逆向基础(三) – reverse-engineering

CHAPER7


访问传递参数

现在我们来看函数调用者通过栈把参数传递到被调用函数。被调用函数是如何访问这些参数呢?

#!cpp
#include <stdio.h>
int f (int a, int b, int c)
{
return a*b+c;
};
int main() 
{
printf ("%d
", f(1, 2, 3));
return 0; 
};

7.1 X86

7.1.1 MSVC

如下为相应的反汇编代码(MSVC 2010 Express)

Listing 7.2 MSVC 2010 Express

#!bash
_TEXT   SEGMENT
_a$ = 8                                  ; size = 4
_b$ = 12                                 ; size = 4
_c$ = 16                                 ; size = 4
_f      PROC
push ebp
mov ebp, esp
mov eax, DWORD PTR _a$[ebp]
imul eax, DWORD PTR _b$[ebp]
add eax, DWORD PTR _c$[ebp]
pop ebp
ret 0
_f      ENDP
_main   PROC
push ebp
mov ebp, esp
push 3 ; 3rd argument
push 2 ; 2nd argument
push 1 ; 1st argument
call _f
add esp, 12
push eax
push OFFSET $SG2463 ; ’%d’, 0aH, 00H
call _printf
add esp, 8
; return 0
xor eax, eax
pop ebp
ret 0
_main ENDP

我们可以看到函数main()中3个数字被圧栈,然后函数f(int, int, int)被调用。函数f()内部访问参数时使用了像_ a$=8 的宏,同样,在函数内部访问局部变量也使用了类似的形式,不同的是访问参数时偏移值(为正值)。因此EBP寄存器的值加上宏_a$的值指向压栈参数。

_a$[ebp]的值被存储在寄存器eax中,IMUL指令执行后,eax的值为eax与_b$[ebp]的乘积,然后eax与_c$[ebp]的值相加并将和放入eax寄存器中,之后返回eax的值。返回值作为printf()的参数。

7.1.2 MSVC+OllyDbg

我们在OllyDbg中观察,跟踪到函数f()使用第一个参数的位置,可以看到寄存器EBP指向栈底,图中使用红色箭头标识。栈帧中第一个被保存的是EBP的值,第二个是返回地址(RA),第三个是参数1,接下来是参数2,以此类推。因此,当我们访问第一个参数时EBP应该加8(2个32-bit字节宽度)。

enter image description here

Figure 7.1: OllyDbg: 函数f()内部

7.1.3 GCC

使用GCC4.4.1编译后在IDA中查看

Listing 7.3: GCC 4.4.1

#!bash
public f
f           proc near
arg_0       = dword ptr 8
arg_4       = dword ptr 0Ch
arg_8       = dword ptr 10h
push    ebp
mov     ebp, esp
mov     eax, [ebp+arg_0]  ; 1st argument
imul    eax, [ebp+arg_4]  ; 2nd argument
add     eax, [ebp+arg_8]  ; 3rd argument
pop     ebp
retn
f           endp
public main
main        proc near
var_10      = dword ptr -10h
var_C       = dword ptr -0Ch
var_8       = dword ptr -8
push    ebp
mov     ebp, esp
and     esp, 0FFFFFFF0h
sub     esp, 10h
mov     [esp+10h+var_8], 3  ; 3rd argument
mov     [esp+10h+var_C], 2  ; 2nd argument
mov     [esp+10h+var_10], 1  ; 1st argument
call    f
mov     edx, offset aD ; "%d
"
mov     [esp+10h+var_C], eax
mov     [esp+10h+var_10], edx
call    _printf
mov     eax, 0
leave
retn
main    endp

几乎相同的结果。

执行两个函数后栈指针ESP并没有显示恢复,因为倒数第二个指令LEAVE(B.6.2)会自动恢复栈指针。

7.2 X64

x86-64架构下有点不同,函数参数(4或6)使用寄存器传递,被调用函数通过访问寄存器来访问传递进来的参数。

7.2.1 MSVC

MSVC优化后:

Listing 7.4: MSVC 2012 /Ox x64

#!bash
$SG2997     DB      ’%d’, 0aH, 00H
main        PROC
sub     rsp, 40
mov     edx, 2
lea     r8d, QWORD PTR [rdx+1]  ; R8D=3
lea     ecx, QWORD PTR [rdx-1]  ; ECX=1
call    f
lea     rcx, OFFSET FLAT:$SG2997  ; ’%d’
mov     edx, eax
call    printf
xor     eax, eax
add     rsp, 40
ret     0
main        ENDP
f           PROC
; ECX - 1st argument
; EDX - 2nd argument
; R8D - 3rd argument
imul    ecx, edx
lea     eax, DWORD PTR [r8+rcx]
ret     0
f           ENDP

