Quelle  syscall_numbering.c   Sprache: C

/* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
/*
 * syscall_numbering.c - test calling the x86-64 kernel with various
 * valid and invalid system call numbers.
 *
 * Copyright (c) 2018 Andrew Lutomirski
 */

#define _GNU_SOURCE

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <limits.h>
#include <signal.h>
#include <sysexits.h>

#include <sys/ptrace.h>
#include <sys/user.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/mman.h>

#include <linux/ptrace.h>
#include "../kselftest.h"

/* Common system call numbers */
#define SYS_READ   0
#define SYS_WRITE   1
#define SYS_GETPID  39
/* x64-only system call numbers */
#define X64_IOCTL  16
#define X64_READV  19
#define X64_WRITEV  20
/* x32-only system call numbers (without X32_BIT) */
#define X32_IOCTL 514
#define X32_READV 515
#define X32_WRITEV 516

#define X32_BIT 0x40000000

static int nullfd = -1;  /* File descriptor for /dev/null */
static bool with_x32;  /* x32 supported on this kernel? */

enum ptrace_pass {
 PTP_NOTHING,
 PTP_GETREGS,
 PTP_WRITEBACK,
 PTP_FUZZRET,
 PTP_FUZZHIGH,
 PTP_INTNUM,
 PTP_DONE
};

static const char * const ptrace_pass_name[] =
{
 [PTP_NOTHING] = "just stop, no data read",
 [PTP_GETREGS] = "only getregs",
 [PTP_WRITEBACK] = "getregs, unmodified setregs",
 [PTP_FUZZRET] = "modifying the default return",
 [PTP_FUZZHIGH] = "clobbering the top 32 bits",
 [PTP_INTNUM] = "sign-extending the syscall number",
};

/*
 * Shared memory block between tracer and test
 */
struct shared {
 unsigned int nerr; /* Total error count */
 unsigned int indent; /* Message indentation level */
 enum ptrace_pass ptrace_pass;
 bool probing_syscall; /* In probe_syscall() */
};
static volatile struct shared *sh;

static inline unsigned int offset(void)
{
 unsigned int level = sh ? sh->indent : 0;

 return 8 + level * 4;
}

#define msg(lvl, fmt, ...) printf("%-*s" fmt, offset(), "[" #lvl "]", \
      ## __VA_ARGS__)

#define run(fmt, ...)  msg(RUN,  fmt, ## __VA_ARGS__)
#define info(fmt, ...) msg(INFO, fmt, ## __VA_ARGS__)
#define ok(fmt, ...)   msg(OK,   fmt, ## __VA_ARGS__)

#define fail(fmt, ...)     \
 do {      \
  msg(FAIL, fmt, ## __VA_ARGS__);  \
  sh->nerr++;    \
       } while (0)

#define crit(fmt, ...)     \
 do {      \
  sh->indent = 0;    \
  msg(FAIL, fmt, ## __VA_ARGS__);  \
  msg(SKIP, "Unable to run test\n"); \
  exit(EX_OSERR);    \
       } while (0)

/* Sentinel for ptrace-modified return value */
#define MODIFIED_BY_PTRACE -9999

/*
 * Directly invokes the given syscall with nullfd as the first argument
 * and the rest zero. Avoids involving glibc wrappers in case they ever
 * end up intercepting some system calls for some reason, or modify
 * the system call number itself.
 */
static long long probe_syscall(int msb, int lsb)
{
 register long long arg1 asm("rdi") = nullfd;
 register long long arg2 asm("rsi") = 0;
 register long long arg3 asm("rdx") = 0;
 register long long arg4 asm("r10") = 0;
 register long long arg5 asm("r8")  = 0;
 register long long arg6 asm("r9")  = 0;
 long long nr = ((long long)msb << 32) | (unsigned int)lsb;
 long long ret;

 /*
 * We pass in an extra copy of the extended system call number
 * in %rbx, so we can examine it from the ptrace handler without
 * worrying about it being possibly modified. This is to test
 * the validity of struct user regs.orig_rax a.k.a.
 * struct pt_regs.orig_ax.
 */
 sh->probing_syscall = true;
 asm volatile("syscall"
       : "=a" (ret)
       : "a" (nr), "b" (nr),
         "r" (arg1), "r" (arg2), "r" (arg3),
         "r" (arg4), "r" (arg5), "r" (arg6)
       : "rcx", "r11", "memory", "cc");
 sh->probing_syscall = false;

 return ret;
}

static const char *syscall_str(int msb, int start, int end)
{
 static char buf[64];
 const char * const type = (start & X32_BIT) ? "x32" : "x64";
 int lsb = start;

