji o raportach o natywnych awariach Androida znajdziesz w artykule Diagnozowanie awarii natywnych.