binary hacks读数笔记(装载)-白红宇

binary hacks读数笔记(装载)

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发布时间：2019-06-14

本文共 10296 字，大约阅读时间需要 34 分钟。

1、地址空间

在linux系统中，每个进程拥有自己独立的虚拟地址空间，这个虚拟地址空间的大小是由计算机硬件决定的，具体地说，是由CPU的位数决定的。比如，32位硬件平台决定的虚拟地址空间大小：0——2³²-1。即0x00000000——0xFFFFFFFF。

　　在linux系统中，整个4GB内存空间被分成两部分。其中操作系统本身用去一部分，从地址0xC0000000到0xFFFFFFFF。剩下的低地址的0x00000000到0xBFFFFFFF的3GB虚拟空间由进程使用。

　　装载有两种方式——覆盖装入与页映射。现在操作系统主要是页映射方式。装载过程在创建进程时主要做以下三件事：

1、创建一个独立的虚拟地址空间；

2、读取可执行文件头，并且建立虚拟地址空间与可执行文件的映射；

3、将CPU指令寄存器设置成可执行文件的入口地址，启动执行。

创建虚拟地址空间并不是创建空间，而是创建映射函数所需要的数据结构，实际上就是分配一个页目录，甚至不用设置页映射关系，这些映射关系可以等到程序发生页错误时在进行设置。

读取可执行文件头，并且建立虚拟空间与可执行文件的映射关系：当程序发生页错误的时候，操作系统将从物理内存中分配一个物理页，然后将该”缺页”从磁盘中读取到内存中，再设置缺页的虚拟页和物理页的映射关系。当操作系统捕获到缺页错误时，它应知道程序当前所需要的页在可执行文件中的哪一个位置。这就是虚拟空间与可执行文件之间的映射关系。Linux中将进程虚拟空间中的一个段叫做虚拟内存区域（VMA），在Windows中将这个叫做”虚拟段”。

将CPU指令寄存器设置成可执行文件入口，启动运行：操作系统通过设置CPU的指令寄存器将控制权交给进程，由此进程开始执行。

2、页错误

当CPU开始打算执行一个地址指令时，发现页面是空页面，于是它认为这是一个页错误。CPU将控制权交给操作系统，操作系统将查询第二步建立的数据结构，然后找到VMA，计算出相应的页面在可执行文件中的偏移，然后在物理内存中分配一个物理页面，将进程中该虚拟页与分配的物理页之间建立映射关系，然后把控制权交回给进程，进程从刚才错误页位置重新开始执行。

3、进程虚存空间分布

3.1、ELF文件链接视图和执行视图

如果可执行文件只有一个代码段，所有它被操作系统转载至进程地址空间之后，相对应的只有一个VMA。

当段的数量增多时，就会产生空间浪费问题。为了避免这种问题，可以把相同的段合并。

看一个例子：

1 #include
     
        2   3 int main()  4 {  5         while(1)  6         {  7                 sleep(1000);  8         }  9         return 0; 10 }