 /*
 * Improve readability by stripping the x32 bit, but round
 * toward zero so we don't display -1 as -1073741825.
 */
 if (lsb < 0)
  lsb |= X32_BIT;
 else
  lsb &= ~X32_BIT;

 if (start == end)
  snprintf(buf, sizeof buf, "%s syscall %d:%d",
    type, msb, lsb);
 else
  snprintf(buf, sizeof buf, "%s syscalls %d:%d..%d",
    type, msb, lsb, lsb + (end-start));

 return buf;
}

static unsigned int _check_for(int msb, int start, int end, long long expect,
          const char *expect_str)
{
 unsigned int err = 0;

 sh->indent++;
 if (start != end)
  sh->indent++;

 for (int nr = start; nr <= end; nr++) {
  long long ret = probe_syscall(msb, nr);

  if (ret != expect) {
   fail("%s returned %lld, but it should have returned %s\n",
          syscall_str(msb, nr, nr),
          ret, expect_str);
   err++;
  }
 }

 if (start != end)
  sh->indent--;

 if (err) {
  if (start != end)
   fail("%s had %u failure%s\n",
        syscall_str(msb, start, end),
        err, err == 1 ? "s" : "");
 } else {
  ok("%s returned %s as expected\n",
     syscall_str(msb, start, end), expect_str);
 }

 sh->indent--;

 return err;
}

#define check_for(msb,start,end,expect) \
 _check_for(msb,start,end,expect,#expect)

static bool check_zero(int msb, int nr)
{
 return check_for(msb, nr, nr, 0);
}

static bool check_enosys(int msb, int nr)
{
 return check_for(msb, nr, nr, -ENOSYS);
}

/*
 * Anyone diagnosing a failure will want to know whether the kernel
 * supports x32. Tell them. This can also be used to conditionalize
 * tests based on existence or nonexistence of x32.
 */
static bool test_x32(void)
{
 long long ret;
 pid_t mypid = getpid();

 run("Checking for x32 by calling x32 getpid()\n");
 ret = probe_syscall(0, SYS_GETPID | X32_BIT);

 sh->indent++;
 if (ret == mypid) {
  info("x32 is supported\n");
  with_x32 = true;
 } else if (ret == -ENOSYS) {
  info("x32 is not supported\n");
  with_x32 = false;
 } else {
  fail("x32 getpid() returned %lld, but it should have returned either %lld or -ENOSYS\n", ret, (long long)mypid);
  with_x32 = false;
 }
 sh->indent--;
 return with_x32;
}

static void test_syscalls_common(int msb)
{
 enum ptrace_pass pass = sh->ptrace_pass;

 run("Checking some common syscalls as 64 bit\n");
 check_zero(msb, SYS_READ);
 check_zero(msb, SYS_WRITE);

 run("Checking some 64-bit only syscalls as 64 bit\n");
 check_zero(msb, X64_READV);
 check_zero(msb, X64_WRITEV);

 run("Checking out of range system calls\n");
 check_for(msb, -64, -2, -ENOSYS);
 if (pass >= PTP_FUZZRET)
  check_for(msb, -1, -1, MODIFIED_BY_PTRACE);
 else
  check_for(msb, -1, -1, -ENOSYS);
 check_for(msb, X32_BIT-64, X32_BIT-1, -ENOSYS);
 check_for(msb, -64-X32_BIT, -1-X32_BIT, -ENOSYS);
 check_for(msb, INT_MAX-64, INT_MAX-1, -ENOSYS);
}

static void test_syscalls_with_x32(int msb)
{
 /*
 * Syscalls 512-547 are "x32" syscalls.  They are
 * intended to be called with the x32 (0x40000000) bit
 * set.  Calling them without the x32 bit set is
 * nonsense and should not work.
 */
 run("Checking x32 syscalls as 64 bit\n");
 check_for(msb, 512, 547, -ENOSYS);

 run("Checking some common syscalls as x32\n");
 check_zero(msb, SYS_READ   | X32_BIT);
 check_zero(msb, SYS_WRITE  | X32_BIT);

 run("Checking some x32 syscalls as x32\n");
 check_zero(msb, X32_READV  | X32_BIT);
 check_zero(msb, X32_WRITEV | X32_BIT);

 run("Checking some 64-bit syscalls as x32\n");
 check_enosys(msb, X64_IOCTL  | X32_BIT);
 check_enosys(msb, X64_READV  | X32_BIT);
 check_enosys(msb, X64_WRITEV | X32_BIT);
}

static void test_syscalls_without_x32(int msb)
{
 run("Checking for absence of x32 system calls\n");
 check_for(msb, 0 | X32_BIT, 999 | X32_BIT, -ENOSYS);
}

static void test_syscall_numbering(void)
{
 static const int msbs[] = {
  0, 1, -1, X32_BIT-1, X32_BIT, X32_BIT-1, -X32_BIT, INT_MAX,
  INT_MIN, INT_MIN+1
 };

 sh->indent++;

