읽는 지도
locking/RCU/atomic 코드는 shared mutable state의 ordering과 lifetime을 보증하는 언어다. lock API를 외우는 것이 아니라 context, memory model, object lifetime을 하나의 그래프로 읽어야 한다.
함수 이름보다 입력 객체와 출력 객체를 먼저 본다. 이 토픽에서 어떤 구조체가 생성, 연결, publish, retire되는지 표시한다.
정상 경로와 실패 경로를 같은 무게로 본다. kernel code의 품질은 성공 path보다 error unwind, hotplug, teardown에서 더 잘 드러난다.
왼쪽은 입력 또는 상위 계층이고, 오른쪽으로 갈수록 실제 상태 변경이 커진다. 문C식으로 읽을 때는 이 그림을 먼저 머리에 놓고 코드 조각을 끼워 넣는다.
원본 코드 좌표
Linux 6.18.37 LTS에서 열 파일
Linux 6.18.37 LTS: include/linux/atomic/atomic-instrumented.h
Linux 6.18.37 LTS: include/linux/refcount.h
Linux 6.18.37 LTS: lib/refcount.c
설명: 첫 파일은 보통 진입 함수가 있는 곳이고, 나머지는 구조체 정의, architecture glue, callback 구현을 확인할 때 같이 연다. 파일을 여러 개 놓고 봐야 이 토픽의 boundary가 보인다.
대표 코드
refcount_warn_saturate
REFCOUNT_ADD_UAF,
REFCOUNT_SUB_UAF,
REFCOUNT_DEC_LEAK,
};
void refcount_warn_saturate(refcount_t *r, enum refcount_saturation_type t);
/**
* refcount_set - set a refcount's value
* @r: the refcount
* @n: value to which the refcount will be set
*/
static inline void refcount_set(refcount_t *r, int n)
{
atomic_set(&r->refs, n);
}
/**
* refcount_read - get a refcount's value
* @r: the refcount
*
* Return: the refcount's value
*/
static inline unsigned int refcount_read(const refcount_t *r)
{
return atomic_read(&r->refs);
}
static inline __must_check bool __refcount_add_not_zero(int i, refcount_t *r, int *oldp)
{
int old = refcount_read(r);
do {
if (!old)
break;
} while (!atomic_try_cmpxchg_relaxed(&r->refs, &old, old + i));
if (oldp)
*oldp = old;
읽는 법: 이 절편에서 먼저 볼 것은 return 값이 아니라 상태 변경이다. 어떤 lock을 잡은 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패하면 어느 label로 빠지는지, 그리고 바뀐 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 소비하는지 표시한다.
refcount_inc
* <---------- bad value! ---------->
*
* (in a signed view of the world, the "bad value" range corresponds to
* a negative counter value).
*
* As an example, consider a refcount_inc() operation that causes the counter
* to overflow:
*
* int old = atomic_fetch_add_relaxed(r);
* // old is INT_MAX, refcount now INT_MIN (0x8000_0000)
* if (old < 0)
* atomic_set(r, REFCOUNT_SATURATED);
*
* If another thread also performs a refcount_inc() operation between the two
* atomic operations, then the count will continue to edge closer to 0. If it
* reaches a value of 1 before /any/ of the threads reset it to the saturated
* value, then a concurrent refcount_dec_and_test() may erroneously free the
* underlying object.
* Linux limits the maximum number of tasks to PID_MAX_LIMIT, which is currently
* 0x400000 (and can't easily be raised in the future beyond FUTEX_TID_MASK).
* With the current PID limit, if no batched refcounting operations are used and
* the attacker can't repeatedly trigger kernel oopses in the middle of refcount
* operations, this makes it impossible for a saturated refcount to leave the
* saturation range, even if it is possible for multiple uses of the same
* refcount to nest in the context of a single task:
*
* (UINT_MAX+1-REFCOUNT_SATURATED) / PID_MAX_LIMIT =
* 0x40000000 / 0x400000 = 0x100 = 256
*
* If hundreds of references are added/removed with a single refcounting
* operation, it may potentially be possible to leave the saturation range; but
* given the precise timing details involved with the round-robin scheduling of
* each thread manipulating the refcount and the need to hit the race multiple
* times in succession, there doesn't appear to be a practical avenue of attack
* even if using refcount_add() operations with larger increments.
*
* Memory ordering
* ===============
*
* Memory ordering rules are slightly relaxed wrt regular atomic_t functions
읽는 법: 이 절편에서 먼저 볼 것은 return 값이 아니라 상태 변경이다. 어떤 lock을 잡은 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패하면 어느 label로 빠지는지, 그리고 바뀐 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 소비하는지 표시한다.
함수별 독해
작은 공유 상태와 object lifetime counter를 lock 없이 조작하되 memory ordering과 overflow safety를 명시해야 하는 영역이다.
이 섹션은 원본 코드 발췌를 함수 이름 단위로 끊어, 각 함수가 어떤 전제 조건을 만들고 다음 함수가 무엇을 소비하는지 추적한다.
