记一起由 Clang 编译器优化触发的 Crash

摘要：一个有意思的 Crash 探究过程，Clang 有 GCC 没有

本文首发于 Nebula Graph 官方博客：https://nebula-graph.com.cn/posts/troubleshooting-crash-clang-compiler-optimization/

如果有人告诉你，下面的 C++ 函数会导致程序 crash，你会想到哪些原因呢？

std::string b2s(bool b) {
    return b ? "true" : "false";
}

如果再多给一些描述，比如：

• Crash 以一定的概率复现
• Crash 原因是段错误（SIGSEGV）
• 现场的 Backtrace 经常是不完整甚至完全丢失的。
• 只有优化级别在 -O2 以上才会（更容易）复现
• 仅在 Clang 下复现，GCC 复现不了

好了，一些老鸟可能已经有线索了，下面给出一个最小化的复现程序和步骤：

// file crash.cpp
#include <iostream>
#include <string>

std::string __attribute__((noinline)) b2s(bool b) {
    return b ? "true" : "false";
}

union {
    unsigned char c;
    bool b;
} volatile u;

int main() {
    u.c = 0x80;
    std::cout << b2s(u.b) << std::endl;
    return 0;
}

$ clang++ -O2 crash.cpp
$ ./a.out
truefalse,d$x4DdzRx

Segmentation fault (core dumped)

$ gdb ./a.out core.3699
Core was generated by `./a.out'.
Program terminated with signal SIGSEGV, Segmentation fault.
#0  0x0000012cfffff0d4 in ?? ()
(gdb) bt
#0  0x0000012cfffff0d4 in ?? ()
#1  0x00000064fffff0f4 in ?? ()
#2  0x00000078fffff124 in ?? ()
#3  0x000000b4fffff1e4 in ?? ()
#4  0x000000fcfffff234 in ?? ()
#5  0x00000144fffff2f4 in ?? ()
#6  0x0000018cfffff364 in ?? ()
#7  0x0000000000000014 in ?? ()
#8  0x0110780100527a01 in ?? ()
#9  0x0000019008070c1b in ?? ()
#10 0x0000001c00000010 in ?? ()
#11 0x0000002ffffff088 in ?? ()
#12 0xe2ab001010074400 in ?? ()
#13 0x0000000000000000 in ?? ()

因为 backtrace 信息不完整，说明程序并不是在第一时间 crash 的。面对这种情况，为了快速找出第一现场，我们可以试试 AddressSanitizer（ASan）：

$ clang++ -g -O2 -fno-omit-frame-pointer -fsanitize=address crash.cpp
$ ./a.out
=================================================================
==3699==ERROR: AddressSanitizer: global-buffer-overflow on address 0x000000552805 at pc 0x0000004ff83a bp 0x7ffd7610d240 sp 0x7ffd7610c9f0
READ of size 133 at 0x000000552805 thread T0
    #0 0x4ff839 in __asan_memcpy (a.out+0x4ff839)
    #1 0x5390a7 in b2s[abi:cxx11](bool) crash.cpp:6
    #2 0x5391be in main crash.cpp:16:18
    #3 0x7faed604df42 in __libc_start_main (/usr/lib64/libc.so.6+0x23f42)
    #4 0x41c43d in _start (a.out+0x41c43d)

0x000000552805 is located 59 bytes to the left of global variable '<string literal>' defined in 'crash.cpp:6:25' (0x552840) of size 6
  '<string literal>' is ascii string 'false'
0x000000552805 is located 0 bytes to the right of global variable '<string literal>' defined in 'crash.cpp:6:16' (0x552800) of size 5
  '<string literal>' is ascii string 'true'
SUMMARY: AddressSanitizer: global-buffer-overflow (/home/dutor.hou/Wdir/nebula-graph/build/bug/a.out+0x4ff839) in __asan_memcpy
Shadow bytes around the buggy address:
…
...

