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2 title: "Pointers Are Complicated II, or: We need better language specs"
3 categories: rust
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6 Some time ago, I wrote a blog post about how [there's more to a pointer than meets the eye]({% post_url 2018-07-24-pointers-and-bytes %}).
7 One key point I was trying to make is that
8
9 > *just because two pointers point to the same address, does not mean they are equal and can be used interchangeably.*
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11 This "extra information" that distinguishes different pointers to the same address is typically called [*provenance*](https://rust-lang.github.io/unsafe-code-guidelines/glossary.html#pointer-provenance).
12 This post is a cautionary tale of what can happen when provenance is not considered sufficiently carefully in an optimizing compiler.
13 There is also a larger message here about how we could prevent such issues from coming up in the future by spending more effort on the specification of compiler IRs.
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15 <!-- MORE -->
16
17 I will show a series of three compiler transformations that each seem "intuitively justified", but when taken together they lead to a clearly incorrect result.
18 We will use LLVM for these examples, but the goal is not to pick on LLVM---other compilers suffer from similar issues.
19 The goal is to convince you that to build a correct compiler for languages permitting unsafe pointer manipulation such as C, C++, or Rust,
20 we need to take provenance specifically and IR semantics in general more seriously.
21 Let's get started!
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23 ## Warm-up: Why IRs need a precise semantics
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25 As a warm-up, I will give a simple example showing that compiler IRs such as LLVM IR need a precise (and precisely documented) semantics.
26 If you are already familiar with the idea of treating compiler IRs as proper programming languages in their own right, or if you are just here for the pointers, you can skip to the next section.
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28 Consider the following simple (and contrived, for the sake of this example) piece of C code:
29 {% highlight c %}
30 int sum_up(int i, int j, int n) {
31   int result = 0;
32   while (n > 0) {
33     result += i + j;
34     n -= 1;
35   }
36 }
37 {% endhighlight %}
38 One transformation the compiler might want to do is to move the addition `i+j` out of the loop, to avoid computing the sum each time around the loop:
39 {% highlight c %}
40 int sum_up(int i, int j, int n) { // optimized version
41   int result = 0;
42   int s = i + j;
43   while (n > 0) {
44     result += s;
45     n -= 1;
46   }
47 }
48 {% endhighlight %}
49 However, that transformation is actually incorrect.
50 If we imagine a caller using this function as `sum_up(INT_MAX, 1, 0)`, then this is a perfectly correct way to call `sum_up`: the loop is never entered, so the overflowing addition `INT_MAX+1` is never performed.
51 However, after the desired optimization, the program now causes a signed integer overflow, which is UB (Undefined Behavior) and thus May Never Happen!
52
53 One might be tempted to ignore this problem because the UB on integer overflow is a compiler-only concept; every target supported by the compiler will do the obvious thing and just produce an overflowing result.
54 However, there might be other compiler passes running after the optimization we are considering.
55 One such pass might inline `sum_up`, and another pass might notice the `INT_MAX+1` and replace it by `unreachable`, and another pass might then just remove all our code since it is unreachable.
56 Each of these passes has a good reason to exist (it can help real code become a lot faster or help prune dead code), but if we combine them all with our loop hoisting optimization, the result is a disaster.
57
58 I am convinced that the only way to avoid such problems is to find a way to justify the correctness of each optimization *in isolation*.
59 Each optimization must be *correct* for any possible program, where *correct* means that the optimized program must only "do things" that the original program could have done as well.
60 (This is basically the "as-if" rule in the C standard, and is typically called "refinement" in the academic literature.)
61 In particular, no optimization must ever introduce UB into a UB-free program.
62
63 It may seem now that under this premise, it is impossible to perform the loop hoisting optimization we are considering.
64 But that is not the case!
65 We can perform the optimization, *we just cannot perform it in C*.
66 Instead, we have to perform it in LLVM IR (or any other IR with a suitable semantics).
67 Specifically, signed integer overflow in LLVM yields a `poison` result.
68 It is not UB to produce `poison`, it is just UB to use `poison` in certain ways (the details do not matter here).
69 In a call to `sum_up(INT_MAX, 1, 0)`, the `s` variable introduced by loop hoisting is unused, so the fact that its value is `poison` does not matter!
70
71 Due to this behavior of signed integer overflow, the loop hoisting optimization is *correct* if we consider it as an optimization on programs that are written in LLVM IR.[^cheat]
72 In particular, this means we can freely combine this optimization with any other optimization that is *correct* in LLVM IR (such as inlining, replacing definite UB by `unreachable`, and removing unreachable code), and we can be sure that the result obtained after all these optimizations is a correct compilation of our original program.
73
74 However, to make the argument that an optimization is *correct*, the exact semantics of LLVM IR (what the behavior of all possible programs is and when they have UB) needs to be documented.
