Introduction

上一個lab的主要內(nèi)容為__data pointer__(指向數(shù)據(jù)的指針)可能在Linux系統(tǒng)中造成的__segmentation fault__。本次lab將考慮__function pointer__(指向函數(shù)/代碼的指針)可能造成的錯誤：segfault或其他exceptions。

函數(shù)指針 Function Pointers

一個函數(shù)指針可以像函數(shù)一樣被調(diào)用，包括傳遞參數(shù)和獲得返回結(jié)果。函數(shù)指針的一些用途是用于編寫泛型generic函數(shù)，有時是一種面向?qū)ο蟮臉邮?，也用于?shí)現(xiàn)回調(diào)。

• 在函數(shù)中，有物理內(nèi)存地址可以賦值給指針，而一個函數(shù)的函數(shù)名就是一個指針，指向函數(shù)的代碼；
• 一個函數(shù)的地址就是該函數(shù)的進(jìn)入點(diǎn)，也是調(diào)用函數(shù)的地址；
• 函數(shù)的調(diào)用可以通過函數(shù)名，也可以通過指向函數(shù)的指針；
• 函數(shù)指針還允許將函數(shù)作為變元傳遞給其他函數(shù)；
• 沒有括號和變量列表的函數(shù)名也可以表示函數(shù)的地址（數(shù)組中，不帶下標(biāo)的數(shù)組名表示數(shù)組的首地址）

定義形式

類型 (*指針變量名) (參數(shù)列表)；

如， int (*p)(int i, int j);

→ p是一個指針，它指向一個函數(shù)，該函數(shù)有兩個整型參數(shù)，返回類型為int；p首先和*結(jié)合，表明p是一個指針，再與( )結(jié)合，表明它指向的是一個函數(shù)。

調(diào)用函數(shù)指針

(*p) (argument)

p (argument)

例子

#include <stdio.h>
#define  GET_MAX 	0
#define  GET_MIN 	1
int get_max(int i,int j)
{
	return i>j?i:j;
}
int get_min(int i,int j)
{
	return i>j?j:i;
}
int compare(int i,int j,int flag)
{
	int ret;
	//這里定義了一個函數(shù)指針，就可以根據(jù)傳入的flag，靈活地決定其是指向求大數(shù)或求小數(shù)的函數(shù)
	//便于方便靈活地調(diào)用各類函數(shù)
	int (*p)(int,int);
	if(flag == GET_MAX)
		p = get_max;
	else
		p = get_min;
	ret = p(i,j);
	return ret;
}
int main()
{
	int i = 5,j = 10,ret;
	ret = compare(i,j,GET_MAX);
	printf("The MAX is %d\n",ret);
	ret = compare(i,j,GET_MIN);
	printf("The MIN is %d\n",ret);
	return 0 ;
}

#include <stdio.h>
#include <string.h>
void check(char *a,char *b,int (*cmp)(const char *,const char *));
main()
{
    char s1[80],s2[80];
    int (*p)(const char *,const char *);
	//將庫函數(shù)strcmp的地址賦值給函數(shù)指針p
    p=strcmp;
    printf("Enter two strings.\n");
    gets(s1);
    gets(s2);
    check(s1,s2,p);
}
void check(char *a,char *b,int (*cmp)(const char *,const char *))
{
    printf("Testing for equality.\n");
	//表達(dá)式(*cmp)(a,b)調(diào)用strcmp，由cmp指向庫函數(shù)strcmp()，由a和b作調(diào)用strcmp()的參數(shù)。
	//調(diào)用時，與聲明的情況類似，必須在*cmp周圍使用一對括號，使編譯程序正確操作，
	//同時這也是一種良好的編碼風(fēng)格，指示函數(shù)是通過指針調(diào)用的，而不是函數(shù)名。
    if((*cmp)(a,b)==0)
        printf("Equal\n");
    else
        printf("Not Equal\n");
}

int *f(int i, int j);

int (*p)(int i, int j);