我们可以看到函数f()直接使用寄存器来操作参数,LEA指令用来做加法,编译器认为使用LEA比使用ADD指令要更快。在mian()中也使用了LEA指令,编译器认为使用LEA比使用MOV指令效率更高。

我们来看看MSVC没有优化的情况:

Listing 7.5: MSVC 2012 x64

#!bash
f           proc near
; shadow space:
arg_0       = dword ptr 8
arg_8       = dword ptr 10h
arg_10      = dword ptr 18h
; ECX - 1st argument
; EDX - 2nd argument
; R8D - 3rd argument
mov     [rsp+arg_10], r8d
mov     [rsp+arg_8], edx
mov     [rsp+arg_0], ecx
mov     eax, [rsp+arg_0]
imul    eax, [rsp+arg_8]
add     eax, [rsp+arg_10]
retn
f endp
main        proc    near
sub     rsp, 28h
mov     r8d, 3 ; 3rd argument
mov     edx, 2 ; 2nd argument
mov     ecx, 1 ; 1st argument
call    f
mov     edx, eax
lea     rcx, $SG2931 ; "%d
"
call    printf
; return 0
xor     eax, eax
add     rsp, 28h
retn
main        endp

这里从寄存器传递进来的3个参数因为某种情况又被保存到栈里。这就是所谓的“shadow space”2:每个Win64通常(不是必需)会保存所有4个寄存器的值。这样做由两个原因:1)为输入参数分配所有寄存器(即使是4个)太浪费,所以要通过堆栈来访问;2)每次中断下来调试器总是能够定位函数参数3。

调用者负责在栈中分配“shadow space”。

7.2.2 GCC

GCC优化后的代码:

Listing 7.6: GCC 4.4.6 -O3 x64

#!bash
f:
; EDI - 1st argument
; ESI - 2nd argument
; EDX - 3rd argument
imul    esi, edi
lea     eax, [rdx+rsi]
ret
main:
sub     rsp, 8
mov     edx, 3
mov     esi, 2
mov     edi, 1
call    f
mov     edi, OFFSET FLAT:.LC0 ; "%d
"
mov     esi, eax
xor     eax, eax ; number of vector registers passed
call    printf
xor     eax, eax
add     rsp, 8
ret

GCC无优化代码:

Listing 7.7: GCC 4.4.6 x64

#!bash
f:
; EDI - 1st argument
; ESI - 2nd argument
; EDX - 3rd argument
push    rbp
mov     rbp, rsp
mov     DWORD PTR [rbp-4], edi
mov     DWORD PTR [rbp-8], esi
mov     DWORD PTR [rbp-12], edx
mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
imul    eax, DWORD PTR [rbp-8]
add     eax, DWORD PTR [rbp-12]
leave
ret
main:
push    rbp
mov     rbp, rsp
mov     edx, 3
mov     esi, 2
mov     edi, 1
call    f
mov     edx, eax
mov     eax, OFFSET FLAT:.LC0 ; "%d
"
mov     esi, edx
mov     rdi, rax
mov     eax, 0 ; number of vector registers passed
call    printf
mov     eax, 0
leave
ret

System V *NIX [21]没有“shadow space”,但被调用者可能会保存参数,这也是造成寄存器短缺的原因。

7.2.3 GCC: uint64_t instead int

我们例子使用的是32位int,寄存器也为32位寄存器(前缀为E-)。

为处理64位数值内部会自动调整为64位寄存器:

#!cpp
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
uint64_t f (uint64_t a, uint64_t b, uint64_t c)
{
return a*b+c;
};
int main()
{
printf ("%lld
", f(0x1122334455667788,0x1111111122222222,0x3333333344444444));
return 0;
};

Listing 7.8: GCC 4.4.6 -O3 x64

#!cpp
f       proc near
imul    rsi, rdi
lea     rax, [rdx+rsi]
retn
f       endp
main    proc near
sub     rsp, 8
mov     rdx, 3333333344444444h ; 3rd argument
mov     rsi, 1111111122222222h ; 2nd argument
mov     rdi, 1122334455667788h ; 1st argument
call    f
mov     edi, offset format ; "%lld
"
mov     rsi, rax
xor     eax, eax ; number of vector registers passed
call    _printf
xor     eax, eax
add     rsp, 8
retn
main    endp