75 All involved optimizations need to exactly agree on what is and is not UB, to ensure that whatever code they produce will not be considered UB by a later optimization.[^ub-difference]
76 This is exactly what we also expect from the specification of a programming language such as C, which is why I think we should consider compiler IRs as proper programming languages in their own right, and specify them with the same diligence as we would specify "normal" languages.
77 Sure, no human is going to write many programs in LLVM IR, but clang and rustc produce LLVM IR programs all the time, and as we have seen understanding the exact rules governing these programs is crucial to ensuring that the optimizations LLVM performs do not change program behavior.
78
79 [^cheat]: If now you feel like we somehow cheated, since we can always translate the program from C to LLVM IR, optimize there, and translate back, consider this: translating from LLVM IR to C is really hard! In particular, singed integer addition in LLVM IR can *not* be translated into signed integer addition in C, since the former is well-defined with `poison` result in case of overflow, but the latter says overflow is UB. C has, in a sense, strictly more UB than LLVM IR, which makes translation in one direction easy, while the other direction is hard.
80
81 [^ub-difference]: In particular, I would say that two different variants of the IR with different rules for UB are really *two different programming languages*. A program that is well-defined in one language may have UB in another, so great care needs to be taken when the program is moved from being governed by one set of rules to another.
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83 *Take-away:* If we want to be able to justify the correctness of a compiler in a modular way, considering only one optimization at a time, we need to perform these optimizations in an IR that has a precise specification of all aspects of program behavior, including UB.
84 Then we can, for each optimization separately, consider the question: does the optimization ever change program behavior, and does it ever introduce UB into UB-free programs?
85
86 ## How 3 (seemingly) correct optimizations can be incorrect when used together
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88 With the warm-up done, we are now ready to consider some more tricky optimizations, which we will use to explore the question of how precise a language specification needs to be.
89 We will look at three different optimizations LLVM can perform, and I will show that they *cannot all be correct* since the first and last program we are considering actually have *different behavior*.
90 (More precisely: the last program has a possible behavior that was not possible for the first program.)
91 This is only possible if at least one optimization changed program behavior in an incorrect way, but it is actually not entirely clear which optimization is the culprit.
92 The reasons this happens, I claim, is that the LLVM IR specification is not precise enough to truly evaluate whether the involved optimizations are *correct*.
93
94 The sequence of examples is taken from [this talk](https://sf.snu.ac.kr/llvmtwin/files/presentation.pdf#page=32) by Chung-Kil Hur; it was discovered while working on a mathematically rigorous specification of LLVM.
95
96 Here is the source program:
97 {% highlight c %}
98 char p[1], q[1] = {0};
99 int ip = (int)(p+1);
100 int iq = (int)q;
101 if (iq == ip) {
102   *(char*)iq = 10;
103   print(q[0]);
104 }
105 {% endhighlight %}
106 We are using C syntax here, but remember that we just use C syntax as a convenient way to write programs in LLVM IR.
107 For simplicity, we assume that `int` has the right size to hold a pointer value; just imagine we used `uintptr_t` if you want to be more general.
108
109 This program has two possible behaviors: either `ip` (the address one-past-the-end of `p`) and `iq` (the address of `q`) are different, and nothing is printed.
110 Or the two are equal, in which case the program will print "10" (`iq` is the result of casting `q` to an integer, so casting it back will yield the original pointer, or at least a pointer pointing to the same object / location in memory).
111
112 The first "optimization" we will perform is to exploit that `iq == ip`, so we can replace all `iq` by `ip`, and subsequently inline the definition of `ip`:
113 {% highlight c %}
114 char p[1], q[1] = {0};
115 int ip = (int)(p+1);
116 int iq = (int)q;
117 if (iq == ip) {
118   *(char*)(int)(p+1) = 10; // <- This line changed
119   print(q[0]);
120 }
121 {% endhighlight %}
122
123 The second optimization notices that we are taking a pointer `p+1`, casting it to an integer, and casting it back, so we can remove the cast roundtrip:
124 {% highlight c %}
125 char p[1], q[1] = {0};
126 int ip = (int)(p+1);
127 int iq = (int)q;
128 if (iq == ip) {
129   *(p+1) = 10; // <- This line changed
130   print(q[0]);
131 }
132 {% endhighlight %}
133
134 The final optimization notices that `q` is never written to, so we can replace `q[0]` by its initial value `0`:
135 {% highlight c %}
136 char p[1], q[1] = {0};
137 int ip = (int)(p+1);
138 int iq = (int)q;
139 if (iq == ip) {
140   *(p+1) = 10;
141   print(0); // <- This line changed
142 }
143 {% endhighlight %}
144
145 However, this final program is different from the first one!
146 Specifically, the final program will either print nothing or print "0", while the original program *could never print "0"*.
