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DAY 4
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Software Development

微自幹的作業系統輕旅行系列 第 10

組譯器與連結器 (下)

本文目標

  • 了解連結器與常見的連結方式
  • Lazy-binding
  • 建立對 elf file format 的基本認知

連結器的用途

連結器讓我們能夠對各個獨立文件進行編譯與組譯,這樣的好處顯而易見: 當一個專案有多個檔案時,如果僅修改一個檔案,我們不需要重新編譯全部的程式碼,而是編譯更動的程式再做連結即可。

靜態連結與動態連結

上圖取自該網站

靜態連結

多數人對於程式執行的第一個步驟便是執行 main() 函式,實際上卻不是這麼一回事。
假設有一支程式是以靜態連結的方式編譯,該程式被執行後的大致步驟如下:

./program -> fork() -> execve("./program", *argv[], *envp[])

執行 execve() 後,執行緒會從作業系統的 user_mode 切換至 kernel_mode 繼續執行:

sys_execve() -> do_execve() -> search_binary_handler() -> load_elf_binary()

載入執行檔的 binary 資料後,再切換回 user_mode 繼續執行:

_start -> main

關於系統呼叫 fork() 以及 execve() ,可以參考作業系統章節以更深入的了解它,至於本篇的重點則會聚焦在執行檔 elf 身上。

靜態連結的缺陷

上面所提到的方法便是靜態連結,這個方式會在程式運行之前將所有的 Library 進行連結與載入,如果有多個程式都使用到某一個很大的 Library ,便會產出不小的效能開銷。
此外,若使用靜態連結綁定的 Library 被發現有設計錯誤,即使該 Library 的作者已經將他更新,使用靜態連結的程式中仍是綁定舊有的 Library 。

動態連結

為了解決上述的問題,現今的系統會採用 Dynamic linking 的設計,這樣做會有以下優點:

  • 動態連結的 Library 只有在第一次載入時會產生動態開銷,之後都會採取 Fast linking 的方式做載入。
  • 如果有多個程式依賴同一個 Library ,那這個動態連結庫也只會被加載一次。

補充:
使用動態連結產生的程式碼與傳統的方式沒有太大的差異,最大的差別是,跳轉的目標並不是實際的函式,而是帶有三條指令的 Stub function 。
Stub function 會查詢主記憶體中的 Table 找出實際函式的位置再進行跳轉。
也因為第一次呼叫函式時,該函式並沒有被載入到主記憶體中 (Table 中找不到實體位置),所以在第一次調用函式時會產生額外的開銷。

./program -> fork() -> execve("./program", *argv[], *envp[])

執行 execve() 後,執行緒會從作業系統的 user_mode 切換至 kernel_mode 繼續執行:

sys_execve() -> do_execve() -> search_binary_handler() -> load_elf_binary()

載入執行檔的 binary 資料後,再切換回 user_mode 繼續執行:

ld.so -> _start -> libc_start_main() -> _init -> main

上面的 ld.so 便是動態連結器,它會負責按照可執行檔案運作時的需要載入與連結 shared library 。

Lazy-binding

當程式是利用 Dynamic linking 的方式做連結時,其函式位址會在執行週期才確定。這樣做的好處顯而易見: 程式引入的 library 的函式有千百個,但在執行周其中並不會都使用到,當函式被呼叫時再去載入它,就可以大幅提升執行效率。

判別是否為 Lazy-binding 的方法:
當我們利用逆向工具查看組合語言時,如果有發現 call function 的形式如 call puts@plt ,就代表該函式會在執行期間才做載入。

  • GOT: Global Offset Table

    GOT 其實就是一個存放函式指標的陣列。

    用來記錄在 ELF file 中用到的 Shared library 中符號的絕對地址, GOT 主要涵蓋以下內容:

    • .dynamic
      動態連結的資訊。

    • .got
      儲存全域變數的位址。

    • .got.plt

      Name Description
      address of .dynamic 指向 GOT 的 .dynamic
      link_map 一個鍊結串列,用來紀錄用到的 Library
      dl_runtime_resolve 找出函式的位址
    • .data

  • PLT: Procedure Linkage Table

流程

  • 程式碼中呼叫了 func
  • 執行 func@plt
  • func@plt 會跳到 GOT 的 .got.plt 尋找 func 的位置
  • func 的 id 推入 Stack 中。
  • 由於 func 是第一次呼叫,所以沒辦法順利在 .got.plt 找到函式位址,這時系統就會把 func 的位址寫進 .got.plt 當中。
  • 如此一來,等到 func 第二次被呼叫時,就可以直接找到其位址。