代码非常相似,只是使用了64位寄存器(前缀为R)。

7.3 ARM

7.3.1 未优化的Keil + ARM mode

#!bash
.text:000000A4 00 30 A0 E1              MOV     R3, R0
.text:000000A8 93 21 20 E0              MLA     R0, R3, R1, R2
.text:000000AC 1E FF 2F E1              BX      LR
...
.text:000000B0             main
.text:000000B0 10 40 2D E9              STMFD   SP!, {R4,LR}
.text:000000B4 03 20 A0 E3              MOV     R2, #3
.text:000000B8 02 10 A0 E3              MOV     R1, #2
.text:000000BC 01 00 A0 E3              MOV     R0, #1
.text:000000C0 F7 FF FF EB              BL      f
.text:000000C4 00 40 A0 E1              MOV     R4, R0
.text:000000C8 04 10 A0 E1              MOV     R1, R4
.text:000000CC 5A 0F 8F E2              ADR     R0, aD_0  ; "%d
"
.text:000000D0 E3 18 00 EB              BL      __2printf
.text:000000D4 00 00 A0 E3              MOV     R0, #0
.text:000000D8 10 80 BD E8              LDMFD   SP!, {R4,PC}

main()函数里调用了另外两个函数,3个值被传递到f();

正如前面提到的,ARM通常使用前四个寄存器(R0-R4)传递前四个值。

f()函数使用了前三个寄存器(R0-R2)作为参数。

MLA (Multiply Accumulate)指令将R3寄存器和R1寄存器的值相乘,然后再将乘积与R2寄存器的值相加将结果存入R0,函数返回R0。

一条指令完成乘法和加法4,如果不包括SIMD新的FMA指令5,通常x86下没有这样的指令。

第一条指令MOV R3,R0,看起来冗余是因为该代码是非优化的。

BX指令返回到LR寄存器存储的地址,处理器根据状态模式从Thumb状态转换到ARM状态,或者反之。函数f()可以被ARM代码或者Thumb代码调用,如果是Thumb代码调用BX将返回到调用函数并切换到Thumb模式,或者反之。

7.3.2 Optimizing Keil + ARM mode

#!bash
.text:00000098            f
.text:00000098 91 20 20 E0                MLA R0, R1, R0, R2
.text:0000009C 1E FF 2F E1                BX  LR

这里f()编译时使用完全优化模式(-O3),MOV指令被优化,现在MLA使用所有输入寄存器并将结果置入R0寄存器。

7.3.3 Optimizing Keil + thumb mode

#!bash
.text:0000005E 48 43                  MULS R0, R1
.text:00000060 80 18                  ADDS R0, R0, R2
.text:00000062 70 47                  BX   LR

Thumb模式下没有MLA指令,编译器做了两次间接处理,MULS指令使R0寄存器的值与R1寄存器的值相乘并将结果存入R0。ADDS指令将R0与R2的值相加并将结果存入R0。

Chapter 8


一个或者多个字的返回值

X86架构下通常返回EAX寄存器的值,如果是单字节char,则只使用EAX的低8位AL。如果返回float类型则使用FPU寄存器ST(0)。ARM架构下通常返回寄存器R0。

假如main()函数的返回值是void而不是int会怎么样?

通常启动函数调用main()为:

#!bash
push envp
push argv
push argc
call main
push eax
call exit

换句话说为

#!cpp
exit(main(argc,argv,envp));

如果main()声明为void类型并且函数没有明确返回状态值,通常在main()结束时EAX寄存器的值被返回,然后作为exit()的参数。大多数情况下函数返回的是随机值。这种情况下程序的退出代码为伪随机的。

我们看一个实例,注意main()是void类型:

#!cpp
#include <stdio.h>
void main()
{
printf ("Hello, world!
");
};

我们在linux下编译。

GCC 4.8.1会使用puts()替代printf()(看前面章节2.3.3),没有关系,因为puts()会返回打印的字符数,就行printf()一样。请注意,main()结束时EAX寄存器的值是非0的,这意味着main()结束时保留puts()返回时EAX的值。

Listing 8.1: GCC 4.8.1

#!bash
.LC0:
.string "Hello, world!"
main:
push    ebp
mov     ebp, esp
and     esp, -16
sub     esp, 16
mov     DWORD PTR [esp], OFFSET FLAT:.LC0
call    puts
leave
ret

我们写bash脚本来看退出状态:

Listing 8.2: tst.sh

#!bash
#!/bin/sh
./hello_world
echo $?