147 This shows that the sequence of three optimizations we performed, as a whole, is *not correct*.
148
149 #### What went wrong?
150
151 Clearly, one of the three optimizations is incorrect in the sense that it introduced a change in program behavior.
152 But which one is it?
153
154 In an ideal world, we would have a sufficiently precise semantics for LLVM IR that we would just have to read the docs (or, even better, run some Miri-like tool) to figure out the answer.
155 However, describing language semantics at this level of precision is *hard*, and full of trade-offs.
156 That's why the LLVM LangRef will not give us a clear answer here, and indeed obtaining a clear answer requires some decisions that have not been explicitly made yet.
157
158 To proceed, we will use the three optimizations that we considered above as cues: assuming that the optimization is correct for LLVM IR, what does that tell us about the semantics?
159
160 We start with the last optimization, where the `print` argument is changed from `q[0]` to `0`.
161 This optimization is based on alias analysis:
162 `q[0]` gets initialized to `0` at the beginning of the program, and the only write between that initialization and the `print` is to the pointer `p+1`.
163 Since `q` and `p` point to different local variables, a pointer derived from `p` cannot alias `q[0]`, and hence we know that this write cannot affect the value stored at `q[0]`.
164
165 Looking more closely, however, reveals that things are not quite so simple!
166 `p+1` is a one-past-the-end pointer, so it actually *can* have the same address as `q[0]`
167 (and, in fact, inside the conditional we know this to be the case).
168 However, LLVM IR (just like C) does not permit memory accesses through one-past-the-end pointers.
169 It makes a difference whether we use `p+1` or `q` inside the `if`, even though we know (in that branch) that both pointers point to the same memory location.
170 This demonstrates that in LLVM IR, there is more to a pointer than just the address it points to---it also matters how this address was computed.
171 This something extra is what we typically call *provenance*.
172 It is impossible to argue for the *correct*ness of the third optimization without acknowledging that provenance is a real part of the semantics of an LLVM IR program.
173 In a flat memory model where pointers are just integers (such as most assembly languages), this optimization is simply wrong.
174
175 Now that we know that provenance exists in pointers, we have to also consider what happens to provenance when a pointer gets cast to an integer and back.
176 The second optimization gives us a clue into this aspect of LLVM IR semantics: casting a pointer to an integer and back is optimized away, which means that *integers have provenance*.
177 To see why, consider the two expressions `(char*)(int)(p+1)` and `(char*)(int)q`:
178 if the optimization of removing pointer-integer-pointer roundtrips is correct, the first operation will output `p+1` and the second will output `q`, which we just established are two different pointers (they differ in their provenance).
179 The only way to explain this is to say that the input to the `(char*)` cast is different, since the program state is otherwise identical in both cases.
180 But we know that the integer value (i.e., the bit pattern of length 32) that serves as input to the `(char*)` cast is the same, and hence a difference can only arise if integers consist of more than just this bit pattern---just like pointers, integers have provenance.
181
182 Finally, let us consider the first optimization.
183 Here, a successful equality test `iq == ip` prompts the optimizer to replace one value by the other.
184 This optimization demonstrates that *integers do not have provenance*:
185 the optimization is only correct if a successful run-time equality test implies that the two values are equivalent in the "Abstract Machine" that is used to describe the language semantics.
186 But this means that the Abstract Machine version of this value cannot have any "funny" extra parts that are not represented at run-time.
187 Of course, provenance is exactly such a "funny" extra part.
188 A different way to phrase the same argument is to say that this optimization is correct only if `iq == ip` implies that both values have the same provenance.
189 This would be a possible definition of `==` in LLVM IR, but only in principle---in practice this means the LLVM backends have to compile `==` in a way that pointer provenance is taken into account, which of course is impossible.
190
191 *Take-away:*
192 By considering each of these three optimizations in terms of what they tell us about the semantics of LLVM IR, we learned that pointers have provenance, that integers remember the provenance of the pointer they come from in case of a pointer-to-integer cast, and that integers do not have provenance.
193 This is a contradiction, and this contradiction explains why we saw incorrect compilation results when applying all three optimizations to the same program.
194
195 #### How can we fix this?
196
197 To fix the problem, we will have to declare one of the three optimizations incorrect and stop performing it.
198 Speaking in terms of the LLVM IR semantics, this corresponds to deciding whether pointers and/or integers have provenance:
199 * We could say both pointers and integers have provenance, which invalidates the first optimization.
200 * We could say pointers have provenance but integers do not, which invalidates the second optimization.
201 * We could say nothing has provenance, which invalidates the third optimization.
202
203 In my opinion, the first and last options are not tenable.
204 Removing provenance altogether kills all but the most simple alias analyses.[^alias]
205 On the other hand, declaring that integers have provenance does not just disable the first optimization in the chain shown above, it also disables common arithmetic optimizations such as `x - x` being equivalent to `0`.