gcc -static SectionMapping.c -o SectionMapping.elf

下面看一下，上述elf文件的section分布。

[root@tlinux /]# readelf -S SectionMapping.elf There are 34 section headers, starting at offset 0xd0aa0:Section Headers:  [Nr] Name              Type             Address           Offset       Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0  [ 1] .note.ABI-tag     NOTE             0000000000400190  00000190       0000000000000020  0000000000000000   A       0     0     4  [ 2] .note.gnu.build-i NOTE             00000000004001b0  000001b0       0000000000000024  0000000000000000   A       0     0     4  [ 3] .rela.plt         RELA             00000000004001d8  000001d8       0000000000000108  0000000000000018  AI       0    25     8  [ 4] .init             PROGBITS         00000000004002e0  000002e0       000000000000001a  0000000000000000  AX       0     0     4  [ 5] .plt              PROGBITS         0000000000400300  00000300       00000000000000b0  0000000000000000  AX       0     0     16  [ 6] .text             PROGBITS         00000000004003b0  000003b0       0000000000091916  0000000000000000  AX       0     0     16  [ 7] __libc_thread_fre PROGBITS         0000000000491cd0  00091cd0       00000000000000b2  0000000000000000  AX       0     0     16  [ 8] __libc_freeres_fn PROGBITS         0000000000491d90  00091d90       0000000000001aef  0000000000000000  AX       0     0     16  [ 9] .fini             PROGBITS         0000000000493880  00093880       0000000000000009  0000000000000000  AX       0     0     4  [10] .rodata           PROGBITS         00000000004938a0  000938a0       00000000000196f8  0000000000000000   A       0     0     32  [11] .stapsdt.base     PROGBITS         00000000004acf98  000acf98       0000000000000001  0000000000000000   A       0     0     1  [12] __libc_thread_sub PROGBITS         00000000004acfa0  000acfa0       0000000000000008  0000000000000000   A       0     0     8  [13] __libc_subfreeres PROGBITS         00000000004acfa8  000acfa8       0000000000000050  0000000000000000   A       0     0     8  [14] __libc_IO_vtables PROGBITS         00000000004ad000  000ad000       00000000000006a8  0000000000000000   A       0     0     32  [15] __libc_atexit     PROGBITS         00000000004ad6a8  000ad6a8       0000000000000008  0000000000000000   A       0     0     8  [16] .eh_frame         PROGBITS         00000000004ad6b0  000ad6b0       000000000000e234  0000000000000000   A       0     0     8  [17] .gcc_except_table PROGBITS         00000000004bb8e4  000bb8e4       0000000000000105  0000000000000000   A       0     0     1  [18] .tdata            PROGBITS         00000000006bbeb0  000bbeb0       0000000000000020  0000000000000000 WAT       0     0     16  [19] .tbss             NOBITS           00000000006bbed0  000bbed0       0000000000000038  0000000000000000 WAT       0     0     16  [20] .init_array       INIT_ARRAY       00000000006bbed0  000bbed0       0000000000000010  0000000000000008  WA       0     0     8  [21] .fini_array       FINI_ARRAY       00000000006bbee0  000bbee0       0000000000000010  0000000000000008  WA       0     0     8  [22] .jcr              PROGBITS         00000000006bbef0  000bbef0       0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8  [23] .data.rel.ro      PROGBITS         00000000006bbf00  000bbf00       00000000000000e4  0000000000000000  WA       0     0     32  [24] .got              PROGBITS         00000000006bbfe8  000bbfe8       0000000000000008  0000000000000008  WA       0     0     8  [25] .got.plt          PROGBITS         00000000006bc000  000bc000       0000000000000070  0000000000000008  WA       0     0     8  [26] .data             PROGBITS         00000000006bc080  000bc080       0000000000001690  0000000000000000  WA       0     0     32  [27] .bss              NOBITS           00000000006bd720  000bd710       0000000000002158  0000000000000000  WA       0     0     32  [28] __libc_freeres_pt NOBITS           00000000006bf878  000bd710       0000000000000030  0000000000000000  WA       0     0     8  [29] .comment          PROGBITS         0000000000000000  000bd710       000000000000002d  0000000000000001  MS       0     0     1  [30] .note.stapsdt     NOTE             0000000000000000  000bd740       0000000000000f88  0000000000000000           0     0     4  [31] .symtab           SYMTAB           0000000000000000  000be6c8       000000000000b9e8  0000000000000018          32   815     8  [32] .strtab           STRTAB           0000000000000000  000ca0b0       0000000000006870  0000000000000000           0     0     1  [33] .shstrtab         STRTAB           0000000000000000  000d0920       000000000000017b  0000000000000000           0     0     1Key to Flags:  W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings), I (info),  L (link order), O (extra OS processing required), G (group), T (TLS),  C (compressed), x (unknown), o (OS specific), E (exclude),  l (large), p (processor specific)

操作系统至关心段的权限(可读，可写，可执行)。

ELF文件中，段的权限基本是三种:

以代码段为代表的权限可读可执行的段

以数据段和BSS段为代码的权限为可读可写的段

以只读数据为代表的权限为只读的段

一个简单的方案：对于相同权限的段，把它们合并到一起当作一个段进行映射。

一个”Segment”包含一个或多个属性类似的”Section”。

从链接的角度看，ELF文件是按”Section”存储的，从装载的角度看ELF文件又可以按照”Segment”划分。

“Section”和”Segment”是从不同角度来划分同一个ELF文件的。这个在ELF种被称为视图，从”Section”的角度来看ELF文件就是链接视图，从”Segment”的角度来看就是执行视图。

ELF可执行文件中有一个专门的数据结构叫做程序头表用来保存”Segment”信息。

数据段和BSS段唯一区别就是：数据段从文件中初始化内容，而BSS段的内容全都初始化为0。

程序的程序头可由readelf -l SectionMapping.elf 获取

Elf file type is EXEC (Executable file)Entry point 0x400ecdThere are 6 program headers, starting at offset 64Program Headers:  Type           Offset             VirtAddr           PhysAddr                 FileSiz            MemSiz              Flags  Align  LOAD           0x0000000000000000 0x0000000000400000 0x0000000000400000                 0x00000000000bb9e9 0x00000000000bb9e9  R E    200000  LOAD           0x00000000000bbeb0 0x00000000006bbeb0 0x00000000006bbeb0                 0x0000000000001860 0x00000000000039f8  RW     200000  NOTE           0x0000000000000190 0x0000000000400190 0x0000000000400190                 0x0000000000000044 0x0000000000000044  R      4  TLS            0x00000000000bbeb0 0x00000000006bbeb0 0x00000000006bbeb0                 0x0000000000000020 0x0000000000000058  R      10  GNU_STACK      0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000                 0x0000000000000000 0x0000000000000000  RW     10  GNU_RELRO      0x00000000000bbeb0 0x00000000006bbeb0 0x00000000006bbeb0                 0x0000000000000150 0x0000000000000150  R      1 Section to Segment mapping:  Segment Sections...   00     .note.ABI-tag .note.gnu.build-id .rela.plt .init .plt .text __libc_thread_freeres_fn __libc_freeres_fn .fini .rodata .stapsdt.base __libc_thread_subfreeres __libc_subfreeres __libc_IO_vtables __libc_atexit .eh_frame .gcc_except_table    01     .tdata .init_array .fini_array .jcr .data.rel.ro .got .got.plt .data .bss __libc_freeres_ptrs    02     .note.ABI-tag .note.gnu.build-id    03     .tdata .tbss    04        05     .tdata .init_array .fini_array .jcr .data.rel.ro .got

6.4.2 堆和栈

操作系统通过使用VMA来对进程的地址空间进行管理。进程在执行的时候它还需要用到栈、堆等空间。一个进程中的栈和堆分别对应一个VMA。

进程虚拟地址空间的概念：操作系统通过给进程空间划分一个个VMA来管理进程的虚拟空间；基本原则就是将相同权限属性的、有相同映像文件的映射成一个VMA；一个进程基本上可以分为几种VMA区域：

- 代码VMA，权限只读、可执行；有映像文件。
- 数据VMA，权限可读写、可执行；有映像文件。
- 堆VMA，权限可读写、可执行；无映像文件，匿名，可向上扩展。
- 栈VMA，权限可读写、不可执行；无映像文件，匿名，可向下扩展。

6.4.3 堆的最大申请数量

理论上Linum下虚拟地址空间分给进程本身的是3GB，win是2GB，但实际上，Linux分配的程序的最大内存是2.9GB，win分配的为1.5GB。

有些操作系统使用了一种叫做随机地址空间分布技术，使得进程的堆空间变小。

下面的代码可以简单查看操作系统可申请堆大小：

1 #include
     
        2 #include
      
         3   4 unsigned maxinum=0;  5 int main()  6 {  7   8         unsigned blocked[]={
   1024*1024,1024,1};  9         int i,count; 10         for(i=0;i<3;i++){ 11                 for(count=1;;count++){ 12                         void* block=malloc(maxinum+blocked[i]*count); 13                         if(block){ 14                                 maxinum=maxinum+blocked[i]*count; 15                         }else{ 16  17                                 break; 18                         } 19                 } 20         } 21         printf("maxinum malloc size= %u bytes\n",maxinum); 22 }