运行:

#!bash
$ tst.sh
Hello, world!
14

14为打印的字符数。

回到返回值是EAX寄存器值的事实,这也就是为什么老的C编译器不能够创建返回信息无法拟合到一个寄存器(通常是int型)的函数。如果必须这样,应该通过指针来传递。现在可以这样,比如返回整个结构体,这种情况应该避免。如果必须要返回大的结构体,调用者必须开辟存储空间,并通过第一个参数传递指针,整个过程对程序是透明的。像手动通过第一个参数传递指针一样,只是编译器隐藏了这个过程。

小例子:

#!cpp
struct s
{
int a;
int b;
int c;
};
struct s get_some_values (int a)
{
struct s rt;
rt.a=a+1;
rt.b=a+2;
rt.c=a+3;
return rt;
};

…我们可以得到(MSVC 2010 /Ox):

#!bash
$T3853 = 8                  ; size = 4
_a$ = 12                    ; size = 4
[email protected]@[email protected]@[email protected] PROC      ; get_some_values
mov     ecx, DWORD PTR _a$[esp-4]
mov     eax, DWORD PTR $T3853[esp-4]
lea     edx, DWORD PTR [ecx+1]
mov     DWORD PTR [eax], edx
lea     edx, DWORD PTR [ecx+2]
add     ecx, 3
mov     DWORD PTR [eax+4], edx
mov     DWORD PTR [eax+8], ecx
ret     0
[email protected]@[email protected]@[email protected] ENDP      ; get_some_values

内部变量传递指针到结构体的宏为$T3853。

这个例子可以用C99语言扩展来重写:

#!bash
struct s
{
int a;
int b;
int c;
};
struct s get_some_values (int a)
{
return (struct s){.a=a+1, .b=a+2, .c=a+3};
};

Listing 8.3: GCC 4.8.1

#!bash
_get_some_values proc near
ptr_to_struct   = dword ptr 4
a               = dword ptr 8
mov     edx, [esp+a]
mov     eax, [esp+ptr_to_struct]
lea     ecx, [edx+1]
mov     [eax], ecx
lea     ecx, [edx+2]
add     edx, 3
mov     [eax+4], ecx
mov     [eax+8], edx
retn
_get_some_values endp

我们可以看到,函数仅仅填充调用者申请的结构体空间的相应字段。因此没有性能缺陷。

Chapter 9


指针

指针通常被用作函数返回值(recall scanf() case (6)).例如,当函数返回两个值时。

9.1 Global variables example

#!bash
#include <stdio.h>
void f1 (int x, int y, int *sum, int *product)
{
*sum=x+y;
*product=x*y;
};
int sum, product;
void main()
{
f1(123, 456, &sum, &product);
printf ("sum=%d, product=%d
", sum, product);
};

编译后

Listing 9.1: Optimizing MSVC 2010 (/Ox /Ob0)

#!bash
COMM        _product:DWORD
COMM        _sum:DWORD
$SG2803 DB              ’sum=%d, product=%d’, 0aH, 00H
_x$ = 8                                     ; size = 4
_y$ = 12                                    ; size = 4
_sum$ = 16                                  ; size = 4
_product$ = 20                              ; size = 4
_f1         PROC
mov     ecx, DWORD PTR _y$[esp-4]
mov     eax, DWORD PTR _x$[esp-4]
lea     edx, DWORD PTR [eax+ecx]
imul    eax, ecx
mov     ecx, DWORD PTR _product$[esp-4]
push    esi
mov     esi, DWORD PTR _sum$[esp]
mov     DWORD PTR [esi], edx
mov     DWORD PTR [ecx], eax
pop     esi
ret     0
_f1         ENDP
_main       PROC
push    OFFSET _product
push    OFFSET _sum
push    456                     ; 000001c8H
push    123                     ; 0000007bH
call    _f1
mov     eax, DWORD PTR _product
mov     ecx, DWORD PTR _sum
push    eax
push    ecx
push    OFFSET $SG2803
call    DWORD PTR __imp__printf
add     esp, 28                 ; 0000001cH
xor     eax, eax
ret     0
_main   ENDP

让我们在OD中查看:图9.1。首先全局变量地址被传递进f1()。我们在堆栈元素点击“数据窗口跟随”,可以看到数据段上分配两个变量的空间。这些变量被置0,因为未初始化数据(BSS1)在程序运行之前被清理为0。这些变量属于数据段,我们按Alt+M可以查看内存映射fig. 9.5.