前者是返回值是指針的函數(shù)；后者是一個指向函數(shù)的指針。

注意 本實(shí)驗(yàn)用到的技巧也將會在JIT編譯器（如，瀏覽器中的JavaScript編譯器）中出現(xiàn)，因?yàn)樗鼈円彩菍?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為代碼，然后再調(diào)用。請注意，試圖執(zhí)行代碼的攻擊可能會使用本實(shí)驗(yàn)室的變體。這個實(shí)驗(yàn)也說明了一個常見的錯誤，可能是不確定的。

Exercise 1：qsort中的函數(shù)指針

• 為什么 q s o r t ( ) qsort() qsort() 使用函數(shù)指針？
  • q s o r t ( ) qsort() qsort() 是對任何類型的數(shù)組數(shù)據(jù)的通用排序例程(generic sorting routine )，因此，不同的數(shù)據(jù)類型需要不同的比較方法，這是由用戶提供的比較函數(shù) c o m p a r e ( ) compare() compare() 提供的。簡單說就是對數(shù)組進(jìn)行排序。
  • 聲明：

void qsort(void *base, size_t nitems, size_t size, int (*compar)(const void *, const void*))

• 參數(shù)：
  • base – 指向要排序的數(shù)組的第一個元素的指針。
  • nitems – 由 base 指向的數(shù)組中元素的個數(shù)。
  • size – 數(shù)組中每個元素的大小，以字節(jié)為單位。
  • compar – 用來比較兩個元素的函數(shù)。如果 compar 返回值< 0，那么第一個參數(shù)p1 所指向元素會被排在第二個p2所指向元素的前面；如果 compar 返回值= 0，那么 p1 所指向元素與 p2 所指向元素的順序不確定；如果 compar 返回值> 0，那么 p1 所指向元素會被排在 p2 所指向元素的后面。
  • 返回值 – 無

代碼

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <stdio.h>
// example of qsort using function pointer for comparison function (*compar)()
// see man qsort
char *num[] = {
	"000000001",
	"1", 
	"1000", 
	"  100 ", 
	"1     ", 
};

// compare p1 & p2 as strings
// call with the address of the array element, e.g. &(char *) = char **
int string_comp(const void *p1, const void *p2) 
{
	// be careful that address of element is passed so there is an
	// extra * needed here given that it is already (char *)
	// return strcmp((char *) p1, (char *) p2); /* a bug as needs deref */
	return strcmp(*((char **) p1), *((char **) p2));
}
// compare p1 & p2 as integers
int int_comp(const void *p1, const void *p2) 
{
	int i1, i2;
	// i1 = atoi((char *) p1); /* bug: same reason as line in string_comp() */
	i1 = atoi(*((char **) p1)); /* correct */
	// i2 = atoi((char *) p2); /* bug: same reason as line in string_comp() */
	i2 = atoi(*((char **) p2)); /* correct */
	// printf("comp(%s,%s)\n", p1, p2); /* bug: for debugging */
	// printf("comp(\"%s\", \"%s\")\n", *(char **) p1, *(char **) p2); /* correct: for debugging */
	if (i1 < i2) return -1;
	else if (i1 == i2) return 0;
	else return 1;
}
void print_array(char *a[], int n)
{
	int i;
	for (i=0; i < n; i++)
		printf("\"%s\" ", a[i]);
}
int main()
{
	printf("Original array\n"); print_array(num, 5); printf("\n");
	qsort(num, 5, sizeof(char *), int_comp);
	printf("sorted array as int\n"); print_array(num, 5); printf("\n");
	qsort(&num, 5, sizeof(char *), string_comp);
	printf("sorted array as string\n"); print_array(num, 5); printf("\n");
	return(0);
}

一般形式：strcmp(字符串1，字符串2)

說明：當(dāng)s1<s2時，返回為負(fù)數(shù) 注意不是-1

當(dāng)s1==s2時，返回值= 0

當(dāng)s1>s2時，返回正數(shù) 注意不是1

即：兩個字符串自左向右逐個字符相比（按ASCII值大小相比較），直到出現(xiàn)不同的字符或遇'\0'為止。如：

“A”<“B” “a”>“A” “computer”>“compare”

