iOS逆向：函数本质（上）

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`）
复制代码

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

调试查看栈-01

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

调试查看栈-02

然后单步往下执行，发现x0、x1已经变成我们写入的值

调试查看栈-03

) 查看内存变化，发现sp拉伸了32字节

调试查看栈-04

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

调试查看栈-05

调试查看栈-06

此时sp的值并没有变化，还是指向40

调试查看栈-07

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

调试查看栈-08

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

调试查看栈-09

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

调试查看栈-10

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


.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


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

死循环崩溃图示

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）

bl图示

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

演示bl、ret指令-01

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？

演示bl、ret指令-02

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

演示bl、ret指令-03

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

演示bl、ret指令-04

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

演示bl、ret指令-05

执行完B中的mov x0, #0xbbbb，x0变成bbbb

演示bl、ret指令-06

执行B中的ret，会回到A中5eb8

演示bl、ret指令-07

继续执行A中的ret，会再次回到5eb8

演示bl、ret指令-08

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）

演示bl、ret指令-09

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

函数嵌套调试-01

进入c函数的汇编

函数嵌套调试-02

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
复制代码

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

函数嵌套调试-03

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


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


_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
复制代码

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


_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
复制代码

断点调试

查看此时sp寄存器的地址

函数嵌套调试-04

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

函数嵌套调试-05

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）

函数嵌套调试-06

执行A中的mov x0, #0xaaaa:x0变成aaaa

函数嵌套调试-07

执行A中的bl _B，跳转到B，此时lr变成 1e94，x0变成bbbb

函数嵌套调试-08

执行B的ret：从B回到A，此时lr还是 1e94

函数嵌套调试-09

执行A中的ldr x30, [sp], #0x10

函数嵌套调试-10

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

函数嵌套调试-11

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

函数嵌套调试-12

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