让我们跟踪(F7)到f1()fig. 9.2.在堆栈中为456 (0x1C8) 和 123 (0x7B),接着是两个全局变量的地址。

让我们跟踪到f1()结尾,可以看到两个全局变量存放了计算结果。

现在两个全局变量的值被加载到寄存器传递给printf(): fig. 9.4.

enter image description here

Figure 9.1: OllyDbg: 全局变量地址被传递进f1()

enter image description here

Figure 9.2: OllyDbg: f1()开始

enter image description here

Figure 9.3: OllyDbg: f1()完成

enter image description here

Figure 9.4: OllyDbg: 全局变量被传递进printf()

enter image description here

Figure 9.5: OllyDbg: memory map

9.2 Local variables example

让我们修改一下例子:

Listing 9.2: 局部变量

#!bash
void main()
{
int sum, product; // now variables are here
f1(123, 456, &sum, &product);
printf ("sum=%d, product=%d
", sum, product);
};

f1()函数代码没有改变。仅仅main()代码作了修改。

Listing 9.3: Optimizing MSVC 2010 (/Ox /Ob0)

#!bash
_product$ = -8              ; size = 4
_sum$ = -4                  ; size = 4
_main   PROC
; Line 10
sub     esp, 8
; Line 13
lea     eax, DWORD PTR _product$[esp+8]
push    eax
lea     ecx, DWORD PTR _sum$[esp+12]
push    ecx
push    456         ; 000001c8H
push    123         ; 0000007bH
call    _f1
; Line 14
mov     edx, DWORD PTR _product$[esp+24]
mov     eax, DWORD PTR _sum$[esp+24]
push    edx
push    eax
push    OFFSET $SG2803
call    DWORD PTR __imp__printf
; Line 15
xor     eax, eax
add     esp, 36     ; 00000024H
ret     0

我们在OD中查看,局部变量地址在堆栈中是0x35FCF4和0x35FCF8。我们可以看到是如何圧栈的fig. 9.6.

f1()开始的时候,随机栈地址为0x35FCF4和0x35FCF8 fig. 9.7.

f1()完成时结果0xDB18和0x243存放在地址0x35FCF4和0x35FCF8。

enter image description here

Figure 9.6: OllyDbg: 局部变量地址被圧栈

enter image description here

Figure 9.7: OllyDbg: f1()starting

enter image description here

Figure 9.8: OllyDbg: f1()finished

9.3 小结

f1()可以返回结果到内存的任何地方,这是指针的本质和特性。顺便提一下,C++引用的工作方式和这个类似。详情阅读相关内容(33)。

Chapter 10


条件跳转

现在我们来了解条件跳转。

#!cpp
#include <stdio.h>
void f_signed (int a, int b)
{
if (a>b)
printf ("a>b
");
if (a==b)
printf ("a==b
");
if (a<b)
printf ("a<b
");
};
void f_unsigned (unsigned int a, unsigned int b)
{
if (a>b)
printf ("a>b
");
if (a==b)
printf ("a==b
");
if (a<b)
printf ("a<b
");
};
int main()
{
f_signed(1, 2);
f_unsigned(1, 2);
return 0;
};

10.1 x86

10.1.1 x86 + MSVC

f_signed() 函数:

Listing 10.1: 非优化MSVC 2010

#!bash
_a$ = 8
_b$ = 12
_f_signed   PROC
push    ebp
mov     ebp, esp
mov     eax, DWORD PTR _a$[ebp]
cmp     eax, DWORD PTR _b$[ebp]
jle     SHORT [email protected]_signed
push    OFFSET $SG737       ; ’a>b’
call    _printf
add     esp, 4
[email protected]_signed:
mov     ecx, DWORD PTR _a$[ebp]
cmp     ecx, DWORD PTR _b$[ebp]
jne     SHORT [email protected]_signed
push    OFFSET $SG739       ; ’a==b’
call    _printf
add     esp, 4
[email protected]_signed:
mov     edx, DWORD PTR _a$[ebp]
cmp     edx, DWORD PTR _b$[ebp]
jge     SHORT [email protected]_signed
push    OFFSET $SG741       ; ’a<b’
call    _printf
add     esp, 4
[email protected]_signed:
pop     ebp
ret     0
_f_signed   ENDP

第一个指令JLE意味如果小于等于则跳转。换句话说,第二个操作数大于或者等于第一个操作数,控制流将传递到指定地址或者标签。否则(第二个操作数小于第一个操作数)第一个printf()将被调用。第二个检测JNE:如果不相等则跳转。如果两个操作数相等控制流则不变。第三个检测JGE:大于等于跳转,当第一个操作数大于或者等于第二个操作数时跳转。如果三种情况都没有发生则无printf()被调用,事实上,如果没有特殊干预,这种情况几乎不会发生。

