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

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Diese Seite dokumentiert eine TOCTOU-Race-Bedingung in Linux/Android POSIX CPU timers, die den Timerzustand korrumpieren und den Kernel zum Absturz bringen kann und unter bestimmten Umständen zur privilege escalation genutzt werden kann.

• Betroffene Komponente: kernel/time/posix-cpu-timers.c
• Primitive: Ablauf- vs Lösch-Race bei Task-Beendigung
• Konfigurationsabhängig: CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=n (IRQ-context expiry path)

Kurze interne Zusammenfassung (relevant für die Ausnutzung)

• Drei CPU-Clocks treiben die Abrechnung für Timer via cpu_clock_sample() an:
• CPUCLOCK_PROF: utime + stime
• CPUCLOCK_VIRT: utime only
• CPUCLOCK_SCHED: task_sched_runtime()
• Die Timererstellung verbindet einen Timer mit einer task/pid und initialisiert 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;
}

• Arming fügt einen Eintrag in eine per-base timerqueue ein und kann den next-expiry cache aktualisieren:

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;
}

Der Fast path vermeidet aufwändige Verarbeitung, es sei denn, zwischengespeicherte Ablaufzeiten deuten auf ein mögliches Auslösen hin:

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;
}

• Expiration sammelt abgelaufene Timer, markiert sie als ausgelöst, verschiebt sie aus der Warteschlange; die eigentliche Zustellung wird aufgeschoben:

#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;
}

Zwei Modi zur Ablaufverarbeitung

• CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=y: Ablauf wird über task_work auf dem Ziel-Task verzögert
• CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=n: Ablauf wird direkt im IRQ-Kontext behandelt

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

Im IRQ-context-Pfad wird die firing list außerhalb von sighand verarbeitet.

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);
}
}

Ursache: TOCTOU zwischen IRQ-time Ablauf und gleichzeitiger Löschung beim Task-Exit

Preconditions

• CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK is disabled (IRQ path in use)
• Der Ziel-Task beendet sich, wurde jedoch noch nicht vollständig aufgeräumt
• Ein anderer Thread ruft gleichzeitig posix_cpu_timer_del() für denselben Timer auf

Sequence

1. update_process_times() löst run_posix_cpu_timers() im IRQ-Kontext für den beendenden Task aus.
2. collect_timerqueue() setzt ctmr->firing = 1 und verschiebt den Timer in die temporäre firing-Liste.
3. handle_posix_cpu_timers() gibt sighand via unlock_task_sighand() frei, um Timer außerhalb der Sperre auszuliefern.
4. Unmittelbar nach dem Unlock kann der beendende Task aufgeräumt werden; ein anderer Thread führt posix_cpu_timer_del() aus.
5. In diesem Fenster kann posix_cpu_timer_del() daran scheitern, den state via cpu_timer_task_rcu()/lock_task_sighand() zu erwerben und überspringt dadurch die normale In-Flight-Prüfung, die timer->it.cpu.firing überprüft. Die Löschung wird so fortgesetzt, als wäre nicht firing, wodurch der Zustand während der Ablaufbehandlung beschädigt wird und zu Abstürzen/UB führt.

Why TASK_WORK mode is safe by design

• Bei CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=y wird der Ablauf auf task_work verschoben; exit_task_work läuft vor exit_notify, sodass die IRQ-time Überlappung mit dem Reaping nicht auftritt.
• Selbst dann, wenn der Task bereits beendet ist, schlägt task_work_add() fehl; die Prüfung von exit_state macht beide Modi konsistent.

Fix (Android common kernel) and rationale

• Füge eine frühe Rückgabe hinzu, falls current task exiting ist, die die gesamte Verarbeitung verhindert:

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

• Dies verhindert das Betreten von handle_posix_cpu_timers() für beendete Tasks und eliminiert das Zeitfenster, in dem posix_cpu_timer_del() it.cpu.firing übersehen könnte und mit der Ablaufverarbeitung in einen Wettlauf geraten kann.

Auswirkung

• Kernel memory corruption of timer structures during concurrent expiry/deletion can yield immediate crashes (DoS) and is a strong primitive toward privilege escalation due to arbitrary kernel-state manipulation opportunities.

Auslösen des Bugs (sichere, reproduzierbare Bedingungen) Build/Konfiguration

• Stelle sicher, dass CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=n gesetzt ist und verwende einen Kernel ohne den exit_state gating-Fix.

Laufzeitstrategie

• Ziele auf einen Thread, der kurz davor ist zu beenden, und hänge einen CPU-Timer an ihn an (per-thread or process-wide clock):
• Für per-thread: timer_create(CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID, ...)
• Für process-wide: timer_create(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, ...)
• Setze eine sehr kurze anfängliche Ablaufzeit und ein kleines Intervall, um die Anzahl der IRQ-Pfad-Einträge zu maximieren:

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");
}

• Aus einem sibling-Thread gleichzeitig denselben Timer löschen, während der Ziel-Thread beendet wird:

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

• Race-Verstärker: hohe Scheduler-Tick-Rate, CPU-Last, wiederholte Thread-Exit/Recreate-Zyklen. Der Crash äußert sich typischerweise, wenn posix_cpu_timer_del() das Erkennen des Auslösens überspringt, weil die Task-Suche/-Sperrung unmittelbar nach unlock_task_sighand() fehlschlägt.

Erkennung und Härtung

• Minderung: wende den exit_state-Guard an; bevorzuge das Aktivieren von CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK, wenn möglich.
• Beobachtbarkeit: Füge tracepoints/WARN_ONCE um unlock_task_sighand()/posix_cpu_timer_del() hinzu; alarmiere, wenn it.cpu.firing==1 zusammen mit fehlschlagendem cpu_timer_task_rcu()/lock_task_sighand() beobachtet wird; achte auf Inkonsistenzen in timerqueue rund um Task-Beendigung.

Audit-Hotspots (für Reviewer)

• update_process_times() → run_posix_cpu_timers() (IRQ)
• __run_posix_cpu_timers() selection (TASK_WORK vs IRQ path)
• collect_timerqueue(): setzt ctmr->firing und verschiebt Knoten
• handle_posix_cpu_timers(): gibt sighand frei, bevor die firing-Schleife startet
• posix_cpu_timer_del(): verlässt sich auf it.cpu.firing, um laufende Ablaufereignisse zu erkennen; diese Prüfung wird übersprungen, wenn Task-Suche/-Sperrung während exit/reap fehlschlägt

Hinweise für Exploit-Forschung

• Das offengelegte Verhalten ist ein zuverlässiges Kernel-Crash-Primitive; um es in eine Privilegieneskalation umzuwandeln, ist typischerweise eine zusätzliche kontrollierbare Überlappung (object lifetime oder write-what-where-Einfluss) erforderlich, die über den Rahmen dieser Zusammenfassung hinausgeht. Behandle jeden PoC als potenziell destabilisierend und führe ihn nur in Emulatoren/VMs aus.

Referenzen

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