POSIX CPU Timers TOCTOU race (CVE-2025-38352)

Reading time: 8 minutes

Hierdie bladsy dokumenteer 'n TOCTOU-wedlooptoestand in Linux/Android POSIX CPU timers wat timerstatus kan korrupteer en die kernel kan laat crash, en onder sekere omstandighede na privilege escalation gerig kan word.

• Geaffekteerde komponent: kernel/time/posix-cpu-timers.c
• Primitiwiteit: verval vs verwydering wedloop tydens taak-afsluiting
• Konfigurasie-afhanklik: CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=n (IRQ-context expiry path)

Kort interne samevatting (relevant for exploitation)

• Drie CPU-klokke dryf rekeninghouing vir timers via cpu_clock_sample():
• CPUCLOCK_PROF: utime + stime
• CPUCLOCK_VIRT: utime only
• CPUCLOCK_SCHED: task_sched_runtime()
• Timer-skepping koppel 'n timer aan 'n taak/pid en initialiseer die timerqueue nodes:

static int posix_cpu_timer_create(struct k_itimer *new_timer) {
struct pid *pid;
rcu_read_lock();
pid = pid_for_clock(new_timer->it_clock, false);
if (!pid) { rcu_read_unlock(); return -EINVAL; }
new_timer->kclock = &clock_posix_cpu;
timerqueue_init(&new_timer->it.cpu.node);
new_timer->it.cpu.pid = get_pid(pid);
rcu_read_unlock();
return 0;
}

• Armering voeg items in 'n per-base timerqueue in en kan die next-expiry cache bywerk:

static void arm_timer(struct k_itimer *timer, struct task_struct *p) {
struct posix_cputimer_base *base = timer_base(timer, p);
struct cpu_timer *ctmr = &timer->it.cpu;
u64 newexp = cpu_timer_getexpires(ctmr);
if (!cpu_timer_enqueue(&base->tqhead, ctmr)) return;
if (newexp < base->nextevt) base->nextevt = newexp;
}

• Vinnige pad vermy duur verwerking tensy gekasde vervaltye moontlike afgaan aandui:

static inline bool fastpath_timer_check(struct task_struct *tsk) {
struct posix_cputimers *pct = &tsk->posix_cputimers;
if (!expiry_cache_is_inactive(pct)) {
u64 samples[CPUCLOCK_MAX];
task_sample_cputime(tsk, samples);
if (task_cputimers_expired(samples, pct))
return true;
}
return false;
}

• Verval versamel vervalde timers, merk hulle as afgegaan, skuif hulle van die wagry af; werklike aflewering word uitgestel:

#define MAX_COLLECTED 20
static u64 collect_timerqueue(struct timerqueue_head *head,
struct list_head *firing, u64 now) {
struct timerqueue_node *next; int i = 0;
while ((next = timerqueue_getnext(head))) {
struct cpu_timer *ctmr = container_of(next, struct cpu_timer, node);
u64 expires = cpu_timer_getexpires(ctmr);
if (++i == MAX_COLLECTED || now < expires) return expires;
ctmr->firing = 1;                           // critical state
rcu_assign_pointer(ctmr->handling, current);
cpu_timer_dequeue(ctmr);
list_add_tail(&ctmr->elist, firing);
}
return U64_MAX;
}

Twee wyses van vervalverwerking

• CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=y: verval word via task_work op die teikentaak uitgestel
• CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=n: verval word direk in IRQ-konteks hanteer

void run_posix_cpu_timers(void) {
struct task_struct *tsk = current;
__run_posix_cpu_timers(tsk);
}
#ifdef CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK
static inline void __run_posix_cpu_timers(struct task_struct *tsk) {
if (WARN_ON_ONCE(tsk->posix_cputimers_work.scheduled)) return;
tsk->posix_cputimers_work.scheduled = true;
task_work_add(tsk, &tsk->posix_cputimers_work.work, TWA_RESUME);
}
#else
static inline void __run_posix_cpu_timers(struct task_struct *tsk) {
lockdep_posixtimer_enter();
handle_posix_cpu_timers(tsk);                  // IRQ-context path
lockdep_posixtimer_exit();
}
#endif

In die IRQ-context path, word die firing list buite sighand verwerk.

static void handle_posix_cpu_timers(struct task_struct *tsk) {
struct k_itimer *timer, *next; unsigned long flags, start;
LIST_HEAD(firing);
if (!lock_task_sighand(tsk, &flags)) return;   // may fail on exit
do {
start = READ_ONCE(jiffies); barrier();
check_thread_timers(tsk, &firing);
check_process_timers(tsk, &firing);
} while (!posix_cpu_timers_enable_work(tsk, start));
unlock_task_sighand(tsk, &flags);              // race window opens here
list_for_each_entry_safe(timer, next, &firing, it.cpu.elist) {
int cpu_firing;
spin_lock(&timer->it_lock);
list_del_init(&timer->it.cpu.elist);
cpu_firing = timer->it.cpu.firing;         // read then reset
timer->it.cpu.firing = 0;
if (likely(cpu_firing >= 0)) cpu_timer_fire(timer);
rcu_assign_pointer(timer->it.cpu.handling, NULL);
spin_unlock(&timer->it_lock);
}
}

Hoof oorsaak: TOCTOU tussen IRQ-time verstryking en gesamentlike verwydering tydens taak-uitgang Voorwaardes

• CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK is disabled (IRQ path in use)
• Die teiken-taak is besig om te verlaat maar nog nie volledig gereap nie
• 'n Ander thread roep gelyktydig posix_cpu_timer_del() aan vir dieselfde timer

Volgorde

1. update_process_times() spoor run_posix_cpu_timers() aan in IRQ-konteks vir die taak wat beëindig word.
2. collect_timerqueue() stel ctmr->firing = 1 en skuif die timer na die tydelike firing list.
3. handle_posix_cpu_timers() laat sighand val via unlock_task_sighand() om timers buite die slot af te lewer.
4. Onmiddellik na unlock kan die uitgaande taak gereap word; 'n ander thread voer posix_cpu_timer_del() uit.
5. In hierdie venster kan posix_cpu_timer_del() misluk om state te bekom via cpu_timer_task_rcu()/lock_task_sighand() en dus die normale in-flight guard wat timer->it.cpu.firing kontroleer oorslaan. Verwydering gaan voort asof dit nie firing is nie, korrupteer state terwyl verstryking hanteer word, wat tot crashes/UB lei.

Hoekom TASK_WORK-modus per ontwerp veilig is

• Met CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=y word verstryking uitgestel na task_work; exit_task_work loop voor exit_notify, so die IRQ-tyd oorvleueling met reaping gebeur nie.
• Selfs dan, as die taak reeds aan die uitgang is, faal task_work_add(); deur op exit_state te kontroleer maak dit beide modi konsekwent.

Regstelling (Android common kernel) en motivering

• Voeg 'n vroeë return by indien current taak aan die verlaat is, en beperk sodoende alle verwerking:

// kernel/time/posix-cpu-timers.c (Android common kernel commit 157f357d50b5038e5eaad0b2b438f923ac40afeb)
if (tsk->exit_state)
return;

• Dit voorkom dat handle_posix_cpu_timers() vir take wat uitgaan binnegegaan word, en verwyder die venster waar posix_cpu_timer_del() dit kon mis: it.cpu.firing en in 'n wedloop met verstrykingverwerking.

Impact

• Kerngeheue-beskadiging van timer-strukture tydens gesamentlike verstryking/verwydering kan onmiddellike ineenstortings (DoS) veroorsaak en is 'n sterk primitief vir privilege escalation weens die moontlikhede vir arbitraire manipulering van kernel-state.

Triggering the bug (safe, reproducible conditions) Build/config

• Maak seker CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=n en gebruik 'n kernel sonder die exit_state gating fix.

Runtime strategy

• Rig op 'n thread wat op die punt is om te verlaat en heg 'n CPU timer daaraan aan (per-thread or process-wide clock):
• Vir per-thread: timer_create(CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID, ...)
• Vir process-wide: timer_create(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, ...)
• Armeer met 'n baie kort aanvanklike verstryking en 'n klein interval om IRQ-path entries te maksimeer:

static timer_t t;
static void setup_cpu_timer(void) {
struct sigevent sev = {0};
sev.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;    // delivery type not critical for the race
sev.sigev_signo = SIGUSR1;
if (timer_create(CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID, &sev, &t)) perror("timer_create");
struct itimerspec its = {0};
its.it_value.tv_nsec = 1;           // fire ASAP
its.it_interval.tv_nsec = 1;        // re-fire
if (timer_settime(t, 0, &its, NULL)) perror("timer_settime");
}

• Vanaf 'n sibling thread, verwyder gelyktydig dieselfde timer terwyl die target thread afsluit:

void *deleter(void *arg) {
for (;;) (void)timer_delete(t);     // hammer delete in a loop
}

• Wedloopversterkers: hoë scheduler-tiktempo, CPU-lading, herhaalde thread exit/re-create siklusse. Die crash manifesteer gewoonlik wanneer posix_cpu_timer_del() versuim om firing te opmerk weens mislukte taak-opsoek/-locking direk ná unlock_task_sighand().

Opsporing en verharding

• Mitigasie: pas die exit_state-beskerming toe; verkies om CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK te aktiveer waar dit uitvoerbaar is.
• Waarneembaarheid: voeg tracepoints/WARN_ONCE rondom unlock_task_sighand()/posix_cpu_timer_del(); waarsku wanneer it.cpu.firing==1 saam met mislukte cpu_timer_task_rcu()/lock_task_sighand() waargeneem word; kyk vir timerqueue-ongeregeldhede rondom taak-uitgang.

Audit-hotspots (vir hersieners)

• update_process_times() → run_posix_cpu_timers() (IRQ)
• __run_posix_cpu_timers() selection (TASK_WORK vs IRQ path)
• collect_timerqueue(): sets ctmr->firing and moves nodes
• handle_posix_cpu_timers(): drops sighand before firing loop
• posix_cpu_timer_del(): relies on it.cpu.firing to detect in-flight expiry; this check is skipped when task lookup/lock fails during exit/reap

Aantekeninge vir exploitation-navorsing

• Die openbaargemaakte gedrag is ’n betroubare kernel crash primitive; om dit in privilege escalation te omskep benodig gewoonlik ’n addisionele beheerbare oorvleueling (object lifetime of write-what-where influence) wat buite die bestek van hierdie samevatting val. Beskou enige PoC as potensieel destabiliserend en voer slegs in emulators/VMs uit.

References

• Race Against Time in the Kernel’s Clockwork (StreyPaws)
• Android security bulletin – September 2025
• Android common kernel patch commit 157f357d50b5…