f_unsigned()函数类似,只是JBE和JAE替代了JLE和JGE,我们来看f_unsigned()函数

Listing 10.2: GCC

#!bash
_a$ = 8                                 ; size = 4
_b$ = 12                                ; size = 4
_f_unsigned     PROC
push    ebp
mov     ebp, esp
mov     eax, DWORD PTR _a$[ebp]
cmp     eax, DWORD PTR _b$[ebp]
jbe     SHORT [email protected]_unsigned
push    OFFSET $SG2761 ; ’a>b’
call    _printf
add     esp, 4
[email protected]_unsigned:
mov     ecx, DWORD PTR _a$[ebp]
cmp     ecx, DWORD PTR _b$[ebp]
jne     SHORT [email protected]_unsigned
push    OFFSET $SG2763 ; ’a==b’
call    _printf
add     esp, 4
[email protected]_unsigned:
mov     edx, DWORD PTR _a$[ebp]
cmp     edx, DWORD PTR _b$[ebp]
jae     SHORT [email protected]_unsigned
push    OFFSET $SG2765 ; ’a<b’
call    _printf
add     esp, 4
[email protected]_unsigned:
pop     ebp
ret     0
_f_unsigned     ENDP

几乎是相同的,不同的是:JBE-小于等于跳转和JAE-大于等于跳转。这些指令(JA/JAE/JBE/JBE)不同于JG/JGE/JL/JLE,它们使用无符号值。

我们也可以看到有符号值的表示(35)。因此我们看JG/JL代替JA/JBE的用法或者相反,我们几乎可以确定变量的有符号或者无符号类型。

main()函数没有什么新的内容:

Listing 10.3: main()

#!bash
_main   PROC
push    ebp
mov     ebp, esp
push    2
push    1
call    _f_signed
add     esp, 8
push    2
push    1
call    _f_unsigned
add     esp, 8
xor     eax, eax
pop     ebp
ret     0
_main   ENDP

10.1.2 x86 + MSVC + OllyDbg

我们在OD里允许例子来查看标志寄存器。我们从f_unsigned()函数开始。CMP执行了三次,每次的参数都相同,所以标志位也相同。

第一次比较的结果:fig. 10.1.标志位:C=1, P=1, A=1, Z=0, S=1, T=0, D=0, O=0.标志位名称为OD对其的简称。

当CF=1 or ZF=1时JBE将被触发,此时将跳转。

接下来的条件跳转:fig. 10.2.当ZF=0(zero flag)时JNZ则被触发

第三个条件跳转:fig. 10.3.我们可以发现14当CF=0 (carry flag)时,JNB将被触发。在该例中条件不为真,所以第三个printf()将被执行。

enter image description here

Figure 10.1: OllyDbg: f_unsigned(): 第一个条件跳转

enter image description here

Figure 10.2: OllyDbg: f_unsigned(): 第二个条件跳转

enter image description here

Figure 10.3: OllyDbg: f_unsigned(): 第三个条件跳转

现在我们在OD中看f_signed()函数使用有符号值。

可以看到标志寄存器:C=1, P=1, A=1, Z=0, S=1, T=0, D=0, O=0.

第一种条件跳转JLE将被触发fig. 10.4.我们可以发现14,当ZF=1 or SF≠OF。该例中SF≠OF,所以跳转将被触发。

下一个条件跳转将被触发:如果ZF=0 (zero flag): fig. 10.5.

第三个条件跳转将不会被触发,因为仅有SF=OF,该例中不为真: fig. 10.6.

enter image description here

Figure 10.4: OllyDbg: f_signed(): 第一个条件跳转

enter image description here

Figure 10.5: OllyDbg: f_signed(): 第二个条件跳转

enter image description here

Figure 10.6: OllyDbg: f_signed(): 第三个条件跳转

10.1.3 x86 + MSVC + Hiew

我们可以修改这个可执行文件,使其无论输入的什么值f_unsigned()函数都会打印“a==b”。

在Hiew中查看:fig. 10.7.

我们要完成以下3个任务:

1. 使第一个跳转一直被触发;
2. 使第二个跳转从不被触发;
3. 使第三个跳转一直被触发。

我们需要使代码流进入第二个printf(),这样才一直打印“a==b”。

三个指令(或字节)应该被修改:

1. 第一个跳转修改为JMP,但跳转偏移值不变。
2. 第二个跳转有时可能被触发,我们修改跳转偏移值为0后,无论何种情况,程序总是跳向下一条指令。跳转地址等于跳转偏移值加上下一条指令地址,当跳转偏移值为0时,跳转地址就为下一条指令地址,所以无论如何下一条指令总被执行。
3. 第三个跳转我们也修改为JMP,这样跳转总被触发。

修改后:fig. 10.8.

