c++ - Linux x64 堆栈在信号处理程序中展开，以修改返回地址

Question

我正在尝试修改调用堆栈上的返回地址(向下一些级别)。当我在信号处理程序中时，我需要这样做。因此，我正在执行以下操作:

#include <csignal>
#include <cstdint>
#include <iostream>

// To print stacktrace
#include <execinfo.h>
#include <stdlib.h>

void printAround(uint64_t* p, int min=0, int max=3) {
    for(int i = min; i <= max; ++i) {
        std::cout << std::dec << ((i >= 0) ? " " : "") << i << ": "
                  << std::hex
                  << reinterpret_cast<uint64_t>(*(p + i))
                  << std::dec << std::endl;
    }
    std::cout << "================================================" << std::endl;
}

void sigHandler(int signum) {
    register uint64_t* EBP asm ("rbp");
    printAround(EBP);

    uint64_t *oldEBP = reinterpret_cast<uint64_t*>(*EBP);
    printAround(oldEBP);

    oldEBP = reinterpret_cast<uint64_t*>(*oldEBP);
    printAround(oldEBP);

    /* PRINT STACK TRACE!! POSSIBLY UNSAFE! */
    void *array[10];
    size_t size;
    char **strings;
    size_t i;
    size = backtrace(array, 10);
    strings = backtrace_symbols(array, size);
    std::cout << "\nObtained " << size << " stack frames.\n";
    for (i = 0; i < size; i++) {
        std::cout << strings[i] << "\n";
    }
    free(strings);
    /* END PRINT STACK TRACE !! */
}

int foo(void) {
    std::raise(SIGTRAP);
    return 5;
}

int baz(void) {
    return foo() + 10;
}

int bar(void) {
    return baz() + 15;
}

int main(int argc, char **argv) {
    // SIGTRAP is 0xCC
    std::signal(SIGTRAP, &sigHandler);
    return bar();
}

对应的输出为:

 0: 7ffda9664a10
 1: 7faf5777c4b0
 2: 1
 3: 0
================================================
 0: 7ffda9664a20
 1: 557f2a7bdf21
 2: 7ffda9664a30
 3: 557f2a7bdf2f
================================================
 0: 7ffda9664a30
 1: 557f2a7bdf2f
 2: 7ffda9664a50
 3: 557f2a7bdf59
================================================

Obtained 9 stack frames.
./main(+0xe41) [0x557f2a7bde41]
/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(+0x354b0) [0x7faf5777c4b0]
/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(gsignal+0x38) [0x7faf5777c428]
./main(+0xf11) [0x557f2a7bdf11]  => foo
./main(+0xf21) [0x557f2a7bdf21]  => baz
./main(+0xf2f) [0x557f2a7bdf2f]  => bar
./main(+0xf59) [0x557f2a7bdf59]  => main
/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf0) [0x7faf57767830]
./main(+0xba9) [0x557f2a7bdba9]

偏移量 0 是前一个堆栈的基指针，偏移量 1 是返回地址。

从输出中可以看出，第一个返回地址是 libc 中的第一个函数，但下一个已经是 baz 而不是 foo 或其他 libc功能如我所料。

当我删除信号处理程序并将打印堆栈的逻辑放在 foo 中时，我看到了我的所有函数:foo、baz , bar, main...

我在这里错过了什么？我确实需要在信号被触发时修改函数的返回地址，即 foo，但是在我的堆栈展开逻辑中跳过了这个地址:(

附言我知道在信号处理程序中使用回溯 [2] 是不安全的，因为它会导致未定义的行为!似乎我在这里很幸运，当我删除所有回溯逻辑时问题仍然存在!

此外，如果有人有任何其他解决此问题的想法，我很高兴与您分享。我尝试使用带有参数 >0 的 __builtin_frame_address() 但这会在信号处理程序 [1] 中崩溃。好像有什么不同，我找不到任何关于什么的信息。

[1] https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Return-Address.html

[2] https://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/Backtraces.html

Answer 1

从信号处理程序中修改返回地址的解决方案首先需要一种不同的方法来注册信号处理程序。

先上代码:

#include <csignal>
#include <cstdint>
#include <iostream>

void signal_handler(int signal, siginfo_t *si, void *context)
{
    const int return_delta = 2;
    ((ucontext_t*)context)->uc_mcontext.gregs[REG_RIP] += return_delta;
}


int foo(void)
{
    asm(".byte 0xcc\n");

    // "for(;;) ;" in a way that prevents the compiler from recognizing the
    // remainder of the function as dead code and optimizing it away...
    asm(".byte 0xEB\n");
    asm(".byte 0xFE\n");

    return 5;
}


int baz(void) {
    return foo() + 10;
}


int bar(void) {
    return baz() + 15;
}


int main(int argc, char **argv)
{
    struct sigaction sa = {0};
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_sigaction = signal_handler;
    sa.sa_flags = SA_SIGINFO;

    // Install signal handler
    sigaction(SIGTRAP, &sa, NULL);

    // So that we see some output
    size_t i{1000};
    while(i--) {
        std::cout << bar() << std::endl;
    }
    return 0;
}

sigaction 结合 sigaction 可用于将更多信息传递给信号处理程序。如果你这样做，siginfo_t传递给信号处理程序，其中包含有关信号本身的各种信息。

此外，void *context 被传递给已注册的信号处理程序，其中包含有关寄存器和堆栈状态的信息。您可以根据需要使用它来将返回地址操纵到信号提升函数中。

请注意，这是高度特定于平台的，您应该使用 ucontext.h 来查看该结构如何针对您的特定平台。