206 Even achieving commutativity and associativity of `+` becomes non-trivial once integers have provenance.
207
208 [^alias]: Sadly, I do not know of a systematic study of the performance impact of this decision. It is my understanding that many compiler developers "obviously" consider this way too costly of a fix to the problem, but it would still be great to underpin this with some proper data.
209
210 So, I think that the issue should be resolved by saying that pointers have provenance but integers do not, which means that it is the second optimization that is wrong.
211 This also corresponds to [what has been recently proposed to the C standard committee](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg14/www/docs/n2577.pdf).
212 That's why [LLVM bug #34548](https://bugs.llvm.org/show_bug.cgi?id=34548) says that optimizing away pointer-integer-pointer roundtrips is incorrect, and LLVM should stop doing this in the general case.
213 There might still be special cases where this can be done, but figuring out the limits of this really needs a more precise description of LLVM IR semantics such as what we proposed [in this paper](https://people.mpi-sws.org/~jung/twinsem/twinsem.pdf).
214
215 But ultimately, it will be up to the LLVM community to make this decision.
216 All I can say for sure is that they have to make a choice, because the status quo of doing all three of these optimizations leads to incorrect compilation results.
217
218 ## Conclusion
219
220 What did we learn?
221 First of all, pointers are complicated.
222 Precisely describing their semantics in a way that is consistent with common alias analyses requires adding a notion of "provenance".
223 In a language such as Java or ML where pointers are opaque types whose representation cannot be observed, this is actually fairly easy to do.
224 But in a language such as Rust, C or C++ that supports pointer-integer casts, the introduction of provenance poses some really tricky questions, and at least one of the commonly performed optimizations in this space has to give.
225
226 We also learned that LLVM has a bug, but that was *not* the point of this blog post.
227 The GCC developers [made exactly the same mistake](https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=82282), and I got word that MSVC and ICC have the same issue (though I do not know how to verify this).
228 And I cannot blame them; the way compiler development typically works, I think bugs like this are inevitable: when exactly UB arises in an IR is often only loosely specified, so evaluating whether some optimization is *correct* in the sense defined above is basically impossible.
229 Pointer provenance is just a particularly good example of where the current approach failed, but it is not the only case.
230 For example, [ยง2.3 of this paper](https://plv.mpi-sws.org/validc/paper.pdf) (see Figure 3 for the code) shows how a sequence of two optimizations can lead to a miscompilation, where the first optimization is correct under the LLVM concurrency model, and the second optimization is correct under the C++11 concurrency model---but there is no concurrency model under which *both* optimizations are correct, so each compiler (or rather, each compiler IR) needs to pick one or the other.
231
232 Which brings me to my main conclusion for this post: to avoid the problem of incompatible optimizations, I think we need to take compiler IRs more serious as programming languages in their own right, and give them a precise specification---including all the UB.
233 Now, you may object by saying that LLVM has an extensive LangRef.
234 And still, by reading the LLVM specification one could convince oneself that each of the three optimizations above is correct, which as we have seen is contradictory.
235 What is missing? Do we need a formal mathematical definition to avoid such ambiguities?
236 I do not think so; I think there is something simpler that will already help a lot.
237 The source of the contradiction is that some parts of the specification *implicitly* assume that pointers have provenance, which is easy to forget when considering other operations.
238 That's why I think it is very important to make such assumptions more explicit: the specification should *explicitly* describe the information that "makes up" a value, which will include things like provenance and whether the value is (wholly or partially) initialized.[^C]
239 This information needs to be extensive enough such that a hypothetical interpreter can use it to detect all the UB.
240 Doing so makes it obvious that a pointer has provenance, since otherwise it is impossible to correctly check for out-of-bounds pointer arithmetic while also permitting one-past-the-end pointers.
241
242 [^C]: The astute reader will notice that this information is also absent in the C and C++ specifications. That is indeed one my main criticisms of these specifications. It leads to many open questions not only when discussing provenance but also when discussing indeterminate and unspecified values.
243
244 This is my bar for what I consider a sufficiently precise language specification: it needs to contain all the information needed such that writing a UB-checking interpreter is just a matter of "putting in the work", but does not require introducing anything new that is not described in the specification.
245
246 Ideally, the interpreter is not just hypothetical.
247 This is really my main motivation for working on the [Miri interpreter](https://github.com/rust-lang/miri/).
248 Of course, practically speaking, its main purpose is to help unsafe code authors avoid UB, but for me personally, I find it equally important that it helps us think about the semantics of Rust and MIR in a different way.
249
250 I hope this was educational, and thanks for reading. :)
251 As usual, this post can be discussed in the Rust forums.
252 I am curious what your thoughts are on how we can build compilers that do not suffer from the issues I have discussed here.
253
254 #### Footnotes