iOS汇编入门教程（三）汇编中的 Section 与数据存取

时间  2019-11-08
标签 ios 汇编 入门 教程 section 数据 存取 栏目 iOS 繁體版
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简介

在前两篇文章中，咱们介绍了反汇编的方法，调用栈的基本概念，以及如何经过 Xcode 去调试汇编代码，在这篇文章中，咱们将介绍如何在汇编中经过 Section 来实现数据存取。html

Segment 与 Section

在汇编代码中各个部分的头部，咱们经常能看到 .section 这样的声明，例以下面这段代码。ios

; Program
.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
.global _someFunc
.p2align 2
 _someFunc:
mov  x0, #0
ret
复制代码

用 MachOView 打开一个 Mach-O 格式的可执行文件，能够看到其中包含了大量 Segment 与 Section，例以下图。 bash

在 Stack Overflow 上，有一个关与 Section 与 Segment 的讨论，回答中提到：app

The segments contain information needed at runtime, while the sections contain information needed during linking.iphone

A segment can contain 0 or more sections.jsp

简单地说，Segment 是 Section 的集合，Segment 会指引着系统在指定的位置加载 Section，以下图所示。 async

其中 Segment 为下划线开头的大写字母组合，Section 为下划线开头的小写字母组合，例如 __TEXT,__text 表明 __TEXT Segment 指向的 __text Section。函数

在编写汇编代码的过程当中，咱们只须要关心 Section 的定义，Segment 会由编译系统自动建立，能够理解为咱们定义了一系列离散的代码和数据，系统在构建 Mach-O 文件时会将这些 Section 组合起来，将他们的地址经过 Section 统一管理。系统在执行 Mach-O 文件时，只须要从头部读取 Mach-O Header 便可获取到整个文件的 Section 信息，随后再进行后续的运行时加载。ui

为何须要 Section

看下面一个例子，咱们定义一个全局变量 counter，以及一个 getCount 方法。编码

int counter = 1;
int getCount() {
    return counter;
}
复制代码

为了实现以上代码，编译器必须为全局变量 counter 预先分配好虚拟地址，以便程序 load 时创建起全局变量的存储区，Section 中的 DATA 段便可完成这样的工做，它的声明以下：

.section	__DATA,__data
	.globl	_counter                ; @counter
	.p2align	2
_counter:
	.long	1                       ; 0x1
复制代码
  • 第一行用 .section 声明了该数据位于 __DATA,__data 段，这个区段的特色是加载后可读可写，所以将变量存储在这个区域；
  • 第二行的 .global 声明说明变量符号 counter 是一个全局变量，便可在其余文件中经过 extern 的方式引入；
  • 第三行的 .p2align 是用于指定程序的对齐方式，这相似于结构体的字节对齐，为的是加速程序的执行速度，p2align 的单位是指数，即按照 2 的 exp 次方对齐，上文中的 .p2align 2 即为按照 2^2 = 4 字节对齐，也就是说，若是单行指令或数据的长度不足4字节，将用 0 补全，超过 4 但不是 4 的倍数，则按照最小倍数补全；
  • 第四行是一个 label，用来表示 .long 1 所在的地址，以便后续的读写。

此外，代码也是一种数据，被存放在 __TEXT,__text 段，这个段的特色是内存空间只读，所以适合存放代码等定值。

如何读写 Section

让咱们看一下上面代码的完整汇编结果，使用以下命令便可将上文的 C 代码转成汇编。

clang -S -arch arm64 -isysroot `xcrun --sdk iphoneos --show-sdk-path` -fno-asynchronous-unwind-tables <your_c_file_path>
复制代码

汇编的完整结果以下。

.section	__TEXT,__text,regular,pure_instructions
	.globl	_getCount               ; -- Begin function getCount
	.p2align	2
_getCount:                              ; @getCount
	adrp x8, _counter@PAGE
	add x8, x8, _counter@PAGEOFF
	ldr w0, [x8]
	ret
                                        ; -- End function
	.section	__DATA,__data
	.globl	_counter                ; @counter
	.p2align	2
_counter:
	.long	1                       ; 0x1
复制代码

