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一种C++踩内存的定位方法

2019-11-01 22:40 ⁄ 工业·编程 ⁄ 共 5617字 ⁄ 字号 小 中 大 ⁄ 暂无评论

   在嵌入式应用开发过程中，踩内存的问题常常让人束手无策。使用gdb调试工具，可以大幅加快问题的定位。不过，对于某些踩内存的问题，它的表现是间接的，应用崩溃的位置也是不固定的，这就给问题定位带来了更大的困难。

    笔者见过带有虚函数C++的类对象在试图调用虚函数时，因指向虚函数的表指针被踩了，导致获取虚函数的地址是错识的，从而应用崩溃。此问题的表现就是间接的：在踩内存发生时，应用没有崩溃；当应用崩溃时，执行的代码是踩内存的“历史遗迹”。

  为了让应用在踩内存时就发生崩溃（这样可以使用gdb调试，或分析其coredump），一种方法是将C++类对象配置成只读属性；可用的系统调用为mprotect，它可以配置一段对页对齐的内存区域内存的读写属性。

下面笔者对此问题进行了抽象和简化，完整的代码如下（memory-test.cpp）：

#include <new>

#include <cstdio>

#include <cerrno>

#include <cstring>

#include <cstdlib>

#include <sys/types.h>

#include <sys/mman.h>

#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>

#include <malloc.h>

 

#define MEM_PAGESIZE   4096

 

class MemBase {

public:

        MemBase(int x_ = 1, int y_ = 9);

        virtual void testFunc0();

        virtual void testFunc1();

        virtual ~MemBase();

 

protected:

        void memProtect(bool readonly);

 

protected:

        unsigned char area[MEM_PAGESIZE * 3];

        int x, y;

};

 

class MemDeriv : public MemBase {

public:

        MemDeriv(int x_ = 2, int y_ = 8);

        virtual void testFunc0();

        virtual void testFunc1();

        virtual ~MemDeriv();

 

protected:

        int z;

};

 

int main(int argc, char *argv[])

{

        MemDeriv * obj0;

 

        obj0 = new MemDeriv(3, 6);

        obj0->testFunc0();

        obj0->testFunc1();

 

        delete obj0;

        obj0 = NULL;

        return 0;

}

 

void MemBase::memProtect(bool readonly)

{

        int ret;

        size_t msize;

        unsigned long pa;

 

        pa  = (unsigned long) area;

        pa -= sizeof(void *); /* sizeof the TAB, what ever it is */

        if (pa & (MEM_PAGESIZE - 1)) {

                pa &= ~(MEM_PAGESIZE - 1);

                pa += MEM_PAGESIZE;

                msize = MEM_PAGESIZE * 2;

        } else {

                msize = MEM_PAGESIZE * 3;

        }

 

        if (readonly) {

                /* initialize the memory */

                memset(area, 0xA5, sizeof(area));

        }

 

        ret = mprotect((void *) pa, msize,

                readonly ? PROT_READ /* or PROT_NONE */ : PROT_READ | PROT_WRITE);

        if (ret != 0) {

                fprintf(stderr, "Error, failed to mprotect(%p): %s\n",

                        (void *) pa, strerror(errno));

                fflush(stderr);

        }

}

 

MemBase::MemBase(int x_, int y_)

{

        x = x_;

        y = y_;

        fprintf(stdout, "Constructing MemBase, this: %p, area: %p, x: %d (%p), y: %d (%p)\n",

                (void *) this, (void *) area, x, &x, y, &y);

        fflush(stdout);

}

 

void MemBase::testFunc0()

{

        fprintf(stdout, "In function [%s], x: %d\n", __FUNCTION__, x);

        fflush(stdout);

}

 

void MemBase::testFunc1()

{

        fprintf(stdout, "In function [%s], y: %d\n", __FUNCTION__, y);

        fflush(stdout);

}

 

MemBase::~MemBase()

{

        fprintf(stdout, "Deconstructing MemBase, this: %p\n", (void *) this);

        fflush(stdout);

}

 

MemDeriv::MemDeriv(int x_, int y_) : MemBase(x_, y_)

{

        z = x + y;

        fprintf(stdout, "Construction MemDeriv, this: %p, z: %d (%p)\n",

                (void *) this, z, &z);

        fflush(stdout);

        memProtect(true);

}

 

void MemDeriv::testFunc0()

{

        fprintf(stdout, "In function [%s], z: %d\n", __FUNCTION__, z);

        fflush(stdout);

}

 

void MemDeriv::testFunc1()

{

        fprintf(stdout, "In function [%s], z: %d\n", __FUNCTION__, z);

        fflush(stdout);

}

 

MemDeriv::~MemDeriv()

