使用CodeQL检测C++迭代器失效问题

使用CodeQL检测迭代器失效问题

迭代器失效是C++中常见且隐蔽的一类错误，经常导致可利用漏洞。在Trail of Bits实习期间，我开发了Itergator——一组用于分析和发现迭代器失效的CodeQL类和查询。

迭代器基础

迭代器是C++中遍历容器内容的标准方式。迭代器对象至少支持两种操作：解引用（获取容器中的底层对象）和递增（获取下一个元素的迭代器）。

std::vector<int> vec{1, 2, 3, 4, 5};
for (std::vector<int>::iterator it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
    std::cout << *it << " ";
}

迭代器失效问题

当容器发生修改（如添加或删除元素）后，迭代器会失效。使用失效迭代器会导致未定义行为。例如：

void zone_manager::deserialize(JsonIn &jsin) {
    jsin.read(zones);
    for(auto it = zones.begin(); it != zones.end(); ++it) {
        if(!has_type(it->get_type())) {
            zones.erase(it);  // 迭代器在此失效
        }
    }
}

CodeQL解决方案

CodeQL是GitHub开发的静态分析框架，使用类SQL语法查询代码库。Itergator包含查询和库，允许审计人员在自己的查询中使用Itergator的类：

• Iterator：存储迭代器的变量
• Iterated：被迭代的集合
• Invalidator：可能导致迭代器失效的函数调用
• Invalidation：直接使迭代器失效的函数调用

检测挑战与解决方案

检测迭代器失效面临多个挑战：

1. 失效可能嵌套在多层函数调用中
2. 迭代器可能在循环外声明和失效
3. 需要支持自定义可迭代类型

通过CodeQL的全局数据流库和递归支持，Itergator能够构建潜在失效函数调用图。对于非标准迭代类型，只需扩展PotentialInvalidation抽象类。

实际案例

Itergator发现了多个现实项目中的bug，包括：

1. Cataclysm游戏中的简单失效案例
2. Google正则表达式库中的复杂三层循环失效
3. LLVM链接器中12层函数调用深的失效

结论

Itergator是检测复杂迭代器失效问题的强大工具。尽管存在一些误报，但通过自动过滤和"重要性"值设置，结果审查变得非常高效。CodeQL的声明式查询语言使得静态分析易于上手。

"Trail of Bits是我工作过的最好的地方！" —— Kevin Higgs
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