6. 如何定位Obj-C野指针随机Crash(三):加点黑科技让Crash自报家门(转载)

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  1. 1. 为什么错误地址是0x55555561?
  2. 2. 怎么获取野指针的更多异常数据?

本文终于可以利用OC Runtime的特性,让OC野指针对象主动抛出自己的信息,某些情况下秒杀某些全系统栈Crash

为什么错误地址是0x55555561?

前文介绍了在内存释放后填充0x55使野指针出现后数据不能访问,从而使野指针变成了必现的方法,那这里会有一个比较奇怪的问题:我们在释放的内存上填上了0x55,但为什么大部分时候野指针Crash了,出错的地址却是0x55555561?

为了解答这个问题,我们可以先看看Crash栈,就会发现这些Crash都是在objc_msgSend上。我们知道Obj-C的对象方法调用是通过objc_msgSend进行的,我们通过野指针访问一个对象的方法也一样,其实是通过objc_msgSend给已经释放的对象发了一条消息。

而objc_msgSend的函数签名是这样:

id objc_msgSend(id self, SEL op, …)
我们再来看看objc_msgSend的代码:

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libobjc.A.dylib`objc_msgSend:
0x2f879f40 <+0>: cbz r0, 0x2f879f7e ; <+62>
0x2f879f42 <+2>: ldr.w r9, [r0]
0x2f879f46 <+6>: ldrh.w r12, [r9, #0xc]
0x2f879f4a <+10>: ldr.w r9, [r9, #0x8]
0x2f879f4e <+14>: and.w r12, r12, r1
0x2f879f52 <+18>: add.w r9, r9, r12, lsl #3
0x2f879f56 <+22>: ldr.w r12, [r9]
0x2f879f5a <+26>: teq.w r12, r1
0x2f879f5e <+30>: bne 0x2f879f66 ; <+38>
0x2f879f60 <+32>: ldr.w r12, [r9, #0x4]
0x2f879f64 <+36>: bx r12
0x2f879f66 <+38>: cmp.w r12, #0x1
0x2f879f6a <+42>: blo 0x2f879f78 ; <+56>
0x2f879f6c <+44>: it eq
0x2f879f6e <+46>: ldreq.w r9, [r9, #0x4]
0x2f879f72 <+50>: ldr r12, [r9, #8]!
0x2f879f76 <+54>: b 0x2f879f5a ; <+26>
0x2f879f78 <+56>: ldr.w r9, [r0]
0x2f879f7c <+60>: b 0x2f87a1c0 ; _objc_msgSend_uncached
0x2f879f7e <+62>: mov.w r1, #0x0
0x2f879f82 <+66>: bx lr

我们可以结合Obj-C类的内存布局再来解读一下上面的汇编代码(节选于Obj-C类的源代码):

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struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache;
uintptr_t data_NEVER_USE; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

class_rw_t *data() {
return (class_rw_t *)(data_NEVER_USE & ~CLASS_FAST_FLAG_MASK);
}
void setData(class_rw_t *newData) {
uintptr_t flags = (uintptr_t)data_NEVER_USE & CLASS_FAST_FLAG_MASK;
data_NEVER_USE = (uintptr_t)newData | flags;
}
……..

struct cache_t {
struct bucket_t *buckets;
mask_t shiftmask;
mask_t occupied;
……..


struct bucket_t {
cache_key_t key;
IMP imp;
…...

typedef uintptr_t cache_key_t;

根据苹果的函数调用约定,objc_msgSend被调用的时候,寄存器对应关系:r0是对象本身self,r1是sel,r2和r3是参数。根据objc_class的声明,我们可以知道:

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0x2f879f40 <+0>: cbz r0, 0x2f879f7e //如果self为0就跳转到0x2f879f7e。给nil发消息的话就什么都不做
0x2f879f42 <+2>: ldr.w r9, [r0] //取对象的类到r9
0x2f879f46 <+6>: ldrh.w r12, [r9, #0xc] //取类的偏移#0xc的数据到r12,也就是shiftmask的值
0x2f879f4a <+10>: ldr.w r9, [r9, #0x8] //取类的偏移#0x8的成员到r9,也即是cache
0x2f879f4e <+14>: and.w r12, r12, r1 //r1和shiftmask与,放到r12,r1是参数一,也就是sel,用来计算sel的index
0x2f879f52 <+18>: add.w r9, r9, r12, lsl #3 //左移3位就是乘88是索引项 bucket_t的宽度,r12是cache索引,r9就cache的位置,r9+r12*8,就是当前sel对应的bucket_t缓存
0x2f879f56 <+22>: ldr.w r12, [r9] //取缓存bucket_t
0x2f879f5a <+26>: teq.w r12, r1 //判断缓存项是不是要找的sel key==sel?
0x2f879f5e <+30>: bne 0x2f879f66 //不是的话就要查找sel
0x2f879f60 <+32>: ldr.w r12, [r9, #0x4] //是的话就取出imp
0x2f879f64 <+36>: bx r12 //调sel的实现,跳到imp里面去执行

其实上面的代码就是从缓存中找sel的实现的过程,而错误地址之所以是0x55555561是因为ldrh.w r12, [r9, #0xc]这行指令。我们用0x55555555覆盖了对象的isa指针,当发生OC调用查找缓存0x55555555+0xc取shiftmask的时候,发现这个地址不可读,于是CPU抛出了异常。

怎么获取野指针的更多异常数据?

弄清楚上述问题后,又有一个问题:既然0x55555555是被当成了类的指针使用,那假如我们用指定的类覆盖这个指针,是不是就可以执行我们指定类的方法呢?

进一步说就是在发生野指针调用的时候,我们是不是可以控制CPU的行为?说起来有点像溢出攻击,利用shellcode覆盖函数返回值,一旦我们在出错的时候控制了CPU就可以获取更多异常信息,比如是哪个类,调了什么方法,对象的地址之类。

先解决几个关键问题:

  1. 覆盖成什么?
    我们需要自己写一个类,用它的isa来替换已经释放的对象的isa。如果不出我们所料,我们用自己的类覆盖之后,之前调用的sel就换成了调用我们自己的类的某个sel。这样,只要我们指定的类也实现这个方法,就可以执行我们需要执行的代码,然后在里面获取我们需要的信息。当然,我们无法预料野指针对象会在调用哪个函数时发生Crash,好在我们可以利用runtime的重定向特性了转到我们自己的代码里面去。

  2. 怎么覆盖isa?
    object_setClass可以替换一个类的isa,但是试了一下,发生死锁!根据Obj-C对象的内存布局,对象的第一个数据就是isa,这里我们可以直接用自己的类指针替换它,反正是已经释放的内存,随便我们怎么玩。
    总之,还是很简单,这个类就是下面这样:

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@interface DPCatcher : NSObject
@property (readwrite,assign,nonatomic) Class origClass;
@end

@implementation DPCatcher
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
NSLog(@"发现objc野指针:%s::%p=>%@",class_getName(self.origClass),self,NSStringFromSelector(aSelector));
abort();
return nil;
}
-(void)dealloc{
NSLog(@"发现objc野指针:%s::%p=>%@",class_getName(self.origClass),self,@"dealloc");
abort();
}

-(oneway void)release{
NSLog(@"发现objc野指针:%s::%p=>%@",class_getName(self.origClass),self,@"release");
abort();
}
- (instancetype)autorelease{
NSLog(@"发现objc野指针:%s::%p=>%@",class_getName(self.origClass),self,@"autorelease");
abort();
}
@end

注意:对象的release、dealloc等函数要特殊处理一下,因为任何对象都有这些方法,不会执行重定向。

然后,我们的free函数改成下面这样(去掉了一些多余代码):

