谷歌正在寻求提高c++内存安全性

出品|开源中国

文|白开水

谷歌 Chrome 安全团队称其一直在致力于改善 Chrome 浏览器的内存安全;近期,该团队正在研究使用 heap scanning 技术来提高 C++ 的内存安全。

虽然从内存安全方面出发,Rust 当下可能更受大众喜爱。但 Chrome 安全团队认为,尽管人们对比 C++ 具有更强内存安全保证的其他语言有兴趣,但在可预见的未来,像 Chromium 这样的大型代码库将使用 C++。鉴于此,Chrome 工程师已经找到了使 C++ 更安全的方法,以减少缓冲区溢出和 use-after free (UAF) 等与内存相关的安全漏洞。数据表明,这些漏洞占所有软件安全漏洞的 70%。

如上示例,当应用程序使用的内存被返回到底层系统,但指针指向一个过期的对象时,就会出现一个被称为悬空指针(dangling pointers)的情况,通过它进行的任何访问都会导致 UAF 访问。在最好的情况下,此类错误会导致 well-defined 的崩溃;在最坏的情况下,它们会造成可以被恶意行为者利用的破坏。

在较大的代码库中,UAF 通常很难被发现,因为对象的所有权是在不同组件之间转移的。这个问题非常普遍,以至于到目前为止,工业界和学术界都在频繁地针对其提出缓解策略。而 Chrome 中 C++ 的使用也没有什么不同,大多数高严重性安全漏洞都是 UAF 问题。近期发布的 Chrome 102 中,就修复了一个关键的 UAF 问题,且八个高危漏洞中有六个是 UAF。

为了解决这一问题,Chrome 方面已经使用了各种技术手段;包括 C++ 智能指针(如 MiraclePtr)、编译器中的静态分析、动态工具(如 C++ sanitizers )、代码模糊器,以及一个名为 Oilpan 的 C++ 垃圾回收器。Oilpan、MiraclePtr 和基于智能指针的解决方案需要大量采用应用程序代码。

此外,谷歌还探索了另一种方法:内存隔离(memory quarantine)。基本思路是将 explicitly freed memory 放入隔离区,并且仅在达到特定安全条件时才使其可用。Chrome 安全团队在博文中总结了在 Chrome 中实验隔离和 heap scanning 的历程。

工作原理在于,用隔离和 heap scanning 保证 temporal safety 的主要思想是避免重用内存,直到证明没有更多的(悬空的)指针指向它。为了避免改变 C++ 用户代码或其语义,提供 new 和 delete 的内存分配器被拦截。

在调用删除时,内存实际上被放入隔离区,无法再用于应用程序的后续新调用。“在某些时候触发了 heap scan,它扫描整个堆,就像垃圾回收器一样,以查找对隔离内存块的引用。那些没有从常规应用内存中获得引用的块被转移回分配器,在那里它们可以被重新用于后续的分配。”

根据介绍,谷歌的 heap scanning 由一套被命名为 StarScan(简称为 *Scan)的算法组成。他们将 *Scan 应用于渲染器进程的非托管部分,使用 Speedometer2 评估性能影响,并尝试了不同版本的 *Scan。

测试结果表明,*Scan 的一个基础版本造成了 8% 的内存回归。“所有这些开销从何而来?不出所料,heap scanning 极其受 memory bound 影响,因为扫描线程必须遍历和检查整个用户内存的引用”。在进行了多方面优化之后,Speedometer2 回归从 8% 降低到了 2%。此外,有关内存消耗的测量结果则表明,渲染进程中的扫描使内存消耗减少约 12%。

MTE(内存标签扩展,Memory Tagging Extension)是 ARM v8.5A 架构上的一个新扩展,有助于检测软件内存使用中的错误;这些错误可以是 spatial errors(如 out-of-bounds accesses),也可以是 temporal errors(use-after-free)。谷歌方面获得了一些支持 MTE 的 actual hardware,并在渲染器过程中重新进行了实验。结果表明,虽然 MTE 和 memory zeroing 会带来一些成本,但 Speedometer2 中的内存回归约为 2%。实验还表明,在 MTE 之上添加 *Scan 没有可衡量的成本。

Chrome 安全团队最后总结称,C++ 可以编写出高性能应用程序,但需要付出安全性方面的代价。Hardware memory tagging 可以修复 C++ 的一些安全缺陷,同时保持高性能。“我们期待在未来看到更广泛地采用 Hardware memory tagging,并建议在 Hardware memory tagging 之上使用 *Scan 来修复 C++ 的 temporary memory safety。使用的 MTE 硬件和 *Scan 的实现都是 prototypes,我们预计仍有性能优化的空间。”

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