AIS3 2021 - Write me

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
    setvbuf(stdin, 0, 2, 0);
    setvbuf(stdout, 0, 2, 0);
    void *systemgot = 0x404028;
    void *scanfgot = 0x404040;
    //void *systemgot = (void *)((long long)(*(int *)(systemptr+2))+(long long)(systemptr+6));
    *(long long *)systemgot = (long long)0x0;

    printf("Address: ");
    void *addr;
    long long v;
    scanf("%ld",&addr);
    printf("Value: ");
    scanf("%ld",&v);
    *(long long *)addr = (long long)v;
    *(long long *)scanfgot = (long long)0x0;
    printf("OK! Shell for you :)\n");
    system("/bin/sh");
    return 0;
}

這一題將 GOT 中的 system() 清掉了,所以我們需要將它重新指向 PLT ,輸入:

Address: 4210728 (0x404028)
Value: 4198480 (0x401050)

即可獲得 Flag 。
至於為何是輸入 4198480 呢?我們先使用 IDA 打開 elf 檔案並查看 GOT :

_got_plt        segment qword public 'DATA' use64
.got.plt:0000000000404000                 assume cs:_got_plt
.got.plt:0000000000404000                 ;org 404000h
.got.plt:0000000000404000 _GLOBAL_OFFSET_TABLE_ dq offset _DYNAMIC
.got.plt:0000000000404008 qword_404008    dq 0                    ; DATA XREF: sub_401020↑r
.got.plt:0000000000404010 qword_404010    dq 0                    ; DATA XREF: sub_401020+6↑r
.got.plt:0000000000404018 off_404018      dq offset puts          ; DATA XREF: _puts+4↑r
.got.plt:0000000000404020 off_404020      dq offset __stack_chk_fail
.got.plt:0000000000404020                                         ; DATA XREF: ___stack_chk_fail+4↑r
.got.plt:0000000000404028 off_404028      dq offset system        ; DATA XREF: _system+4↑r
.got.plt:0000000000404028                                         ; main+5D↑o
.got.plt:0000000000404030 off_404030      dq offset printf        ; DATA XREF: _printf+4↑r
.got.plt:0000000000404038 off_404038      dq offset setvbuf       ; DATA XREF: _setvbuf+4↑r
.got.plt:0000000000404040 off_404040      dq offset __isoc99_scanf
.got.plt:0000000000404040                                         ; DATA XREF: ___isoc99_scanf+4↑r
.got.plt:0000000000404040                                         ; main+65↑o
.got.plt:0000000000404040 _got_plt        ends

對照基指可以得知 system() 會噴進 PLT 的第三個位址:

plt:0000000000401026 ; ---------------------------------------------------------------------------
.plt:000000000040102D                 align 10h
.plt:0000000000401030 ; [0000000F BYTES: COLLAPSED FUNCTION sub_401030. PRESS CTRL-NUMPAD+ TO EXPAND]
.plt:000000000040103F                 align 20h
.plt:0000000000401040 ; [0000000F BYTES: COLLAPSED FUNCTION sub_401040. PRESS CTRL-NUMPAD+ TO EXPAND]
.plt:000000000040104F                 align 10h
.plt:0000000000401050 ; [0000000F BYTES: COLLAPSED FUNCTION sub_401050. PRESS CTRL-NUMPAD+ TO EXPAND]
.plt:000000000040105F                 align 20h
.plt:0000000000401060 ; [0000000F BYTES: COLLAPSED FUNCTION sub_401060. PRESS CTRL-NUMPAD+ TO EXPAND]
.plt:000000000040106F                 align 10h
.plt:0000000000401070 ; [0000000F BYTES: COLLAPSED FUNCTION sub_401070. PRESS CTRL-NUMPAD+ TO EXPAND]
.plt:000000000040107F                 align 20h
.plt:0000000000401080 ; [0000000F BYTES: COLLAPSED FUNCTION sub_401080. PRESS CTRL-NUMPAD+ TO EXPAND]
.plt:000000000040108F                 align 10h
.plt:000000000040108F _plt            ends
.plt:000000000040108F

Lazy-loading 造成的安全性問題

Lazy-binding 雖能夠大幅度的提升程式的執行效率,但也因為該機制需要 GOT 能夠被寫入,所以如果有有心人士將 PLT 的對應位置改成 system call 的位置,那呼叫 plt function 時便會變呼叫 system call ,這點需要特別注意。

淺談目的檔

a.out 是舊版類 Unix 系統中用於執行檔、目的碼和後來系統中的函式庫的一種檔案格式,這個名稱的意思是組譯器輸出。
-- 維基百科

a.out 最早可以追朔到第一版 UNIX 作業系統上。對!就是那個搭載在 PDP-7 與 PDP-11 的 UNIX 作業系統。
隨著 UNIX 與 UNIX like 被越來越多人使用,我們可以在這些作業系統上看到他的身影。

a.out 的結構

a.out 檔案主要包含(最多)七個部分,參考 C 語言定義:

/*
 * Header prepended to each a.out file.
 */
struct exec {
    long      a_magic;   /* magic number */
    unsigned  a_text;    /* size of text segment */
    unsigned  a_data;    /* size of initialized data */
    unsigned  a_bss;     /* size of uninitialized data */
    unsigned  a_syms;    /* size of symbol table */
    unsigned  a_entry;   /* entry point */
    unsigned  a_trsize;  /* size of text relocation */
    unsigned  a_drsize;  /* size of data relocation */
};

先不考慮 a_magic ,以下為七個區塊的解說:

  • header (必備)

包含核心將二進位檔案載入入記憶體並執行所需的參數,也包含對動態連結器 ld 的指引。

以 C 語言程式為例,經過 gcc 編譯為 a.out 檔案後,會在 header 紀錄各個區塊所需要的大小。
Memory Layout

  • text section
    Text section 存放程式執行時被載入記憶體的機器碼和相關資料。

  • data section
    已初始化的資料。

    int a = 0;
    
  • text relocation
    包含連結編輯器在合併二進位檔案時修改文字段指標的記錄。

  • data relocation
    與文字重定位一節類似,但是給資料段指標用的。

  • symbol table
    Symbol table 包含 linker editor 用於交叉參照不同二進位檔案中變數和函式 (符號)。

    The symbol table is an array of nlist.
    -- FreeBSD Manual Pages

    至於 nlist 的結構,我們也可以參考 Linux 中的實作:

    struct nlist {
      union {
        char *n_name;
        struct nlist *n_next;
        long n_strx;
      } n_un;
      unsigned char n_type;
      char n_other;
      short n_desc;
      unsigned long n_value;
    };
    
  • string table
    包含對應於符號表的字串。

屬於 a.out 的魔術

a.out 有以下多種變體:

  • OMAGIC
    OMAGIC 除了必備的 header 以外,其後緊隨了 text section 和 data section , Kernel 會將這兩個部分讀入可讀寫的記憶體當中。
  • NMAGIC
    NMAGIC 與 OMAGIC 類似,差別在 data section 出現在 text section 結束後的下一頁,並且 text section 在 NMAGIC 格式為唯讀狀態。
  • ZMAGIC
    ZMAGIC 格式加入了對按需分頁的支援, text section 和 data section 的長度需要是頁寬的整數倍。
  • QMAGIC
    Binary file 通常會被載入到虛擬位址池的底端,以通過段錯誤擷取對空指標的解除參照。 a.out 的 Header 與 text section 的第一頁合併,通常會省下一頁的記憶體。
  • CMAGIC
    舊版的 Linux 使用此格式來存放核心轉儲。

有些專業術語用中文表示會讓原意跑掉,如果對 MAGIC 真的很感興趣的話可以參考 Stackoverflow 上的問答串

如何編譯出 a.out 檔案

若沒有指定 gcc 的輸出 -o 選項,在預設情況下, gcc 會直接把 C 語言編譯為 a.out 檔案。

可執行與可鏈結格式

a.out 的構造非常簡易,也因為這個特性, a.out 無法支援較為複雜的功能,如: 動態連結與載入等。
目前,主流的 UNIX Like 都已改採 .elf 格式作為標準的目的檔格式。

可執行與可鏈結格式 (Executable and Linkable Format) 簡稱為 elf 格式,我們通常會在編譯 C 語言程式時看到 .elf 檔案。

ELF

  • .text: 放置已編譯的程式碼 (組合語言)
  • .rodata: ro 表示 read-only ,該段落會放置常數
  • .data: 放置已初始化的全域變數或是靜態的區域變數
  • .bss: 未初始化的全域變數或是靜態的區域變數
  • .debug: 此段放置除錯資訊,可以幫助我們更順利的進行程式分析 (GDB)

使用 Binutils 查看 ELF

使用 --help 選項查看 readelf 有哪些功能可用:

readelf --help

一般來說, readelf 提供了以下功能:

  • -a, --all: 等同於 -h -l -s -S -r -d -V -A -I
  • -h, --file-header: 查看 ELF 文件的檔頭
  • -l, --program-headers, --segments: 顯示 Program headers
  • -S, --section-headers: 顯示 section's header

使用 Binutils 對 ELF 反組譯

使用 --help 選項查看 objdump 有哪些功能可用:

objdump --help

objdump 僅有兩大功能:

  • -D: 反組譯
  • -S: 將 ELF 反組譯並與 C Source code 混合輸出

透過上面的介紹可以了解到 elf 檔案在執行週期與連結時期時會用不同的觀點存取檔案,也因為 elf 檔案非常複雜,讀者有興趣的話可以參考陳鍾誠老師的教學文章

總結

最初規劃文章的時候本來想要用一篇講完組譯器與連結器,後來越寫越多乾脆連可執行文件與 lazy-binding 也一起補上了,希望能幫助到正在觀看文章的你 : )

Reference


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組譯器與連結器 (上)
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RISC V::關於基本暫存器
系列文
微自幹的作業系統輕旅行39

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