能够看到，底部即为上文讲到的用于全局变量存储的 __DATA,__data 段的声明，最上方则是对代码段 __TEXT,__text 的声明，随后即为 getCount 函数的代码。

从上面的结果能够看出，在汇编中，数据和代码是存储在一块儿的，数据本质上也是一种代码，所以读取 counter 变量本质上是从特定的地址读取内容，通常而言，基于程序计数器 PC 进行寻址便可，在 ARM64 中提供了可在 +/-4GB (33 bits) 范围内寻址的 adrp 命令，该命令的基本用法以下。

例如咱们要找到 counter 变量，本质上是计算当前指令距离 counter 变量的距离，即计算基于 PC 的偏移量，能表示的偏移量的最大长度决定了可以寻址的空间大小，能够想象，若是代码和数据段之间的距离过大，将难以经过一次运算进行寻址。计算 counter 变量地址的过程以下。

  1. 使用 adrp 命令计算出 _counter label 基于 PC 的偏移量的高 21 位，并存储在 x8 寄存器中，@PAGE 表明页偏移的高 21 位；

    adrp x8, _counter@PAGE
复制代码

  2. 使用 add 命令将余下的 12 位补齐，经过 @PAGEOFF 表明页偏移的低 12 位；

    add x8, x8, _counter@PAGEOFF
复制代码

  3. 此时，x8 中即为 counter 变量的实际地址了，经过 ldr 命令将寄存器的值读取到 w0 中，做为函数返回值。

    ldr w0, [x8]
ret
复制代码

看到这里，相信你会有个很大的疑问，为何不能一次性的将地址加载到 x8，而要拆分红高 21 位和低 12 位呢，这是由于 ARM64 虽然支持 64 位地址，但指令的长度仅有 32 位，所以难以经过一条指令去编码 64 位地址，因此才拆解成了 adrp + add 的组合，从而支持了正负 32 位地址偏移量范围的寻址。

若是你想深刻了解基于 PC 的寻址，能够阅读 What are @PAGE and @PAGEOFF symbols in IDA? 中的高票回答。

学会了经过 adrp 读取变量地址，那么写变量其实就是经过 str 将寄存器的值写入变量地址，假如咱们将计算结果存储在了 w1 寄存器，那么将 w1 写入 counter 变量的代码以下。

_addCount:
    ; omit function start
    adrp    x8, _counter@PAGE
    add     x8, x8, _counter@PAGEOFF
    ; omit code for save new value to w1
    str     w1, [x8]
    ; omit function end
复制代码

字符串的 Section 存储

咱们看以下这段代码。

#include <stdio.h>

char *secName = "MySec";

int main() {
    printf("the secName is %s", secName);
    return 0;
}
复制代码

这其中涉及到两个字符串，"MySec" 和 "the secName is %s"，它们被存储在 __TEXT,__cstring 段，声明以下。

.section	__TEXT,__cstring,cstring_literals
l_.str:                                 ; @.str
	.asciz	"MySec"

	.section	__TEXT,__cstring,cstring_literals
l_.str.1:                               ; @.str.1
	.asciz	"the secName is %s"
复制代码

所不一样的是，"My_Sec" 被做为全局变量 _secName 的初值，secName 的定义以下。

.section	__DATA,__data
	.globl	_secName                ; @secName
	.p2align	3
_secName:
	.quad	l_.str 复制代码

须要注意的是，这里的 _secName 符号是一个指针，它的值是字符串 "MySec" 的地址。

经过 Xcode 和 Mach-O 验证 Section 存储

首先新建一个 iOS Empty Project，命名为 ASM，之因此使用 iOS Project，是为了得到 ARM64 的运行环境，而后在工程中新建一个 example.s 文件，整个工程的配置以下。

; example.s
    ; Program
    .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
    .global _getSectionName, _getSectionNameAddress
    .p2align 2
 _getSectionName:
    adrp x8, _sectionName@PAGE
    add  x8, x8, _sectionName@PAGEOFF
    ldr  x0, [x8]
    ret
 _getSectionVersion:
    adrp x8, _sectionVersion@PAGE
    add  x8, x8, _sectionVersion@PAGEOFF
    ldr  w0, [x8]
    ret
 _getSectionNameAddress:
    adrp x8, _sectionName@PAGE
    add  x8, x8, _sectionName@PAGEOFF
    mov  x0, x8
    ret