각 노드는 독립 함수가 아니라 전제 조건을 생산하고 소비하는 연결점이다. 코드를 읽을 때는 노드 사이에서 어떤 필드가 바뀌는지 표시한다.
1. refcount_warn_saturate
refcount_warn_saturate 주변에서는 atomic_t를 중심으로 본다. 이 필드는 raw atomic counter 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 increment acquire 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.
원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 참조 획득을 전제로 삼을 수 있다.
자주 틀리는 해석: atomic operation을 자동 lock처럼 봄
2. refcount_inc
refcount_inc 주변에서는 refcount_t를 중심으로 본다. 이 필드는 saturating lifetime counter 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 publish store 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.
원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 다른 CPU에게 pointer 노출을 전제로 삼을 수 있다.
자주 틀리는 해석: refcount_t와 atomic_t overflow semantics 차이를 무시함
| 함수 | 입력 | 상태 변경 | 검증 질문 |
|---|---|---|---|
| refcount_warn_saturate | atomic_t, caller context, subsystem 전제 조건 | increment acquire: 참조 획득 | atomic operation을 자동 lock처럼 봄 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가 |
| refcount_inc | refcount_t, caller context, subsystem 전제 조건 | publish store: 다른 CPU에게 pointer 노출 | refcount_t와 atomic_t overflow semantics 차이를 무시함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가 |
구조체 / 필드 해설
여기서는 “어떤 구조체가 있다”가 아니라 그 필드가 어느 단계에서 쓰기 가능하고 어느 단계부터 관찰 가능한지를 본다. 박사급 리뷰에서는 필드의 뜻보다 보호 규칙이 먼저다.
필드는 구조체 안에 흩어져 있지만, 실제 실행에서는 위 순서로 의미가 이어진다.
| 필드 | 읽는 법 | 확인 |
|---|---|---|
| atomic_t | raw atomic counter | 누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인 |
| refcount_t | saturating lifetime counter | 누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인 |
| READ_ONCE/WRITE_ONCE | compiler visibility boundary | 누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인 |
| smp_mb/acquire/release | CPU ordering primitive | 누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인 |
상태 전이 그림
상태 전이를 따로 그리는 이유는 정상 path와 실패 path를 같은 표에서 보기 위해서다. 커널 regression은 흔히 마지막 상태가 아니라 중간 상태를 외부에 publish한 뒤 rollback하지 못해서 생긴다.
상태 전이는 단방향처럼 그렸지만, 실패 경로에서는 대부분 역순 rollback이 붙는다.
| 상태 | 의미 | 진입 조건 | 깨지는 지점 |
|---|---|---|---|
| increment acquire | 참조 획득 | 앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤 | 다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때 |
| publish store | 다른 CPU에게 pointer 노출 | 앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤 | 다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때 |
| decrement release | last put 후보 | 앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤 | 다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때 |
| free after zero | lifetime 종료 | 앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤 | 다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때 |
불변조건 / 실패 케이스
atomic/refcount 의 중심 객체가 publish된 뒤에는 마지막 참조가 사라지기 전까지 teardown path가 모든 callback, timer, IRQ, worker와 경합하지 않아야 한다.
상태 필드를 바꾼 뒤 다른 CPU나 하위 계층이 관찰할 수 있다면 lock, barrier, refcount, RCU 중 어느 장치가 visibility를 보장하는지 확인한다.
중간 단계 실패는 성공 단계의 역순으로 되돌아가야 한다. goto label이 많은 코드는 label 이름보다 어느 resource가 이미 획득됐는지를 표로 적는다.
embedded bring-up에서는 panic보다 silence, timeout, deferred probe, interrupt flood처럼 간접 증상으로 드러나는 경우가 많다.
atomic operation을 자동 lock처럼 봄
refcount_t와 atomic_t overflow semantics 차이를 무시함
memory ordering 없는 counter만으로 pointer visibility를 보장한다고 착각함
계측 / 검증
계측은 printk 위치 경쟁이 아니라 가설 검증이다. 먼저 위 상태표에서 멈춘 state를 정하고, 그 state를 바꾸는 함수와 그 결과를 소비하는 함수를 동시에 본다.
| 도구 | 보는 것 | 해석 |
|---|---|---|
| KCSAN | atomic/refcount 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
| refcount warnings | atomic/refcount 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
| LKMM litmus | atomic/refcount 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
| ftrace:refcount_warn_saturate | atomic/refcount 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
# 예시: tracefs가 켜진 보드에서 토픽별 event를 좁혀 본다.
mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing
echo function_graph > /sys/kernel/tracing/current_tracer
echo ':mod:*' > /sys/kernel/tracing/set_ftrace_filter
cat /sys/kernel/tracing/trace_pipe
연구 질문
- atomic/refcount 의 state machine을 네 단계로 줄였을 때, 실제 코드에서 빠지는 intermediate state는 무엇인가?
- atomic/refcount 의 fast path가 생략한 검사는 어느 init path 또는 slow path에서 보증되는가?
- 실험으로 확인한다면 'atomic operation을 자동 lock처럼 봄' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?
- 실험으로 확인한다면 'refcount_t와 atomic_t overflow semantics 차이를 무시함' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?