iOS逆向：函数本质（上）

Posted 2021-07-09 iOS大鑫

本文的主要目的是理解函数栈以及涉及的相关指令

在讲函数的本质之前，首先需要讲下以下几个概念栈、SP、FP

常识

栈

• 栈：是一种具有特殊的访问方式的存储空间（即先进后出 Last In Out First， LIFO）

• 高地址往低地址存数据（存：高-->低）

- 栈空间开辟：往低地址开辟（`开辟：高-->低`）
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SP和FP寄存器

• SP寄存器：在任意时刻会保存栈顶的地址

• FP寄存器（也称为x29寄存器）：属于通用寄存器，但是在某些时刻（例如函数嵌套调用时）可以利用它保存栈底的地址

注意：

• arm64开始，取消了32位的LDM、STM、PUSH、POP指令，取而代之的是 ldr/ldp、str/stp（r和p的区别在于处理的寄存器个数，r表示处理1个寄存器，p表示处理两个寄存器）

• arm64中，对栈的操作是16字节对齐的！！！

以下是arm64之前和arm64之后的一个对比 !

• 在arm64之前，栈顶指针是压栈时一个数据移动一个单元

• 在arm64开始，首先是从高地址往低地址开辟一段栈空间（由编译器决定），然后再放入数据，所以不存在push、pop操作。这种情况可以通过内存读写指令（ldr/ldp、str/stp）对其进行操作

函数调用栈

以下是常见的函数调用开辟 （sub）以及恢复栈空间 （add）的汇编代码

//开辟栈空间
sub    sp, sp, #0x40             ; 拉伸0x40（64字节）空间
stp    x29, x30, [sp, #0x30]     ;x29\\x30 寄存器入栈保护
add    x29, sp, #0x30            ; x29指向栈帧的底部
... 
ldp    x29, x30, [sp, #0x30]     ;恢复x29/x30 寄存器的值
//恢复栈空间
add    sp, sp, #0x40             ; 栈平衡
ret

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内存读写指令

• str（store register）指令（能和内存和寄存器交互的专门的指令）：将数据从寄存器中读出来，存到内存中 (即一个寄存器是8字节-64位）

• ldr（load register）指令：将数据从内存中读出来，存到寄存器中

• 此时ldr和str的变种 ldp和stp 还可以操作2个寄存器（即128位-16字节）

注意：

• 读/写数据都是往高地址读/写

• 写数据：先拉伸栈空间，再拿sp进行写数据，即先申请空间再写数据

练习

使用32个字节空间作为这段程序的栈空间，然后利用栈将x0和x1的值进行交换

sub sp, sp, #0x20       ;拉伸栈空间32个字节
stp x0, x1, [sp, #0x10] ;sp往上加16个字节，存放x0和x1
ldp x1, x0, [sp, #0x10] ;将sp偏移16个字节的值取出来，放入x1和x0，内存是temp（寄存器里面的值进行交换了）
add sp, sp, #0x20       ;栈平衡
ret                     ;返回

栈的操作如下图所示 !

调试查看栈

• 重写x0、x1的值

• register read sp【查看栈的存储情况：debug - debug workflow - view Memory】

• 然后单步往下执行，发现x0、x1已经变成我们写入的值

) 查看内存变化，发现sp拉伸了32字节

• stp x0, x1, [sp, #0x10]：将x0、x1写入fp偏移0x10的位置，继续往下执行一步

此时sp的值并没有变化，还是指向40

• ldp x1, x0, [sp, #0x10]：读取x0，x1的数据并交换，继续往下执行一步，此时内存并没有变化

疑问：再来看sp是否有变化？ 从结果来看，也没有变化。所以这里只是读出来进行的交换，并不会导致内存变化

• add sp, sp, #0x20：继续执行一步，走到栈平衡，即sp恢复了，此时的a和b仍然在内存中，等待着下一轮栈拉伸后数据的写入覆盖。如果此时读取，读取到的是垃圾数据

