Fil-C — компилятор для языков C и C++, гарантирующий безопасную работу с памятью

Филипп Пизло (Filip Pizlo) представил на конференции SPLASH’24 открытый C/C++ компилятор Fil-C, предоставляющий защиту от проблем, вызванных ошибками при работе с памятью. Проект нацелен на обеспечение полной совместимости с существующим кодом на языках C и C++ — для обеспечения безопасной работы с памятью достаточно просто пересобрать существующий код. Компилятор построен с использованием компонентов от проекта LLVM и распространяется под лицензией Apache 2.0. Runtime поставляется под лицензией BSD. В отличие от недавно анонсированного проекта TrapC, находящегося на стадии проектирования, компилятор Fil-C уже доведён до готовности сборки существующего кода.

Проектом также поставляются безопасно работающие с памятью варианты стандартных библиотек C (libc) и C++ (libc++), основанные на библиотеках Musl и LLVM libc++. Среди прочего, в собираемых программах могут использоваться такие возможности, как многопоточность, обработка сигналов, маппинг файлов в память (mmap), longjmp/setjmp и обработка исключений в C++. При помощи Fil-C без внесения изменений могут быть собраны проекты bzip2, zip, pcre и ncurses. С незначительными модификациями поддерживается сборка OpenSSH, OpenSSL, CPython, SQLite, Lua, Curl, Lynx, jpeg6b, zsh, xzutils и simdutf.

Защита от проблем с памятью обеспечивается благодаря применению 128-разрядных указателей MonoCaps с метаданными для проверки типов и отслеживания границ буферов, а также задействованию сборщика мусора FUGC, контролирующего все операции по выделению и освобождению памяти. В случае ошибок при работе с памятью приложение сразу аварийно завершается, что не позволяет эксплуатировать возможные уязвимости.

Заявлено, что комбинация из MonoCaps и FUGC позволяет отлавливать и блокировать все ошибки, связанные с выходом за границы буфера в стеке и куче, обращением к уже освобождённой памяти, состояниями гонки при работе с указателями, а также неправильной обработкой типов (Type Confusion) в контексте пересечения типов указателей и не указателей, проблем при динамической компоновке (linking) и некорректного использования va_lists. Кроме того, Fil-C отдельно проверяет границы и типы в буферах, передаваемых в системные вызовы.

Ценой возможности использования Fil-C для защиты существующих проектов, без необходимости переписывания их кода или задействования особых языковых конструкций, является снижение производительности. На текущем этапе развития, собираемые в Fil-C программы медленнее примерно в 1.5-5 раз, по сравнению со сборкой обычными компиляторами. В планах заявлена работа по проведению оптимизации. Предполагается, что после завершения этой работы в большинстве случаев код будет выполняться медленнее в 1.2 раза, а в наихудших сценариях замедление не превысит полтора раза. Компилятор пока поддерживает только платформу Linux на системах X86_64. Предыдущие версии поддерживали macOS и FreeBSD, но затем было решено не распылять усилия и вначале подготовить качественный порт libc для одной платформы.

Другим ограничением Fil-C является принципиальный отказ от сохранения совместимости на уровне ABI для кода на C/C++, что не позволяет связывать собираемый в Fil-C код с библиотеками и объектными файлами, собранными другими компиляторами. Методы вызова функций и способ динамического связывания в Fil-C отличается от существующих компиляторов и компоновщиков. Подобное решение объясняется тем, что при связывании с незащищённым кодом теряется суть предлагаемой в Fil-C защиты и возникает иллюзия защищённого приложения — при наличии совместимости ABI, у разработчиков возникал бы соблазн собрать в Fil-C лишь отдельные файлы, не утруждая себя портированием всего проекта.

Задействованный в Fil-C механизм MonoCap основывается на применении 16-байтовых указателей, в которых помимо адреса в памяти, указывается ссылка на объект, включающий сведения о возможностях (capability), таких как верхняя и нижняя границы буфера, ассоциированного с указателем, а также массив, определяющий типы данных, хранимые в каждом блоке памяти (1 байт с информацией о типе (unset, int, ptr, free) для каждого 16-байтового блока памяти). При каждом обращении к памяти по указателю осуществляется проверка границ и типа (например, в память с типом «ptr» не могут быть записаны данные с типом «int» и наоборот).

Все операции выделения и освобождения памяти обрабатываются сборщиком мусора FUGC (Fil’s Unbelievable Garbage Collector), который при освобождении памяти переводит все связанные с освобождаемым буфером записи о типах в значение «free» и затем перенаправляет все указатели на освободившиеся объекты на отдельный объект, сигнализирующий о том, что память уже освобождена. Любое дальнейшее обращение к блоку данных с типом «free» или по указателю, связанному с освобождённым объектом, приводит к генерации исключения, что позволяет защититься от уязвимостей класса use-after-free. Сборщик мусора работает параллельно и не приостанавливает выполнение других потоков.

Использование комбинации из MonoCaps и FUGC позволяет сохранить возможность привычной работы с указателями и оставить неизменной семантику вызовов malloc и free, предоставив при этом гарантированную защиту. Код программы может содержать различные логические ошибки, такие как неправильное приведение типов, неверные арифметические операции с указателями, состояния гонки и несвоевременный вызов функции free(), но независимо от всего этого, Fil-C запомнит исходные границы и тип данных, и прервёт выполнение, если будет предпринята попытка доступа по указателю к области вне запомненных границ, обращения к освобождённому блоку памяти или чтения данных с типом «int» как указателя или наоборот.

Автор Fil-C, Филипп Пизло, занимает в компании Epic Games пост директора, отвечающего за проекты, связанные с языками программирования. Филипп имеет богатый опыт работы над виртуальными машинами, языками программирования, компиляторами и сборщиками мусора, например, в IBM он развивал язык программирования X10, в Microsoft работал над сборщиками мусора Stopless, Clover и Chicken, в Apple занимался JIT-компилятором и оптимизациями браузерного движка WebKit, в Epic Games возглавляет команду разработчиков, развивающую язык программирования Verse и связанную с ним виртуальную машину. Филипп также является одним из ключевых разработчиков виртуальных машин Jikes RVM, Ovm и Fiji VM.

Источник: opennet.ru