如果忘了这些跳转,printf()可能会被多次调用,这种行为可能是我们不需要的。

enter image description here

Figure 10.7: Hiew: f_unsigned() 函数

enter image description here

Figure 10.8: Hiew:我们修改 f_unsigned() 函数

10.1.4 Non-optimizing GCC

GCC 4.4.1非优化状态产生的代码几乎一样,只是用puts() (2.3.3) 替代 printf()。

10.1.5 Optimizing GCC

细心的读者可能会问,为什么要多次执行CMP,如果标志寄存器每次都相同呢?可能MSVC不会做这样的优化,但是GCC 4.8.1可以做这样的深度优化:

Listing 10.4: GCC 4.8.1 f_signed()

#!bash
f_signed:
mov     eax, DWORD PTR [esp+8]
cmp     DWORD PTR [esp+4], eax
jg      .L6
je      .L7
jge     .L1
mov     DWORD PTR [esp+4], OFFSET FLAT:.LC2 ; "a<b"
jmp     puts
.L6:
mov     DWORD PTR [esp+4], OFFSET FLAT:.LC0 ; "a>b"
jmp     puts
.L1:
rep     ret
.L7:
mov     DWORD PTR [esp+4], OFFSET FLAT:.LC1 ; "a==b"
jmp     puts

我们可以看到JMP puts替代了CALL puts/RETN。稍后我们介绍这种情况11.1.1.。

不用说,这种类型的x86代码是很少见的。MSVC2012似乎不会这样做。其他情况下,汇编程序能意识到此类使用。如果你在其它地方看到此类代码,更可能是手工构造的。

f_unsigned()函数代码:

Listing 10.5: GCC 4.8.1 f_unsigned()

#!bash
f_unsigned:
push    esi
push    ebx
sub     esp, 20
mov     esi, DWORD PTR [esp+32]
mov     ebx, DWORD PTR [esp+36]
cmp     esi, ebx
ja      .L13
cmp     esi, ebx ; instruction may be removed
je      .L14
.L10:
jb      .L15
add     esp, 20
pop     ebx
pop     esi
ret
.L15:
mov     DWORD PTR [esp+32], OFFSET FLAT:.LC2 ; "a<b"
add     esp, 20
pop     ebx
pop     esi
jmp     puts
.L13:
mov     DWORD PTR [esp], OFFSET FLAT:.LC0 ; "a>b"
call    puts
cmp     esi, ebx
jne     .L10
.L14:
mov     DWORD PTR [esp+32], OFFSET FLAT:.LC1 ; "a==b"
add     esp, 20
pop     ebx
pop     esi
jmp     puts

因此,GCC 4.8.1的优化算法并不总是完美的。

10.2 ARM

10.2.1 Keil + ARM mode优化后

Listing 10.6: Optimizing Keil + ARM mode

#!bash
.text:000000B8                          EXPORT f_signed
.text:000000B8              f_signed                ; CODE XREF: main+C
.text:000000B8 70 40 2D E9              STMFD   SP!, {R4-R6,LR}
.text:000000BC 01 40 A0 E1              MOV     R4, R1
.text:000000C0 04 00 50 E1              CMP     R0, R4
.text:000000C4 00 50 A0 E1              MOV     R5, R0
.text:000000C8 1A 0E 8F C2              ADRGT   R0, aAB ; "a>b
"
.text:000000CC A1 18 00 CB              BLGT    __2printf
.text:000000D0 04 00 55 E1              CMP     R5, R4
.text:000000D4 67 0F 8F 02              ADREQ   R0, aAB_0 ; "a==b
"
.text:000000D8 9E 18 00 0B              BLEQ    __2printf
.text:000000DC 04 00 55 E1              CMP     R5, R4
.text:000000E0 70 80 BD A8              LDMGEFD SP!, {R4-R6,PC}
.text:000000E4 70 40 BD E8              LDMFD   SP!, {R4-R6,LR}
.text:000000E8 19 0E 8F E2              ADR     R0, aAB_1 ; "a<b
"
.text:000000EC 99 18 00 EA              B       __2printf
.text:000000EC              ; End of function f_signed

ARM下很多指令只有某些标志位被设置时才会被执行。比如做数值比较时。

举个例子,ADD实施上是ADDAL,这里的AL是Always,即总被执行。判定谓词是32位ARM指令的高4位(条件域)。无条件跳转的B指令其实是有条件的,就行其它任何条件跳转一样,只是条件域为AL,这意味着总是被执行,忽略标志位。

