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iOS汇编入门教程(一)ARM64汇编基础

前言

对于应用层开发人员而言,仅仅掌握Objective-C和系统框架即可较好的完成开发,但在涉及到应用加固、逆向分析等内容时仅有应用层开发技能就会显得非常的无力,因此掌握汇编对于突破iOS开发水平的瓶颈十分有效。

一个例子

以反调试为例,我们知道,通过调用ptrace函数可以阻止调试器依附。

ptrace(31, 0, 0, 0)
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这种方式能够被函数hook轻易破解,例如使用facebook的fishhook。 为了防止函数被hook,我们可以将函数调用转为通过汇编发起系统调用,即使用下面的代码。

mov x0, #31
mov x1, #0
mov x2, #0
mov x3, #0
mov x16, #26
svc #0x80
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其中x0-x3存储的为函数入参,x16存储的为函数编号,通过Apple提供的System Call Table 可以查出ptrace的编号为26,最后一句指令发起了系统调用。 通过使用__asm__指令能够将汇编代码嵌入我们的函数中,构成反调试方法。

// 使用inline方式将函数在调用处强制展开,防止被hook和追踪符号
static __attribute__((always_inline)) void anti_debug() {
// 判断是否是ARM64处理器指令集
#ifdef __arm64__
    // volatile修饰符能够防止汇编指令被编译器忽略
    __asm__ __volatile__(
                         "mov x0, #31\n"
                         "mov x1, #0\n"
                         "mov x2, #0\n"
                         "mov x3, #0\n"
                         "mov x16, #26\n"
                         "svc #0x80\n"
                         );
#endif
}
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虽然上面的反调试机制并不完善,但是比直接调用ptrace要好上很多倍,从这一点来看,掌握汇编技能对于iOS应用安全和底层研究非常有利。

入门攻略

iOS设备主要使用的为ARM64汇编,因此本文主要介绍ARM64汇编的入门技巧。 汇编入门最难的地方在于对栈的理解,汇编的所有指令操作都是围绕栈实现的,在汇编中,没有变量的概念,只有寄存器和内存。

汇编中的栈是由高地址向低地址生长的数据结构,sp指针永远指向栈顶,需要记住的是,在某位置进行存储时,是向高地址进行的,下面以一个简单的例子讲解汇编的栈操作。 我们以一段简单的C代码为例。

// hello.c
#include <stdio.h>

int test(int a, int b) {
  int res = a + b;
  return res;
}

int main() {
  int res = test(1, 2);
  return 0;
}
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使用clang可以将其编译为特定指令集的汇编代码,这里我们将其编译为ARM64指令集的汇编代码。

clang -S -arch arm64 -isysroot `xcrun --sdk iphoneos --show-sdk-path` hello.c
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完整的汇编代码如下。

	.section	__TEXT,__text,regular,pure_instructions
	.ios_version_min 11, 2
	.globl	_test
	.p2align	2
_test:                                  ; @test
; BB#0:
	sub	sp, sp, #16             ; =16
	str	w0, [sp, #12]
	str	w1, [sp, #8]
	ldr	w0, [sp, #12]
	ldr	w1, [sp, #8]
	add		w0, w0, w1
	str	w0, [sp, #4]
	ldr	w0, [sp, #4]
	add	sp, sp, #16             ; =16
	ret

	.globl	_main
	.p2align	2
_main:                                  ; @main
; BB#0:
	sub	sp, sp, #32             ; =32
	stp	x29, x30, [sp, #16]     ; 8-byte Folded Spill
	add	x29, sp, #16            ; =16
	orr	w0, wzr, #0x1
	orr	w1, wzr, #0x2
	stur	wzr, [x29, #-4]
	bl	_test
	mov	w1, #0
	str	w0, [sp, #8]
	mov	 x0, x1
	ldp	x29, x30, [sp, #16]     ; 8-byte Folded Reload
	add	sp, sp, #32             ; =32
	ret