从 ASan 给出的信息，我们可以定位到是函数 b2s(bool) 在读取字符串常量 "true" 的时候，发生了“全局缓冲区溢出”。好了，我们再次以上帝视角审视一下问题函数和复现程序，“似乎”可以得出结论：因为 b2s 的布尔类型参数 b 没有初始化，所以 b 中存储的是一个 0 和 1 之外的值[1]。那么问题来了，为什么 b 的这种取值会导致“缓冲区溢出”呢？感兴趣的可以将 b 的类型由 bool 改成 char 或者 int，问题就可以得到修复。

想要解答这个问题，我们不得不看下 clang++ 为 b2s 生成了怎样的指令（之前我们提到 GCC 下没有出现 crash，所以问题可能和代码生成有关）。在此之前，我们应该了解：

• 样例程序中，b2s 的返回值是一个临时的 std::string 对象，是保存在栈上的
• C++ 11 之后，GCC 的 std::string 默认实现使用了 SBO（Small Buffer Optimization），其定义大致为 std::string{ char *ptr; size_t size; union{ char buf[16]; size_t capacity}; }。对于长度小于 16 的字符串，不需要额外申请内存。

OK，那我们现在来看一下 b2s 的反汇编并给出关键注解：

(gdb) disas b2s
Dump of assembler code for function b2s[abi:cxx11](bool):
   0x00401200 <+0>:     push   %r14
   0x00401202 <+2>:     push   %rbx
   0x00401203 <+3>:     push   %rax
   0x00401204 <+4>:     mov    %rdi,%r14         # 将返回值(string)的起始地址保存到 r14
   0x00401207 <+7>:     mov    $0x402010,%ecx    # 将 "true" 的起始地址保存至 ecx
   0x0040120c <+12>:    mov    $0x402015,%eax    # 将 "false" 的起始地址保存至 eax
   0x00401211 <+17>:    test   %esi,%esi         # “测试” 参数 b 是否非零
   0x00401213 <+19>:    cmovne %rcx,%rax         # 如果 b 非零，则将 "true" 地址保存至 rax
   0x00401217 <+23>:    lea    0x10(%rdi),%rdi   # 将 string 中的 buf 起始地址保存至 rdi
                                                 # （同时也是后面 memcpy 的第一个参数）
   0x0040121b <+27>:    mov    %rdi,(%r14)       # 将 rdi 保存至 string 的 ptr 字段，即 SBO
   0x0040121e <+30>:    mov    %esi,%ebx         # 将 b 的值保存至 ebx
   0x00401220 <+32>:    xor    $0x5,%rbx         # 将 0x5 异或到 rbx（也即 ebx）
                                                 # 注意，如果 rbx 非 0 即 1，那么 rbx 保存的就是 4 或 5，
                                                 # 即 "true" 或 "false" 的长度 
   0x00401224 <+36>:    mov    %rax,%rsi         # 将字符串起始地址保存至 rsi，即 memcpy 的第二个参数
   0x00401227 <+39>:    mov    %rbx,%rdx         # 将字符串的长度保存至 rdx，即 memcpy 的第三个参数
   0x0040122a <+42>:    callq  <memcpy@plt>      # 调用 memcpy
   0x0040122f <+47>:    mov    %rbx,0x8(%r14)    # 将字符串长度保存到 string::size
   0x00401233 <+51>:    movb   $0x0,0x10(%r14,%rbx,1)  # 将 string 以 '\0' 结尾
   0x00401239 <+57>:    mov    %r14,%rax         # 将 string 地址保存至 rax，即返回值
   0x0040123c <+60>:    add    $0x8,%rsp
   0x00401240 <+64>:    pop    %rbx
   0x00401241 <+65>:    pop    %r14
   0x00401243 <+67>:    retq
End of assembler dump.

到这里，问题就无比清晰了：

1. clang++ 假设了 bool 类型的值非 0 即 1
2. 在编译期，”true” 和 ”false” 长度已知
3. 使用异或指令（ 0x5 ^ false == 5, 0x5 ^ true == 4）计算要拷贝的字符串的长度
4. 当 bool 类型不符合假设时，长度计算错误
5. 因为 memcpy 目标地址在栈上（仅对本例而言），因此栈上的缓冲区也可能溢出，从而导致程序跑飞，backtrace 缺失。

注：

1. C++ 标准要求 bool 类型至少_能够_表示两个状态： true 和 false ，但并没有规定 sizeof(bool) 的大小。但在几乎所有的编译器实现上， bool 都占用一个寻址单位，即字节。因此，从存储角度，取值范围为 0x00-0xFF，即 256 个状态。

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