ADRGT指令就像和ADR一样,只是该指令前面为CMP指令,并且只有前面数值大于另一个数值时(Greater Than)时才被执行。

接下来的BLGT行为和BL一样,只有比较结果符合条件才能出发(Greater Than)。ADRGT把字符串“a>b
”的地址写入R0,然后BLGT调用printf()。因此,这些指令都带有GT后缀,只有当R0(a值)大于R4(b值)时指令才会被执行。

然后我们看ADREQ和BLEQ,这些指令动作和ADR及BL一样,只有当两个操作数对比后相等时才会被执行。这些指令前面是CMP(因为printf()调用可能会修改状态标识)。 然后我们看LDMGEFD,该指令行为和LDMFD指令一样1,仅仅当第一个值大于等于另一个值时(Greater Than),指令才会被执行。

“LDMGEFD SP!, {R4-R6,PC}”恢复寄存器并返回,只是当a>=b时才被触发,这样之后函数才执行完成。但是如果a<b,触发条件不成立是将执行下一条指令LDMFD SP!, {R4-R6,LR},该指令保存R4-R6寄存器,使用LR而不是PC,函数并不返回。最后两条指令是执行printf()(5.3.2)。

f_unsigned与此一样只是使用对应的指令为ADRHI, BLHI及LDMCSFD,判断谓词(HI = Unsigned higher, CS = Carry Set (greater than or equal))请类比之前的说明,另外就是函数内部使用无符号数值。

我们来看一下main()函数:

Listing 10.7: main()

#!bash
.text:00000128                              EXPORT main
.text:00000128          main
.text:00000128 10 40 2D E9                  STMFD SP!, {R4,LR}
.text:0000012C 02 10 A0 E3                  MOV R1, #2
.text:00000130 01 00 A0 E3                  MOV R0, #1
.text:00000134 DF FF FF EB                  BL f_signed
.text:00000138 02 10 A0 E3                  MOV R1, #2
.text:0000013C 01 00 A0 E3                  MOV R0, #1
.text:00000140 EA FF FF EB                  BL f_unsigned
.text:00000144 00 00 A0 E3                  MOV R0, #0
.text:00000148 10 80 BD E8                  LDMFD SP!, {R4,PC}
.text:00000148          ; End of function main

这就是ARM模式如何避免使用条件跳转。

这样做有什么好处呢?因为ARM使用精简指令集(RISC)。简言之,处理器流水线技术受到跳转的影响,这也是分支预测重要的原因。程序使用的条件或者无条件跳转越少越好,使用断言指令可以减少条件跳转的使用次数。

x86没有这也的功能,通过使用CMP设置相应的标志位来触发指令。

10.2.2 Optimizing Keil + thumb mode

Listing 10.8: Optimizing Keil + thumb mode

#!bash
.text:00000072      f_signed                        ; CODE XREF: main+6
.text:00000072 70 B5                PUSH    {R4-R6,LR}
.text:00000074 0C 00                MOVS    R4, R1
.text:00000076 05 00                MOVS    R5, R0
.text:00000078 A0 42                CMP     R0, R4
.text:0000007A 02 DD                BLE     loc_82
.text:0000007C A4 A0                ADR     R0, aAB         ; "a>b
"
.text:0000007E 06 F0 B7 F8          BL      __2printf
.text:00000082
.text:00000082      loc_82                      ; CODE XREF: f_signed+8
.text:00000082 A5 42                CMP     R5, R4
.text:00000084 02 D1                BNE     loc_8C
.text:00000086 A4 A0                ADR     R0, aAB_0   ; "a==b
"
.text:00000088 06 F0 B2 F8          BL      __2printf
.text:0000008C
.text:0000008C      loc_8C                      ; CODE XREF: f_signed+12
.text:0000008C A5 42                CMP     R5, R4
.text:0000008E 02 DA                BGE     locret_96
.text:00000090 A3 A0                ADR     R0, aAB_1   ; "a<b
"
.text:00000092 06 F0 AD F8          BL      __2printf
.text:00000096
.text:00000096      locret_96                   ; CODE XREF: f_signed+1C
.text:00000096 70 BD                POP     {R4-R6,PC}
.text:00000096      ; End of function f_signed

仅仅Thumb模式下的B指令可能需要条件代码辅助,所以thumb代码看起来更普通一些。

BLE通常是条件跳转小于或等于(Less than or Equal),BNE—不等于(Not Equal),BGE—大于或等于(Greater than or Equal)。

f_unsigned函数是同样的,只是使用的指令用来处理无符号数值:BLS (Unsigned lower or same) 和BCS (Carry Set (Greater than or equal)).

原文链接:http://drops.wooyun.org/tips/1963

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