.subsections_via_symbols
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本节我们只讨论栈操作,因此忽略main函数和printf调用部分,我们只看对test函数的调用,节选这一段汇编代码如下。

	sub	sp, sp, #16             ; =16
	str	w0, [sp, #12]
	str	w1, [sp, #8]
	ldr	w0, [sp, #12]
	ldr	w1, [sp, #8]
	add w0, w0, w1
	str	w0, [sp, #4]
	ldr	w0, [sp, #4]
	add	sp, sp, #16             ; =16
	ret
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首先介绍一下基本指令和指令的学习方式,要查询某个指令如何使用,最好的方式是去查询ARM公司提供的官方文档,在官方文档页面可以直接搜索指令并查看用法和例程,本文会简单讲解上面的汇编代码中出现的指令。

sub用于对寄存器实施减法,sub a, b, c等价于a = b - c,在ARM汇编中,目的操作数一般出现最前方,例如mov ra, rb 代表将rb寄存器的值复制到ra寄存器。add和sub同理,只是将减法变成了加法。

str和ldr是一对指令,str的全称是store register,即将寄存器的值存储到内存中,ldr的全称是load register,即将内存中的值读到寄存器,因此他们的第一个参数都是寄存器,第二个参数都是内存地址。[sp, #12] 代表sp+12 这个地址,同理[sp, #-12] 代表sp-12 这个地址。注意这里的数字都是以字节为单位的偏移量,以str w0, [sp, #12] 为例,w是4字节的寄存器,这个指令代表将w0寄存器的值存储在sp+12这个地址上,由于w0有4个字节,所以存储后会占据sp+12~sp+16这个内存区域。

下面将分段讲解这段汇编代码,在编译器生成汇编时,首先会计算需要的栈空间大小,并利用sp指针向低地址开辟相应的空间,我们再来看一下test函数。

int test(int a, int b) {
  int res = a + b;
  return res;
}
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这里涉及了3个int变量,分别是a、b、res,int变量占据4个字节,因此一共需要12个字节,但ARM64汇编为了提高访问效率要求按照16字节进行对齐,因此需要16byte的空间,也就是需要在栈上开辟16字节的空间,我们来看汇编的第一句,正是将sp指针下移16字节。

sub	sp, sp, #16
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sp下移16后,留下了4个4字节的内存空格,共计16字节,我们继续看下面的句子。

str	w0, [sp, #12]
str	w1, [sp, #8]
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这两句的含义是将w0存储在sp+12的格子中,w1存储在sp+8的格子中,上面的例子中提到 x0, x1等寄存器将顺序存放函数的入参,x0和w0是同一个寄存器的不同尺寸形式,x0为8字节,w0为x0的前4个字节,因此w0是函数的第一个入参a,w1是函数的第二个入参b,由于存储是从低地址到高地址的,所以a将占据sp+12~sp+16,同理b将占据sp+8~sp+12,则栈的结构变为下图。

按照“上帝视角”,接下来test函数应该将a和b相加,需要注意的是,只有寄存器才能参与运算,因此接下来的汇编代码又将变量的值从内存中读出,进行相加运算。

	ldr	w0, [sp, #12]
	ldr	w1, [sp, #8]
	add w0, w0, w1
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由此可见先存储再读取后运算其实是多余的,这是没有进行编译优化的结果,学习不进行编译优化的汇编更能让我们理解其工作机制。

接下来的代码将w0存入了sp+4,也就是res变量的内存区域。

str	w0, [sp, #4]
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接下来就要进行返回了,在例子中我们提到,函数的返回值一般存储在x0寄存器中返回,因此我们需要将res的值载入x0寄存器。

ldr	w0, [sp, #4]
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这里之所以使用w寄存器,是因为int为4字节,这也就是类型转换时带来信息丢失的原因,例如从long到int的转换就类似于将x寄存器的值以w的形式进行存储。最后的代码为将栈还原,并返回到函数调用处继续向下执行。

add	sp, sp, #16
ret
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显然,经过这样的操作,栈被完全还原到了函数调用以前的样子,需要注意的细节是,栈空间中的内存单元并未被清空,这也就导致下一次使用低地址的栈时,未初始化单元的值是不确定的,这也就是局部变量不初始化值随机的根本原因。

通过上面的例子,我们对栈有了基本的认识,汇编的操作基本都是对栈进行的,只要理解了栈机制,只需要学习各种指令,即可掌握足够使用的汇编技能。

深入

在了解了栈以后,就可以看一些较为复杂的汇编片段来进行学习了,初级阶段可以尝试看着函数写汇编代码,高级阶段要求能够看着汇编还原成函数逻辑,本文仅仅介绍入门基础,下面推荐一些大牛的博客供大家深入学习汇编技能。

1.知兵的知乎专栏

2.刘坤的汇编入门文章

总结

掌握ARM汇编能够帮助开发者更好地了解编译器和CPU的工作原理,除了能够指导编码外,还能够扩宽视野,通过反编译分析一些闭源代码的逻辑或是进行一些安全加固,因此在汇编上付出时间是十分值得的。

参考资料

1.知兵. iOS调试进阶

2.ARM官方文档

3.反调试和绕过

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