    ; Global Data
    .section __DATA,__data
    .global _sectionVersion
    .p2align 2
_sectionVersion:
    .long 100

    .global _sectionName
    .p2align 3
_sectionName:
    .quad l_str

    ; String Literal
    .section __TEXT,__text,cstring_literals
l_str:
    .asciz "MySec"
复制代码
// main.m
#import "AppDelegate.h"
#include <mach-o/dyld.h>

extern int sectionVersion;
extern const char * sectionName;
extern uint64_t getSectionNameAddress(void);
extern const char * getSectionName(void);

uint64_t getProcessBaseAddress() {
    uint32_t numberImages = _dyld_image_count();
    for (uint32_t i = 0; i < numberImages; i++) {
        const struct mach_header *header = _dyld_get_image_header(i);
        const char *name = _dyld_get_image_name(i);
        const char *p = strrchr(name, '/');
        if (p && strcmp(p + 1, "ASM") == 0) {
            return (uint64_t)header;
        }
    }
    return -1;
}

int main(int argc, char * argv[]) {
    uint64_t baseAddress = getProcessBaseAddress();
    uint64_t sectionNameAddress = getSectionNameAddress();
    printf("process base address at 0x%llx\n", baseAddress);
    printf("the version is %d\n", sectionVersion);
    printf("get section address is 0x%llx\n", sectionNameAddress - baseAddress);
    printf("get section name %s\n", getSectionName());
    return 0;
}
复制代码

下面咱们运行代码，观察控制台的输出。

process base address at 0x100640000
the version is 100
get section address is 0x8de0
get section name MySec
复制代码

第一行打印出了程序运行的基址，随后分别打印了变量 sectionVersion 的值以及变量 sectionName 的地址和值，上述汇编代码相信经过讲解你已可以读懂，下面着重讲一下用于验证的 C 代码。

  1. 最上面的 extern 声明用于将汇编代码定义的变量和函数引入文件。

    extern int sectionVersion;
extern const char * sectionName;
extern uint64_t getSectionNameAddress(void);
extern const char * getSectionName(void);
复制代码

  2. dyld 函数用于获取主二进制 (ASM.app) 加载的基址，Mach-O 文件加载时，将以基址为偏移量，将全部虚拟地址映射到内存空间，所以获取到基址和变量在内存空间中的地址后，经过 实际地址 - 基址 便可获得变量的虚拟地址，即在 Section 中分配的地址；

  3. main 函数部分，为了获得 sectionName 的实际地址，第三个 printf 使用了 实际地址 - 基址 的公式来获得其虚拟地址。

上面代码的输出告诉了咱们 sectionName 的值位于地址 0x8de0，下面咱们用 MachOView 打开这个二进制文件，查看一下 0x8de0 的实际内容。

能够看到，变量位于 __DATA,__data 段，其值为 0x6b0c，须要注意的是，iOS 采用了小端字节序，即低字节在低位，高字节在高位，因此在读内存的值的时候每 2 个字节须要倒序读取，其原理能够用下面一段代码解释和判断。

uint16_t u = 1;
// for value 0x0001
// address | +0 | +1 |
// big-endian | 00 | 01 |
// little-endian | 01 | 00 |
// first byte big = 0x00, little = 0x01
printf("%s endian\n", *(uint8_t*)&u ? "little" : "big");
复制代码

经过上文咱们知道，sectionName 的值是 0x6b0c，是一个地址，这也验证了 sectionName 自己是个地址，那么 0x6b0c 存储的是否是字符串 "MySec" 呢，咱们继续经过 MachOView 查看。

能够看到，0x6b0c 位于 __TEXT,__text段，其值为 "MySec\0"，至此咱们完成了验证，读者能够本身尝试去验证 sectionVersion 的存储位置和值。

参考资料

  1. How can I get load address of an iOS app?
  2. What are @PAGE and @PAGEOFF symbols in IDA?
  3. What's the difference of section and segment in ELF file format
  4. BSS段、数据段、代码段、堆与栈
  5. ARM Document
  6. The A64 instruction set
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