assembly - GAS ASM PIE x86-64 使用 LEA 指令访问变量

Question

我正在尝试使用 GAS 语法创建一个汇编程序，该程序可以在 x86-64 架构上以位置无关的方式访问 .data 部分中的变量，并强制执行 32bit arch 和 IS(%eip 而不是 %rip)。

无论我尝试什么寄存器，我得到的最好结果都是段错误:11，甚至这是为了访问我根本不应该能够执行的EIP，因此SF。最好的结果，因为这至少告诉我一些东西，而不是“嗯，这不行”。

我正在 macOS 10.13.6 mid 2010 Intel Core 2 Duo 上使用 gcc 编译该文件(这可能就是 clang 的原因):

$ gcc --version
Configured with: --prefix=/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/usr --with-gxx-include-dir=/usr/include/c++/4.2.1
Apple LLVM version 9.1.0 (clang-902.0.39.2)
Target: x86_64-apple-darwin17.7.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/bin

并将一些选项传递给链接器:

gcc -m32 -Wl,-fatal_warnings,-arch_errors_fatal,-warn_commons,-pie test.s

ld: warning: PIE disabled. Absolute addressing (perhaps -mdynamic-no-pic) not allowed in code signed PIE, but used in _main from /whatever.../test-a07cf9.o. To fix this warning, don't compile with -mdynamic-no-pic or link with -Wl,-no_pie ld: fatal warning(s) induced error (-fatal_warnings) clang: error: linker command failed with exit code 1 (use -v to see invocation) 1

测试.s

.text
.global _main

_main:
    xor %eax, %eax
    xor %ebx, %ebx

    # lea var1(%esi/edi/ebp/esp), %ebx  # can't compile, not PIE
    # lea var1(%eip), %ebx  # segfault, obvs

    # lea (%esp), %ebx      # EBX = 17
    # lea (%non-esp), %ebx  # segfault

    # lea 0(%esi), %ebx     # segfault 
    # lea 0(%edi), %ebx     # segfault
    # lea 0(%ebp), %ebx     # EBX = 0
    # lea 0(%esp), %ebx     # EBX = 17
    # lea 0(%eip), %ebx     # segfault, obvs

    movl (%ebx), %eax
    ret

.data
    var1: .long 6

.end

我正在使用 ./a.out 运行它； echo $? 检查最后 ret 中的 EAX 值。

我查看了各种来源，但主要是英特尔语法或以下问题之一 - 1 , 2 , 3 。我尝试反汇编我能想到的最简单的 C 示例，即全局变量 + 来自 main() 的 return - gcc -S test.c -fPIE -饼-fpie-m32:

int var1 = 6;
int main() { return var1; }

这基本上导致:

    .section    __TEXT,__text,regular,pure_instructions
    .macosx_version_min 10, 13
    .globl  _main                   ## -- Begin function main
    .p2align    4, 0x90
_main:                                  ## @main
    .cfi_startproc
## BB#0:
    pushl   %ebp
Lcfi0:
    .cfi_def_cfa_offset 8
Lcfi1:
    .cfi_offset %ebp, -8
    movl    %esp, %ebp
Lcfi2:
    .cfi_def_cfa_register %ebp
    pushl   %eax
    calll   L0$pb
L0$pb:
    popl    %eax
    movl    $0, -4(%ebp)
    movl    _var1-L0$pb(%eax), %eax
    addl    $4, %esp
    popl    %ebp
    retl
    .cfi_endproc
                                        ## -- End function
    .section    __DATA,__data
    .globl  _var1                   ## @var1
    .p2align    2
_var1:
    .long   6                       ## 0x6


.subsections_via_symbols

这显然使用 MOV 作为 LEA，几乎与我的指令相同，除了 -L0$pb 部分应该是 +/- 类似 _var1 的地址 - L0$pb 进入 .data 部分。

然而，当我使用 var1 和 _main 标签尝试相同的方法时，什么也没有:

.text
.global _main

_main:
    xor %eax, %eax
    xor %ebx, %ebx

    #movl var1-_main(%ebp), %eax  # EAX = 191
    #movl var1-_main(%esp), %eax  # EAX = 204
    #movl var1-_main(%eax), %eax  # segfault
    ret

.data
    var1: .long 6

.end

有什么想法我做错了什么吗？

编辑:

我设法从反汇编的 C 示例中删除了所有不必要的内容，最后得到了这个:

.text
.global _main

_main:
    pushl %ebp
    pushl %eax
    calll test

test:
    popl %eax

    /* var1, var2, ... */
    movl var1-test(%eax), %eax

    addl $4, %esp
    popl %ebp
    retl

/**
 * how var1(label) - test(label) skips this label
 * if it's about address subtracting?
 */
blobbbb:
    xor %edx, %edx

.data
var1: .long 6
var2: .long 135

这对我来说没有多大意义，因为根据 this guide调用者应该 1) 将参数压入堆栈(无) 2) call 标签，并且被调用者应该实际使用 ESP、EBP和其他寄存器。另外，为什么我需要一个中间标签，或者更好地说，有没有办法不需要它？

Answer 1

在 32 位模式中，没有 64 位模式中那样的 eip 相对寻址模式。因此，代码如下

mov var(%eip), %eax

实际上并不合法，并且不能在 32 位模式下进行汇编。 (在 64 位中，它将把地址截断为 32 位)。在传统的非 PIE 32 位二进制文​​件中，您只需这样做

mov var, %eax

它将 var 的绝对地址处的值移动到 eax，但这在 PIE 二进制文件中是不可能的，因为 var 的绝对地址在链接时未知。

链接器所知道的是二进制文件的布局以及标签之间的距离是多少。因此，要访问全局变量，您可以像这样进行:

1. 找出某个标签的绝对地址并用它加载某个寄存器
2. 添加从该标签到 var 的距离
3. 访问变量

可以使用带有位移的寻址模式来组合步骤 2 和 3。第 1 步很棘手。只有一条有用的指令可以告诉我们一个我们不知道其地址的位置的地址是什么，那就是 call:call 指令推送下一个位置的地址指令入栈，然后跳转到指定地址。如果我们告诉call只跳转到下一个地址，我们就会将其功能减少到本质上push %eip:

        call Label                  # like push %eip
Label:  ...

请注意，此用例在 CPU 的返回预测中是特殊情况，实际上并不算作函数调用。由于这不是真正的函数调用，因此我们没有建立堆栈帧或类似的框架，并且我们没有此调用的返回。它只是一种获取指令指针值的机制。

由此，我们知道了Label的地址。接下来我们可以将其从堆栈中弹出并使用它来查找 var 的地址:

        call Label
Label:  pop %eax                    # eax = Label
        add $var-Label, %eax        # eax = Label + var - Label = var

然后我们可以取消引用它来获取var的内容:

        call Label
Label:  pop %eax
        add %eax, $var-Label
        mov (%eax), %eax            # eax = *var

在实际代码中，您可以合并加法和内存操作数以保存指令:

        call Label
Label:  pop %eax
        mov var-Label(%eax), %eax   # eax = *var

如果你想在一个函数中引用多个静态变量，你只需要使用这个技巧一次。只需使用适当的差异:

        call Label
Label:  pop %eax
        mov foo-Label(%eax), %ebx   # ebx = *foo
        mov bar-Label(%eax), %ecx   # ecx = *bar

请注意，gcc 支持此习惯用法的变体来获取指令指针的内容。它创建了一堆像这样的函数:

___x86.get_pc_thunk.bx:
        mov (%esp), %ebx
        ret

将返回地址移动到指定的寄存器。这是一个特殊函数，不遵循正常的调用约定，eax、ebx、ecx、edx 各存在一个函数、esi 和 edi，具体取决于 gcc 要使用的寄存器。代码如下所示:

        call ___x86.get_pc_thunk.bx # ebx = Label
Label:  mov foo-Label(%ebx), %eax   # eax = *foo
        mov bar-Label(%ebx), %ecx   # ecx = *bar

gcc 使用此代码在返回预测不考虑此假调用习惯用法的 CPU 上获得更好的性能。但我不知道哪些 CPU 实际上受到了影响。

最后请注意，没有跳过任何标签。我不太明白您对 blobbbb 的意思。哪个控件应该达到这个标签？

最后，您的示例应如下所示:

        .text
        .global _main

_main:  call Label                  # push %eip
Label:  pop %eax                    # eax = Label
        mov var1-Label(%eax), %eax  # eax = *(Label+var1-Label)
        ret


        .data
var1:   .long 6

请注意，永远不需要 .end 指令。以大写 L 开头的标签是本地标签，不会出现在符号表中，这就是 C 编译器喜欢使用它们的原因。