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Locking / RCU · Linux 6.18.37 LTS · source + diagram note

atomic/refcount

최신 LTS 기준: kernel.org longterm 6.18.37 기준으로 파일 위치와 링크를 맞춘 원본 코드 분석 노트입니다. memory ordering과 lifetime 관리.

전체 흐름

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.

핵심 확인 사항

함수 이름보다 입력 객체와 출력 객체를 먼저 본다. 이 토픽에서 어떤 구조체가 생성, 연결, publish, retire되는지 표시한다.

오류 처리 확인

정상 경로와 실패 경로를 함께 확인한다. 성공 경로뿐 아니라 오류 복구, hotplug, 해제 과정에서 상태가 올바르게 정리되는지 점검한다.

그림 1. atomic/refcount 이 kernel 안에서 놓이는 위치
shared objectpointer, state, refcount
serializationspinlock, mutex, rwsem, atomic
visibilitybarrier, READ_ONCE/WRITE_ONCE
lifetimerefcount, RCU grace period, free

왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 실제 상태 변경이 커진다. 각 코드 조각이 어느 단계에 해당하는지 대조한다.

소스 코드 위치

먼저 확인할 Linux 6.18.37 LTS 소스 파일

원본 코드:
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

원본 코드: include/linux/refcount.h, 122행 부근
	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;

확인 사항: 이 코드에서는 반환값보다 상태 변경을 먼저 확인한다. 어느 잠금을 획득한 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패 시 어느 레이블로 분기하는지, 변경된 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 사용하는지 추적한다.

refcount_inc

원본 코드: include/linux/refcount.h, 24행 부근
 *                                     <---------- 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

확인 사항: 이 코드에서는 반환값보다 상태 변경을 먼저 확인한다. 어느 잠금을 획득한 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패 시 어느 레이블로 분기하는지, 변경된 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 사용하는지 추적한다.

함수별 분석

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.

그림 2. atomic/refcount 함수 체인과 관찰 지점
entrycaller가 넘기는 객체와 context를 확정
refcount_warn_saturate참조 획득
refcount_inc다른 CPU에게 pointer 노출
observable statetracepoint, counter, sysfs/proc에서 확인되는 결과

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

함수입력상태 변경검증 질문
refcount_warn_saturateatomic_t, caller context, subsystem 전제 조건increment acquire: 참조 획득atomic operation을 자동 lock처럼 봄 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가
refcount_increfcount_t, caller context, subsystem 전제 조건publish store: 다른 CPU에게 pointer 노출refcount_t와 atomic_t overflow semantics 차이를 무시함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가

구조체와 필드

여기서는 “어떤 구조체가 있다”가 아니라 그 필드가 어느 단계에서 쓰기 가능하고 어느 단계부터 관찰 가능한지를 본다. 필드의 뜻보다 보호 규칙이 먼저다.

그림 3. atomic/refcount 핵심 필드 연결
atomic_traw atomic counter
refcount_tsaturating lifetime counter
READ_ONCE/WRITE_ONCEcompiler visibility boundary
smp_mb/acquire/releaseCPU ordering primitive

필드는 구조체 안에 흩어져 있지만, 실제 실행에서는 위 순서로 의미가 이어진다.

필드읽는 법확인
atomic_traw atomic counter누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
refcount_tsaturating lifetime counter누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
READ_ONCE/WRITE_ONCEcompiler visibility boundary누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
smp_mb/acquire/releaseCPU ordering primitive누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인

실행 단계와 상태 변화

실행 단계를 따로 정리하면 정상 경로와 실패 경로를 나란히 비교할 수 있다. 커널 문제는 최종 결과보다 준비가 덜 된 중간 상태를 다른 코드에 공개한 뒤, 실패 시 제대로 정리하지 못할 때 자주 발생한다.

그림 4. atomic/refcount 실행 단계
increment acquire참조 획득
publish store다른 CPU에게 pointer 노출
decrement releaselast put 후보
free after zerolifetime 종료

화살표는 정상 진행 방향을 나타낸다. 중간 단계에서 실패하면 각 단계의 오류 처리 또는 대체 경로로 이동한다.

상태의미진입 조건깨지는 지점
increment acquire참조 획득앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
publish store다른 CPU에게 pointer 노출앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
decrement releaselast put 후보앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
free after zerolifetime 종료앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
atomic/refcount 검토 기준 = 상태 변화 + 소유권 변화 + 외부 공개 시점

불변 조건과 실패 사례

lifetime

atomic/refcount의 핵심 객체가 외부에 공개된 뒤에는 마지막 참조가 사라질 때까지 해제 경로가 callback, timer, IRQ, worker와 경합하지 않아야 한다.

ordering

상태 필드를 바꾼 뒤 다른 CPU나 하위 계층이 관찰할 수 있다면 lock, barrier, refcount, RCU 중 어느 장치가 visibility를 보장하는지 확인한다.

오류 복구

중간 단계 실패는 성공 단계의 역순으로 되돌아가야 한다. goto label이 많은 코드는 label 이름보다 어느 resource가 이미 획득됐는지를 표로 적는다.

bring-up symptom

embedded bring-up에서는 panic보다 silence, timeout, deferred probe, interrupt flood처럼 간접 증상으로 드러나는 경우가 많다.

주의

atomic operation을 자동 lock처럼 봄

주의

refcount_t와 atomic_t overflow semantics 차이를 무시함

주의

memory ordering 없는 counter만으로 pointer visibility를 보장한다고 착각함

계측과 검증

계측은 printk 위치 경쟁이 아니라 가설 검증이다. 먼저 위 상태표에서 멈춘 state를 정하고, 그 state를 바꾸는 함수와 그 결과를 소비하는 함수를 동시에 본다.

도구보는 것해석
KCSANatomic/refcount 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
refcount warningsatomic/refcount 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
LKMM litmusatomic/refcount 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
ftrace:refcount_warn_saturateatomic/refcount 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
기본 추적 경로:
# 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

추가 확인 사항

  • 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?