{

        memProtect(false);

        fprintf(stdout, "Deconstructing MemDeriv, this: %p\n", (void *) this);

        fflush(stdout);

}

    由于mprotect系统调用的限制，我们只能对基类(MemBase)中增加的3个页大小的内存区域area（中的两个页大小的内存区域）设置只读属性（假设设备的内存页大小为4096字节）。不过，在某些情况下，我们也希望对函数表指针进行保护，于是就有了第60行代码：

pa -= sizeof(void *); /* sizeof the TAB, what ever it is */

    这样做是有原因的。当创建C++类对象时，大多数情况下，area缓存的起始地址并不是页对齐的；当类对象的起始地址（即this指针）是页对齐的，那么area就偏移了sizeof(void *)字节，这样一来被配置为只读属性的起始地址就是在this指针偏移了4096字节之后：有时候，被踩内存的大小不足一个页的大小，就不会发生踩内存时的崩溃问题了。这是加入第60行代码的原因。

试着运行一下，此方法确定可行的，测试应用可以正常运行：

    见上图，这里没有测试踩内的异常情况，因此应用可以正常退出。下面让我们来测试一下上面假设的情况，即创建的C++类对象恰好在页对齐的地址上。我们将完整的代码重命名为memory-test1.cpp，将重写main函数，确保创建的类对像this指针是页对齐的，这样就可以对虚函数表指针进行mprotect保护了：

int main(int argc, char *argv[])

{

        void * palign;

        MemDeriv * obj0;

 

        palign = memalign(MEM_PAGESIZE, sizeof(MemDeriv));

        if (palign == NULL) {

                fprintf(stderr, "malloc(%#x) has failed: %s\n",

                        (unsigned int) sizeof(MemDeriv), strerror(errno));

                fflush(stderr);

                exit(1);

        }

 

        obj0 = new(palign) MemDeriv(4, 5);

        obj0->testFunc0();

        obj0->testFunc1();

        obj0->~MemDeriv();

 

        free(obj0);

        obj0 = NULL;

        return 0;

}

    如果一切顺利，memory-test1.cpp编译得到的test1就能够正常运行：

    结果却是应用崩溃了！使用gdb试一下，发现应用崩溃发生在子类的析构函数中，在调用memProtect成员函数前，就会对虚函数表指针进行写操作。一方面，我们得知mprotect确实能够正常工作，将一段内存设置为只读；另一方面，我们知道，在子类析构函数中，会操作虚函数表，因此该定位踩内存的方法存在严重缺陷——所有的工作都浪费了：

    这样的结果是不可接受的。我们不希望浪费这些工作，需要继续改进此方法；而改进此方法的手段，就是让C++子类的析构函数在调用memProtect成员函数之后再对虚函数表指针进行写操作。这样在memory-test1.cpp的基础上，改成了memory-test2.cpp，对MemDeriv的析构函数增加了很多nop指令：

MemDeriv::~MemDeriv()

{

        asm volatile (

                "\tnop\n"

                "\tnop\n"

                "\tnop\n"

                "\tnop\n"

                "\tnop\n"

                "\tnop\n" : : : "memory");

        memProtect(false);

        asm volatile (

                "\tnop\n"

                "\tnop\n"

                "\tnop\n"

                "\tnop\n"

                "\tnop\n"

                "\tnop\n"

                "\tnop\n"

                "\tnop\n"

                "\tnop\n"

                "\tnop\n"

                "\tnop\n"

                "\tnop\n"

                "\tnop\n" : : : "memory");

        fprintf(stdout, "Deconstructing MemDeriv, this: %p\n", (void *) this);

        fflush(stdout);

}

相应的，析构函数的反汇编如下（反汇编test2）：

    有了足够的nop指令填充代码段的空间，就可以对test2进行修改了，编写简单hed操作指令，对test2进行修改（hed的源码在下载页的压缩包中）。修改完成后，对析构函数的反汇编就变成了：

可以看到，test2在修改前后，文件大小未改变，但MD5较验值不同：

    接下来最后一搏，对test2进行测试，就能够正常运行了：

至此，我们的调试C++类被踩内存的方法就成功了：它将我们从踩内存的第二现场带到了案发第一现场。不过在应用崩溃时，还是需要gdb的协助，才得到定位。需要注意的是，该方案有几点要说明一下：

需要对基类增加页大小整数倍的area缓存成员变量，且需要是第一个成员变量（这样在area与this之间，不存在其他成员变量）；

由子类的构造函数和析构函数调用memProtect，分别设置area（及其之前的虚函数表指针）的只读、可读可写属性；

若修改源码，每次编译生成的可执行文件或动态库，都需重新构造hed指令，修改子类析构函数，在调用memProtect之后对虚函数表进行写操作。

作者：塵觴葉

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