疑问：栈空间不断开辟，死循环，会不会崩溃？

在这里我们将会处理上篇（逆向初识汇编）文章中文末遗留的问题

下面我们通过一个汇编代码来演示

<!--asm.s-->
.text
.global _B

_B:
    sub sp,sp,#0x20
    stp x0,x1,[sp,#0x10]
    ldp x1,x0,[sp,#0x10];寄存器里面的值进行交换
    bl _B
    add sp,sp,#0x20
    ret

<!--调用-->
int B();

int main(int argc, char * argv[]) {
    B();
}

运行结果发现：死循环会崩溃，会导致堆栈溢出

bl 、ret指令

• b 标号 ：跳转

• bl标号

  • 将下一条指令的地址放入lr（x30）寄存器（lr保存的是回家的路）（即l）
  • 转到标号处执行指令（即b）

等到B函数ret时，通过lr获取回家的路（注：lr就是保存回家的路）

• ret

  • 默认使用lr（x30）寄存器的值，通过底层指令提示CPU此处作为下条指令地址

  • arm64平台的特色指令，它面向硬件做了优化处理的

练习

下面通过汇编代码来演示bl、ret指令

.text
.global _A, _B

_A:
    mov x0\\. #0xaaaa
    bl _B
    mov x0, #0xaaaa
    ret

_B:
    mov x0, #0xbbbb
    ret

• 断点运行

疑问：发现A和print之间你还有几个汇编操作，这个是什么意思呢？

• 执行mov x0\\. #0xaaaa：x0变成aaaa，此时此刻lr寄存器保存的是5f34

• 验证lr是否保存的是5f34，通过查看寄存器发现结果与预期是一致的

• 继续执行bl _B，跳转到B，此时的lr会变成A中bl的下一条指令的地址5eb8

• 执行完B中的mov x0, #0xbbbb，x0变成bbbb

• 执行B中的ret，会回到A中5eb8

• 继续执行A中的ret，会再次回到5eb8

走到这里，发现死循环了，主要是因为lr一直是5eb8，ret只会看lr 。其中pc是指接下来要执行的内存地址，ret是指让CPU将lr作为接下来执行的地址（相当于将lr赋值给pc）

疑问1：此时B回到A没问题，那么A回到viewDidload怎么回呢？

• 需要在A的bl之前保护lr寄存器
  • 疑问2：是否可以保存到其他寄存器上？答案是不可以，原因是不安全，因为你不确定这个寄存器会在什么时候被别人使用
  • 正确做法：保存到栈区域

系统中函数嵌套是如何返回？ 下面我们来看下系统是如何操作的，例如：d -> c -> viewDidLoad

void d(){
}
void c(){
    d();
    return;
}
- (void)viewDidLoad{
    [super viewDidLoad];
    printf("A");
    c();
    printf("B");
}

• 查看汇编，断点断在c函数

• 进入c函数的汇编

• stp x29,x30,[sp,#-0x10]!：边开辟栈，边写入,其中 x29就是fp，x30是lr。!表示将这里算出来的结果，赋值给sp

- `lsp x29,x30,[sp],#0x10`：读取sp指向地址的数据，放入x29、x30，然后`,,#0x10`表示将sp+0x10,赋值给sp
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• 结论：当有函数嵌套调用时，将上一个函数的地址通过x30（即lr）放在栈中保存，保证可以找到回家的路，如下图所示

自定义汇编代码完善：_A中保存回家的路 所以根据系统的函数嵌套操作，最终在_A中增加了如下汇编代码，用于保存回家的路

<!--导致死循环的汇编代码-->
_A:
    mov x0\\. #0xaaaa
    bl _B
    mov x0, #0xaaaa
    ret

<!--增加lr保存：可以找到回家的路-->
_A:
    sub sp, sp, #0x10  //拉伸
    str x30, [sp]     //存
    mov x0, #0xaaaa
    //保护lr寄存器，存储到栈区域
    bl _B
    mov x0, #0xaaa
    ldr x30, [sp]      //修改lr，用于A找到回家的路
    add sp, sp, #0x10 //栈平衡
    ret
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修改_A、_B：改成简写形式