特別注意：strcmp(const char *s1,const char * s2)這里面只能比較字符串，不能比較數(shù)字等其他形式的參數(shù)。

Exercise 2：

代碼：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <errno.h>
#include <sys/mman.h>
#define L (32)
int addnum(int a)
{
	return a+255;
}
int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
{
	int a, (*f)(int), *code_buf;
	char *p, data[]={0x0f, 0x0b};
	/* Try uncommenting out */
	/*
	f = NULL;
	a = f(10);
	printf("0: f(10)=%d f=%p\n\n", a, f);
	*/
	f = addnum;
	a = f(10); // LINE1
	printf("1: f(10)=%d f=%p\n\n", a, f);
	code_buf = (int *) mmap(0, 4096, PROT_EXEC|PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
	/* Try swapping the two mmap lines */
	// code_buf = (int *) mmap(0, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
	printf("code_buf %p\n", code_buf);
	memcpy(code_buf, addnum, L);
	f = (int (*)(int)) code_buf;
	a = f(10); // LINE2
	printf("2: f(10)=%d f=%p\n\n", a, f);
	p = index((char *) code_buf, 0xff);
	printf("before *p=%hhx\n", *p);
	*p = 100;
	printf("after *p=%hhx\n", *p);
	a = f(10); // LINE3
	printf("3: f(10)=%d\n\n", a);
	*((char *) code_buf) = 0xc3;
	a = f(10); // LINE4
	printf("4: f(10)=%d\n\n", a);
	memcpy(code_buf, data, 2);
	printf("before last call\n");
	a = f(10); // LINE5
	return 0;
}

• mmap() 函數(shù):
  • 用途：
    • 將一個普通文件映射到內(nèi)存中，通常在需要對文件進(jìn)行頻繁讀寫時使用，這樣用內(nèi)存讀寫取代I/O讀寫，以獲得較高的性能；
    • 將特殊文件進(jìn)行匿名內(nèi)存映射，可以為關(guān)聯(lián)進(jìn)程提供共享內(nèi)存空間；
    • 為無關(guān)聯(lián)的進(jìn)程提供共享內(nèi)存空間，一般也是將一個普通文件映射到內(nèi)存中。
  • 頭文件：#include <sys/mman.h>
  • 原型：void *mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offsize);
  • 參數(shù)說明：
    • start：指向欲映射的內(nèi)存起始地址，通常設(shè)為 NULL，代表讓系統(tǒng)自動選定地址，映射成功后返回該地址。
    • length：代表將文件中多大的部分映射到內(nèi)存。
    • prot：映射區(qū)域的保護(hù)方式。可以為以下幾種方式的組合：
      • PROT_EXEC 映射區(qū)域可被執(zhí)行
        
      • PROT_READ 映射區(qū)域可被讀取
        
      • PROT_WRITE 映射區(qū)域可被寫入
        
      • PROT_NONE 映射區(qū)域不能存取
    • flags：影響映射區(qū)域的各種特性。在調(diào)用mmap()時必須要指定MAP_SHARED 或MAP_PRIVATE。
      • MAP_FIXED：如果參數(shù)start所指的地址無法成功建立映射時，則放棄映射，不對地址做修正。通常不鼓勵用此旗標(biāo)。
      • MAP_SHARED：對映射區(qū)域的寫入數(shù)據(jù)會復(fù)制回文件內(nèi)，而且允許其他映射該文件的進(jìn)程共享。
      • MAP_PRIVATE：對映射區(qū)域的寫入操作會產(chǎn)生一個映射文件的復(fù)制，即私人的“寫入時復(fù)制”（copy on write）對此區(qū)域作的任何修改都不會寫回原來的文件內(nèi)容。
      • MAP_ANONYMOUS：建立匿名映射。此時會忽略參數(shù)fd，不涉及文件，而且映射區(qū)域無法和其他進(jìn)程共享。
      • MAP_DENYWRITE：只允許對映射區(qū)域的寫入操作，其他對文件直接寫入的操作將會被拒絕。
      • MAP_LOCKED：將映射區(qū)域鎖定住，這表示該區(qū)域不會被置換（swap）。