 /*
 * The MSB is supposed to be ignored, so we loop over a few
 * to test that out.
 */
 for (size_t i = 0; i < ARRAY_SIZE(msbs); i++) {
  int msb = msbs[i];
  run("Checking system calls with msb = %d (0x%x)\n",
      msb, msb);

  sh->indent++;

  test_syscalls_common(msb);
  if (with_x32)
   test_syscalls_with_x32(msb);
  else
   test_syscalls_without_x32(msb);

  sh->indent--;
 }

 sh->indent--;
}

static void syscall_numbering_tracee(void)
{
 enum ptrace_pass pass;

 if (ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, 0, 0)) {
  crit("Failed to request tracing\n");
  return;
 }
 raise(SIGSTOP);

 for (sh->ptrace_pass = pass = PTP_NOTHING; pass < PTP_DONE;
      sh->ptrace_pass = ++pass) {
  run("Running tests under ptrace: %s\n", ptrace_pass_name[pass]);
  test_syscall_numbering();
 }
}

static void mess_with_syscall(pid_t testpid, enum ptrace_pass pass)
{
 struct user_regs_struct regs;

 sh->probing_syscall = false; /* Do this on entry only */

 /* For these, don't even getregs */
 if (pass == PTP_NOTHING || pass == PTP_DONE)
  return;

 ptrace(PTRACE_GETREGS, testpid, NULL, ®s);

 if (regs.orig_rax != regs.rbx) {
  fail("orig_rax %#llx doesn't match syscall number %#llx\n",
       (unsigned long long)regs.orig_rax,
       (unsigned long long)regs.rbx);
 }

 switch (pass) {
 case PTP_GETREGS:
  /* Just read, no writeback */
  return;
 case PTP_WRITEBACK:
  /* Write back the same register state verbatim */
  break;
 case PTP_FUZZRET:
  regs.rax = MODIFIED_BY_PTRACE;
  break;
 case PTP_FUZZHIGH:
  regs.rax = MODIFIED_BY_PTRACE;
  regs.orig_rax = regs.orig_rax | 0xffffffff00000000ULL;
  break;
 case PTP_INTNUM:
  regs.rax = MODIFIED_BY_PTRACE;
  regs.orig_rax = (int)regs.orig_rax;
  break;
 default:
  crit("invalid ptrace_pass\n");
  break;
 }

 ptrace(PTRACE_SETREGS, testpid, NULL, ®s);
}

static void syscall_numbering_tracer(pid_t testpid)
{
 int wstatus;

 do {
  pid_t wpid = waitpid(testpid, &wstatus, 0);
  if (wpid < 0 && errno != EINTR)
   break;
  if (wpid != testpid)
   continue;
  if (!WIFSTOPPED(wstatus))
   break; /* Thread exited? */

  if (sh->probing_syscall && WSTOPSIG(wstatus) == SIGTRAP)
   mess_with_syscall(testpid, sh->ptrace_pass);
 } while (sh->ptrace_pass != PTP_DONE &&
   !ptrace(PTRACE_SYSCALL, testpid, NULL, NULL));

 ptrace(PTRACE_DETACH, testpid, NULL, NULL);

 /* Wait for the child process to terminate */
 while (waitpid(testpid, &wstatus, 0) != testpid || !WIFEXITED(wstatus))
  /* wait some more */;
}

static void test_traced_syscall_numbering(void)
{
 pid_t testpid;

 /* Launch the test thread; this thread continues as the tracer thread */
 testpid = fork();

 if (testpid < 0) {
  crit("Unable to launch tracer process\n");
 } else if (testpid == 0) {
  syscall_numbering_tracee();
  _exit(0);
 } else {
  syscall_numbering_tracer(testpid);
 }
}

int main(void)
{
 unsigned int nerr;

 /*
 * It is quite likely to get a segfault on a failure, so make
 * sure the message gets out by setting stdout to nonbuffered.
 */
 setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0);

 /*
 * Harmless file descriptor to work on...
 */
 nullfd = open("/dev/null", O_RDWR);
 if (nullfd < 0) {
  crit("Unable to open /dev/null: %s\n", strerror(errno));
 }

 /*
 * Set up a block of shared memory...
 */
 sh = mmap(NULL, sysconf(_SC_PAGE_SIZE), PROT_READ|PROT_WRITE,
    MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED, 0, 0);
 if (sh == MAP_FAILED) {
  crit("Unable to allocated shared memory block: %s\n",
       strerror(errno));
 }

 with_x32 = test_x32();

 run("Running tests without ptrace...\n");
 test_syscall_numbering();

 test_traced_syscall_numbering();

 nerr = sh->nerr;
 if (!nerr) {
  ok("All system calls succeeded or failed as expected\n");
  return 0;
 } else {
  fail("A total of %u system call%s had incorrect behavior\n",
       nerr, nerr != 1 ? "s" : "");
  return 1;
 }
}