• 其中lr是x30的一个别名

_A:
    sub sp, sp, #0x10  //拉伸
    str x30, [sp]     //存
    mov x0, #0xaaaa
    //保护lr寄存器，存储到栈区域
    bl _B
    mov x0, #0xaaa
    ldr x30, [sp]      //修改lr，用于A找到回家的路
    add sp, sp, #0x10 //栈平衡
    ret

_B:
    mov x0, #0xbbbb
    ret

<!--改成简写形式-->
_A:
    //sub sp, sp, #0x10  //拉伸
    //str x30, [sp]     //存
    str x30, [sp, #-0x10]
    mov x0, #0xaaaa
    //保护lr寄存器，存储到栈区域
    bl _B
    mov x0, #0xaaa
    //ldr x30, [sp]      //修改lr，用于A找到回家的路
    //add sp, sp, #0x10 //栈平衡
    ldr x30, [sp], #0x10 //将sp的值读取出来，给到x30，然后sp += 0x10
    ret

_B:
    mov x0, #0xbbbb
    ret
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断点调试

• 查看此时sp寄存器的地址

• 执行str x30, [sp, #-0x10]，继续查看sp，发现sp变化了，但是此时lr没变

查看0x16f5a1c50的memory，此时放入的是lr的值 861f2c，即ViewDidLoad中的bl下一条指令的地址，目前只放了8个字节（1个寄存器）

• 执行A中的mov x0, #0xaaaa:x0变成aaaa

• 执行A中的bl _B，跳转到B，此时lr变成 1e94，x0变成bbbb

• 执行B的ret：从B回到A，此时lr还是 1e94

• 执行A中的ldr x30, [sp], #0x10

发现此时sp也变了，从0x16f5a1c50->0x16f5a1c60。从这里可以看出，A找到了回家的路

疑问：为什么是拉伸16字节，而不是8字节呢？ 通过手动尝试，有以下说明：

• 写入没问题

• 读取时会崩溃：因为sp中，对栈的操作必须是16字节对齐的，所以会在做栈的操作时就会崩溃

x30寄存器

• x30寄存器存放的是函数的返回地址，当ret指令执行时刻，会寻找x30寄存器保存的地址值

• 注意：在函数嵌套调用时，需要将x30入栈

• lr是x30的别名

• sp栈里面的操作必须是16字节对齐，崩溃是在栈的操作时挂的

总结

作为一个开发者，有一个学习的氛围跟一个交流圈子特别重要，这是一个我的iOS开发交流群：130595548，不管你是小白还是大牛都欢迎入驻 ，让我们一起进步，共同发展！（群内会免费提供一些群主收藏的免费学习书籍资料以及整理好的几百道面试题和答案文档！）

• 栈：是一种具有特殊的访问方式的存储空间（后进先出，Last in First out， LIFO）

  • ARM64里面对栈的操作是16字节对齐的

• SP和FP寄存器

  • SP寄存器在任意时刻会保存栈顶的地址
  • FP寄存器也称为x29寄存器，属于通用寄存器，但是在某些时刻利用它保存栈底的地址

• 栈的读写指令

  • 读：ldr（load register）指令 LDR、LDP

  • 写：str（store register）指令 STR、STP

• 汇编练习

  • 指令

    • sub sp,sp,$0x10 ;拉伸栈空间18字节

    • stp x0,x1,[sp] ;sp所在位置存放x0、x1

  • 简写

    • str x0,x1,[sp,$-0x10]!（！就是将[]里面的结果赋值给sp）

• bl指令

  • 跳转指令：bl 标号，表示程序执行到标号处，将下一条指令的地址保存到lr寄存器

  • B代表着跳转

  • L表示lr（x30）寄存ios_reverse_02器

• ret指令

  • 类似函数的return
  • 让CPU执行lr寄存器所指向的指令

• 避免嵌套函数无法回去：需要保护bl（即lr寄存器，存放回家的路），保存在当前函数自己的栈空间