fd：要映射到內(nèi)存中的文件描述符。如果使用匿名內(nèi)存映射時，即flags中設(shè)置了MAP_ANONYMOUS，fd設(shè)為-1。

offset：文件映射的偏移量，通常設(shè)置為0，代表從文件最前方開始對應(yīng)，offset必須是分頁大小的整數(shù)倍。

返回值：若映射成功則__返回映射區(qū)的內(nèi)存起始地址__，否則返回MAP_FAILED(－1)，錯誤原因存于errno 中。

錯誤代碼：

EBADF 參數(shù)fd 不是有效的文件描述詞

EACCES 存取權(quán)限有誤。如果是M

P_PRIVATE 情況下文件必須可讀，使用MAP_SHARED則要有PROT_WRITE以及該文件要能寫入。

EINVAL 參數(shù)start、length 或offset有一個不合法。

EAGAIN 文件被鎖住，或是有太多內(nèi)存被鎖住。

ENOMEM 內(nèi)存不足。

• memcpy() 函數(shù)：
  • 用途：內(nèi)存復(fù)制。
  • 原型：void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);
  • 功能：從src的開始位置拷貝n個字節(jié)的數(shù)據(jù)到dest。如果dest存在數(shù)據(jù)，將會被覆蓋。
  • 返回值：dest的指針。
  • 頭文件：string.h
• index() 函數(shù)：
  • 用途：找地址。
  • 原型：char * index(const char *s, int c);
  • 功能：用來找出參數(shù)s 字符串中第一個出現(xiàn)的參數(shù)c 地址，然后將該字符出現(xiàn)的地址返回。字符串結(jié)束字符(NULL)也視為字符串一部分。返回值：如果找到指定的字符則返回該字符所在地址，否則返回0。
  • 頭文件：#include <string.h> Exercise 3

代碼：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <errno.h>
#include <sys/mman.h>
int encrypt(int a) // simple encryption with a (secret) constant
{
	return a ^ 255;
}
int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
{
	int (*f)(int);
	int secret, x, y;
	// test encrypt
	f = encrypt;
	printf("1: enter test data\n");
	scanf("%d", &x);
	y = f(x);
	printf("1: test original encrypt(): f(%x)=%x\n", x, y);
	printf("enter new key\n");
	scanf("%d", &secret);
	// create a new function by using encrypt's code-bytes as a template
	// which is similar to encrypt() except that it is xor with the secret
	// key which has been input
	// let f point to the new function created by the code below
	// LINE1
	/* your code goes here */
	// LINE2
	secret = 255; // erase secret, set it back to the original key 
	// test if it works
	printf("2: value to encrypt\n");
	scanf("%d", &x);
	y = f(x); // should use the input secret key above
	printf("2: f(): f(%x)=%x\n", x, y);
	printf("erased secret %d\n", secret);
	// test if f() is modifiable
	*((int *)f) = 0; // LINE3: must segfault here
	return 0;
}

• 要求：
  • 加密方法只是讓數(shù)據(jù)XOR亦或整常數(shù)密碼(key,secret)。原始密碼已知，為255。
  • 目標(biāo)：從源代碼中移除密碼的依賴性，盡管有人知道源代碼也無法知道密碼（只考慮整數(shù)）。
  • 只修改LINE1和LINE2之間的代碼。
• 限制：
  • 不能使用新函數(shù)或者新包。
  • 需要在運(yùn)行時，動態(tài)地創(chuàng)建f()所指向的新代碼。（f是隨輸入變化的）
  • 新函數(shù)實(shí)現(xiàn)了與encrypt()相同的功能，除了常量來自輸入(讀入為secret)。
  • 加密是密碼的異或，采用(a ^ c)形式，其中c是常數(shù)而不是c變量。
  • 此外，盡管f()是在運(yùn)行時動態(tài)創(chuàng)建的，但在使用時不應(yīng)該修改。在LINE3測試，即出現(xiàn)segfault。 hint：看看mprotect，它補(bǔ)充了mmap

總結(jié)

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容!

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