谷歌改善 Chrome 内存安全：通过 heap scanning 算法减少 C++ 代码库安全漏洞

技术编辑：MissD丨发自 思否编辑部

公众号：SegmentFault

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据外媒报道，谷歌 Chrome 团队正在研究通过 heap scanning 技术来提高 C++ 代码库内存安全。据悉，该技术会对内存造成消耗，除非使用较新的 Arm 硬件。

众所周知，谷歌、微软是快速编程语言 C++ 的主要用户和贡献者，C++ 主要被用于 Chromium、Windows 内核和 Android 等项目。但由于其内存安全保证问题，人们开始对使用 Rust 语言越来越感兴趣。

尽管存在安全漏洞隐患，但谷歌不能简单地用内存更安全的 Rust 来替换掉 Chromium 现有的 C++ 代码，起码在短期内，将 Chrome 中的 C++ 大规模转换到 Rust 是不可能的。

好在，谷歌正在研究通过 heap scanning 算法来提高 C++ 的内存安全性。当然，这种方式也有个问题，由于这种技术非常消耗内存，因此目前只是实验性的。

谷歌 Chrome 安全团队的 Anton Bikineev、Michael Lippautz 和 Hannes Payer 表示，尽管大家认为 C++ 之外的其他语言或有着更强的内存安全保证，但在可预见的未来，Chrome 等大型代码库将依旧会使用 C++。

考虑到这种情况，Chrome 工程师已经找到了让 C++ 更安全的方法，如缓冲区溢出和 use-after free（UAF），以减少与内存相关的安全漏洞（这些漏洞占所有软件安全漏洞的 70%）。

当然，C++ 不能保证总是使用其结构的最新信息访问内存，因此谷歌 Chrome 团队一直在探索使用“内存隔离”（memory quarantine）和 heap scanning 来阻止对仍可访问内存的重复使用。

“内存隔离”（memory quarantine）和 heap scanning 的工作原理是，通过隔离和堆扫描确保内存时间安全，以证明不再有（悬空的）指针引用内存之前，避免重复使用内存。为了避免更改 C++ 用户代码或其语义，会截取提供 new 和 delete 的内存分配器。

谷歌表示，调用 delete 时，内存实际上处于隔离状态，无法被应用程序重新用于后续的新调用。在某个时候会触发堆扫描，它像垃圾收集器一样扫描整个堆，以查找对隔离内存块的引用。没有来自常规应用程序内存的传入引用的块会被传输回分配器，在那里它们可以重新用于后续的分配。

由于 UAF 构成了影响浏览器的大多数高严重性问题，近日 Chrome 102 就刚刚修复了一个关键的 UAF，在 8 个高危漏洞里面有 6 个是 UAF。

heap scanning 内存中的 UAF 访问是由“悬空指针”（dangling pointers）引起的，即当应用程序使用的内存返回到底层系统，但指针指向过期对象时，就会发生悬空指针。通过悬空指针进行访问会导致 UAF，这在大型代码库中很难发现。

为了检测 UAF，Google 已经使用了如 MiraclePtr 这类 C++ “智能指针”，这也会对性能造成影响，还使用了编译器、C++ 清理器、代码模糊器及一款名为 Oilpan 的垃圾收集器的静态分析。

如果 heap scanning 突破实验阶段，谷歌后期可能会增加该算法项目投入，但能否采用将取决于使用最新 Arm 硬件的设备。

报道称，谷歌已经尝试通过 ARM v8.5A 中的相对内存标记扩展（MTE）进行硬件辅助内存标记，以减少性能消耗。通过用 MTE 基准测试的实验结果显示，内存消耗显著降低。尽管如此，接下来 MTE 会否被更广泛地采用，以不会产生不可接受的性能影响的方式进行堆扫描，这仍然是未来的事情。

Chrome 安全团队表示“C++ 允许编写高性能应用程序，但这需要付出安全性的代价。硬件内存标记可能会修复 C++ 的一些安全漏洞，同时仍然允许高性能。”“我们期待着看到硬件内存标签在未来得到更广泛的采用，并建议在硬件内存标签上使用heap scanning（堆扫描）”。

参考链接:

https://www.zdnet.com/article/programming-languages-how-google-is-improving-c-memory-safety/

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