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ELF转二进制(3/4)：动态加载和运行

Wu Zhangjin 创作于 2020/03/12
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By Falcon of TinyLab.org Dec 09, 2019

背景简介

有一天，某位同学在讨论群聊起来：

除了直接把 C 语言程序编译成 ELF 运行以外，是否可以转成二进制，然后通过第三方程序加载到内存后再运行。

带着这样的问题，我们写了四篇文章，这是其三。

前面两篇分别讨论了如何把一个转成 Binary 的 ELF 作为一个新的 Section 加入到另外一个程序中执行：

如何实现动态加载和运行

本文继续讨论，但是方向是，在运行时加载 Binary 并运行，支持前面两篇中的两种类型的 Binary：绝对数据地址、相对数据地址。

先加载数据位置无关的 Binary 文件

先来考虑最简单的相对数据地址，动态加载后，仅需考虑把加载的 Binary 所在内存范围设置可执行即可。

把文件加载到内存中并设置内存保护属性的最佳方式是 mmap，当然也可以用 malloc/memalgin 分配内存然后用 mprotect 设置内存保护属性，但是需要额外考虑对齐。

可以直接基于 man mmap 中的例子小改一番，先拿到这个原始的例子：

$ man mmap | sed -ne "/Program source/,/SEE ALSO/p" | egrep -v "Program|SEE" | sed -e "s/^       //g" > mmap.orig.c

做完如下修改，得到一个 mmap.new.c：

$ git diff mmap.orig.c mmap.new.c
diff --git a/mmap.orig.c b/mmap.new.c
index 640bcb0..fe039c8 100644
--- a/mmap.orig.c
+++ b/mmap.new.c
@@ -49,11 +49,12 @@ main(int argc, char *argv[])
         length = sb.st_size - offset;
     }

-    addr = mmap(NULL, length + offset - pa_offset, PROT_READ,
+    addr = mmap(NULL, length + offset - pa_offset, PROT_READ|PROT_EXEC,
                 MAP_PRIVATE, fd, pa_offset);
     if (addr == MAP_FAILED)
         handle_error("mmap");

+#if 0
     s = write(STDOUT_FILENO, addr + offset - pa_offset, length);
     if (s != length) {
         if (s == -1)
@@ -62,6 +63,9 @@ main(int argc, char *argv[])
         fprintf(stderr, "partial write");
         exit(EXIT_FAILURE);
     }
+#else
+    ((void (*)(void))addr)();
+#endif

     exit(EXIT_SUCCESS);
 }

上面的改动很简单，一方面是调整内存保护属性为 MAP_EXEC，另外一方面是把映射完的随机地址转换为一个 void (*)void 函数，然后直接执行，也就是调用 Binary，同时把之前的打印到控制台的部分注释掉。

以 -m32 参数编译，确保可以跑 -m32 的代码（继承上面两节）：

$ gcc -m32 -o mmap.new mmap.new.c

这个 mmap.new 即可运行第二篇得到的采用相对数据地址的 hello.bin：

$ ./mmap.new ./hello.bin 0
Hello World

再讨论数据位置固定的 Binary 文件

如果要带绝对地址的 hello.bin 呢？

由于数据加载地址是写死的，那意味着必须告知 mmap 映射到一个固定的地址，即 .text 的装载地址，否则数据访问就会出错。mmap 的第一个参数 addr 配合第三个参数 prot（设置为 MAP_FIXED），恰好可以做到。

只是，mmap 要求这个地址必须是对齐到页表的，这个 page size 可以通过 sysconf(_SC_PAGE_SIZE) 拿到。

可是，默认链接的时候，.text 段并不是对齐到 page size 的，对齐到 page size 的是 entry addr，还有一个 0x54 的偏移，即 elf header + program header。这个 0x54 末尾的地址不会是 page size 对齐的。

那意味者链接的时候得“做点手脚”，得强制让 .text 对齐到 page size，我们观察到 0x8046000 这个可以安全使用，因为程序都是从 0x8048000 之后的。当然，这里可用的只有不到 0x2000，8k，比这个大就把这个地址再改小吧。

怎么强制修改 .text 的装载地址呢，一个是上节提到的修改 ld.script，另外一个是直接用 ld 的 -Ttext 参数：

$ as --32 -o hello.o hello.s
$ ld -melf_i386 -o hello hello.o -Ttext=0x8046000

之后，我们再做一些修改，允许传递这个地址给 mmap，得到 mmap.any.c：

$ diff --git a/mmap.orig.c b/mmap.any.c
index 640bcb0..aa23eb2 100644
--- a/mmap.orig.c
+++ b/mmap.any.c
@@ -11,7 +11,7 @@
 int
 main(int argc, char *argv[])
 {
-    char *addr;
+    char *addr = NULL;
     int fd;
     struct stat sb;
     off_t offset, pa_offset;
@@ -19,7 +19,7 @@ main(int argc, char *argv[])
     ssize_t s;

     if (argc < 3 || argc > 4) {
-        fprintf(stderr, "%s file offset [length]\n", argv[0]);
+        fprintf(stderr, "%s file offset [addr]\n", argv[0]);
         exit(EXIT_FAILURE);
     }

@@ -40,20 +40,16 @@ main(int argc, char *argv[])
     }

     if (argc == 4) {
-        length = atoi(argv[3]);
-        if (offset + length > sb.st_size)
-            length = sb.st_size - offset;
-                /* Can't display bytes past end of file */
-
-    } else {    /* No length arg ==> display to end of file */
-        length = sb.st_size - offset;
+        sscanf(argv[3], "%p", &addr);
     }
+    length = sb.st_size - offset;

-    addr = mmap(NULL, length + offset - pa_offset, PROT_READ,
-                MAP_PRIVATE, fd, pa_offset);
+    addr = mmap((void *)addr, length + offset - pa_offset, PROT_READ|PROT_EXEC,
+                MAP_PRIVATE|MAP_FIXED, fd, pa_offset);
     if (addr == MAP_FAILED)
         handle_error("mmap");

+#if 0
     s = write(STDOUT_FILENO, addr + offset - pa_offset, length);
     if (s != length) {
         if (s == -1)
@@ -62,6 +58,9 @@ main(int argc, char *argv[])
         fprintf(stderr, "partial write");
         exit(EXIT_FAILURE);
     }
+#else
+    ((void (*)(void))addr)();
+#endif

     exit(EXIT_SUCCESS);
 }

这个改动把原来的参数 length 换掉，替换为 addr，允许直接通过第三个程序参数设置 .text 的装载地址（确保数据地址有效）。

重新编译 mmap.any.c 并运行：

$ gcc -m32 -o mmap.any mmap.any.c
$ ./mmap.any ./hello.bin 0 0x8046000
Hello World

需要注意的是，这个地址必须与 -Ttext 指定的地址一致。

小结

到这里，ELF转二进制 3 篇文章就完成了，分别讨论了静态嵌入、位置无关和动态加载，接下来还有一篇会讨论，如何动态修改数据地址。

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