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static void DPFree(void* p){

size_t memSiziee=malloc_size(p);
if (memSiziee>sDPCatchSize) {//有足够的空间才覆盖
id obj=(id)p;
Class origClass=object_getClass(obj); //判断是不是objc对象 ,registeredClasses里面有所有的类,如果可以查到,说明是objc类
if (origClass && CFSetContainsValue(registeredClasses, origClass)) {
memset(obj, 0x55, memSiziee);
memcpy(obj, &sDPCatchIsa, sizeof(void*));//把我们自己的类的isa复制过去

DPCatcher* bug=(DPCatcher*)p;
bug.origClass=origClass;
}else{
memset(p, 0x55, memSiziee);
}

}else{
memset(p, 0x55, memSiziee);
}
return;
}

初始化的时候获取所有类信息,获取填充类的的大小:

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registeredClasses = CFSetCreateMutable(NULL, 0, NULL);

unsigned int count = 0;
Class *classes = objc_copyClassList(&count);
for (unsigned int i = 0; i < count; i++) {
CFSetAddValue(registeredClasses, (__bridge const void *)(classes[i]));
}
free(classes);
classes=NULL;

sDPCatchIsa=objc_getClass("DPCatcher");

sDPCatchSize=class_getInstanceSize(sDPCatchIsa);

用下面简单的代码试一下:

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UIView* testObj=[[UIView alloc] init];
[testObj release];
[testObj setNeedsLayout];

发生野指针的类、对象地址和访问的方法就这样可以被打印出来!

野指针自报信息

上面这两个Crash如果不能重现几乎是无解!但是,加上我们的野指针定位神器之后再看看,类名和地址都可以打出来了,解决起来就不是什么问题了。

说明:

  1. 我们打印出了野指针对象的名字和地址,当这个类的对象比较少时,对查找问题有很大的用处(如果是自定义的类出现野指针,一般还是比较容易找到问题),但是如果是一些经常出现的类,比如nsarray,定位起来还是比较麻烦。这个时候建议试一下xcode的malloc history工具,或者可以自己实现一个类似记录内存使用记录的工具,因为有内存申请和释放的记录,只要重现一次就可以精确定位野指针。

  2. 如果出现dealloc的使用错误,例如先[super dealloc],然后release成员变量,那么就会出现崩溃的现象,且此时对象的地址为0x55555555。这是因为[super dealloc]只会释放对应的内存,但其成员的内存不会被release而变成了0x555555。 这种问题场景比较简单,一旦发生绝对是必现的,修复也比较容易。

后记

写到这里,关于iOS野指针随机问题定位的三篇文章就写完了,特别说一下,文中提到的方法虽然可以提高野指针的曝光率和定位精度,但并不是万能,比如下面这几种情况,可能并不一定适用:

  1. 未触发出现野指针的逻辑:比如说一个有问题的代码,只有在特殊的逻辑下才会有野指针问题,如果我们没有触发这个逻辑,肯定也是无法暴露出这个问题的。这种情况建议还是提高测试的场景覆盖。
  2. 产生野指针和使用野指针的时间间隔太长:时间太长的话,很可能我们保留的指针已经被释放了。
  3. APP内存消耗大,会降低曝光率。因为内存消耗大的时候,我们保留的指针数量必然减少,而且保留的时间也会更短。
  1. free之前先填上 0x55 ,这个0x55有什么具体含义吗?
    答:实际上填写数据的关键在于填写数据后其地址指向不可读的内存。而填写0x55,和前面提到的出现异常情况的对象地址0x555555连接起来被当成指针使用的话,就会被识别为0x55555555,而CPU访问这个地址就会抛出异常。
    另外一点,就是方便区分野指针,例如在Xcode启用Enable Scribble时,指定alloc之后填写的地址为0xaa,防止内存初始化就使用,也是为了方便和free之后的内存做区分。

  2. 这个方法对于arc和非arc是否都可以用?
    答:都可以,不过都是arc的话应该比较少出现野指针吧。