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. 메모리 접근 순서와 객체 수명 관리.

전체 흐름

락, RCU, 원자 연산은 여러 실행 흐름이 함께 사용하는 상태의 접근 순서와 객체 수명을 관리한다. lock API를 외우는 것이 아니라 context, memory model, object lifetime을 하나의 그래프로 읽어야 한다.

핵심 확인 사항

함수의 입력과 처리 결과를 먼저 확인한다. 구조체를 생성하고 연결하는 시점, 다른 코드에서 사용할 수 있게 하는 시점, 더 이상 사용하지 않아 회수하는 시점을 구분한다.

오류 처리 확인

정상 처리와 오류 처리를 함께 확인한다. 오류 복구, 장치의 실행 중 연결·분리(hotplug), 자원 해제 과정에서도 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

왼쪽부터 처리 단계를 나열했다. 각 코드 조각에서 바뀌는 상태를 해당 단계와 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: 진입 함수가 있는 파일과 구조체 정의, 아키텍처별 연결 코드, 콜백 구현을 함께 확인한다. 여러 파일을 대조해야 호출 관계와 각 코드의 역할을 알 수 있다.

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.

원본 코드를 함수별로 나누어 살펴본다. 각 함수가 준비하는 값과 다음 함수가 그 값을 사용하는 방식을 확인한다.

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 단계의 입력과 처리 결과를 연결해 본다. 다음 단계로 넘어가기 전에 바뀌는 필드를 코드에서 확인한다.

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 입력 범위 검사, 주요 필드 변경, 다른 계층에서 사용할 수 있게 하는 시점, 실패 시 복구 순서를 확인한다. 이 조건을 만족해야 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 입력 범위 검사, 주요 필드 변경, 다른 계층에서 사용할 수 있게 하는 시점, 실패 시 복구 순서를 확인한다. 이 조건을 만족해야 다음 함수가 다른 CPU에게 pointer 노출을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: refcount_t와 atomic_t overflow semantics 차이를 무시함

함수입력상태 변경확인할 사항
refcount_warn_saturateatomic_t, 호출 시 실행 문맥, 하위 시스템의 준비 조건increment acquire: 참조 획득atomic operation을 자동 lock처럼 봄 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가
refcount_increfcount_t, 호출 시 실행 문맥, 하위 시스템의 준비 조건publish store: 다른 CPU에게 pointer 노출refcount_t와 atomic_t overflow semantics 차이를 무시함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가

구조체와 필드

구조체의 필드를 언제 바꿀 수 있고 다른 코드가 언제 읽을 수 있는지 확인한다. 필드의 의미와 함께 잠금 등 접근을 보호하는 규칙을 살펴본다.

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

각 단계에서 읽고 쓰는 필드를 구조체 정의와 대조한다.

어떤 코드가 필드를 변경하고 어떤 방식으로 접근을 보호하는지, 객체를 언제 해제하는지 원본 코드에서 확인한다.

필드읽는 법
atomic_traw atomic counter
refcount_tsaturating lifetime counter
READ_ONCE/WRITE_ONCEcompiler visibility boundary
smp_mb/acquire/releaseCPU ordering primitive

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 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
publish store다른 CPU에게 pointer 노출앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
decrement releaselast put 후보앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
free after zerolifetime 종료앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 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

다른 CPU나 하위 계층이 변경된 필드를 읽는다면 잠금과 메모리 배리어가 접근 순서를 어떻게 보장하는지 확인한다. 참조 횟수와 RCU로 관리하는 객체 수명도 별도로 확인한다.

오류 복구

중간 단계에서 실패하면 이미 확보한 자원을 의존 관계에 맞춰 해제해야 한다. goto 레이블이 많다면 각 분기에 도달했을 때 확보한 자원을 표로 정리한다.

bring-up symptom

임베디드 보드를 처음 구동할 때는 패닉 대신 로그 중단, 시간 초과, 장치 초기화 지연, 과도한 인터럽트 같은 증상으로 문제가 드러날 수 있다.

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

로그를 무작정 추가하지 말고 확인할 가설을 먼저 세운다. 상태표에서 처리가 멈춘 단계를 찾은 뒤, 상태를 바꾸는 함수와 그 결과를 사용하는 함수를 함께 살펴본다.

로그가 출력되었다고 처리가 끝난 것으로 판단하지 않는다. 원본 코드에서 로그 앞뒤의 필드 변경을 확인한다.

도구보는 것
KCSANatomic/refcount 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
refcount warningsatomic/refcount 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
LKMM litmusatomic/refcount 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
ftrace:refcount_warn_saturateatomic/refcount 실행이 어느 단계에서 멈추는지 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?