逆向基础（四）

第11章



选择结构switch()/case/default


11.1 一些例子

#!bash
void f (int a)
{ switch (a) { case 0: printf ("zero
"); break; case 1: printf ("one
"); break; case 2: printf ("two
"); break; default: printf ("something unknown
"); break; };
};

11.1.1 X86


反汇编结果如下（MSVC 2010）：

清单11.1: MSVC 2010

#!bash
tv64 = -4 ; size = 4
_a$ = 8 ; size = 4
_f PROC push ebp mov ebp, esp push ecx mov eax, DWORD PTR _a$[ebp] mov DWORD PTR tv64[ebp], eax cmp DWORD PTR tv64[ebp], 0 je SHORT $LN4@f cmp DWORD PTR tv64[ebp], 1 je SHORT $LN3@f cmp DWORD PTR tv64[ebp], 2 je SHORT $LN2@f jmp SHORT $LN1@f
$LN4@f: push OFFSET $SG739 ; ’zero’, 0aH, 00H call _printf add esp, 4 jmp SHORT $LN7@f
$LN3@f: push OFFSET $SG741 ; ’one’, 0aH, 00H call _printf add esp, 4 jmp SHORT $LN7@f
$LN2@f: push OFFSET $SG743 ; ’two’, 0aH, 00H call _printf add esp, 4 jmp SHORT $LN7@f
$LN1@f: push OFFSET $SG745 ; ’something unknown’, 0aH, 00H call _printf add esp, 4
$LN7@f: mov esp, ebp pop ebp ret 0
_f ENDP

输出函数的switch中有一些case选择分支，事实上，它是和下面这个形式等价的：

#!cpp
void f (int a)
{ if (a==0) printf ("zero
"); else if (a==1) printf ("one
"); else if (a==2) printf ("two
"); else printf ("something unknown
");
};

当switch()中有一些case分支时，我们可以看到此类代码，虽然不能确定，但是，事实上switch()在机器码级别上就是对if()的封装。这也就是说，switch()其实只是对有一大堆类似条件判断的if()的一个语法糖。

在生成代码时，除了编译器把输入变量移动到一个临时本地变量tv64中之外，这块代码对我们来说并无新意。

如果是在GCC 4.4.1下编译同样的代码，我们得到的结果也几乎一样，即使你打开了最高优化（-O3）也是如此。

让我们在微软VC编译器中打开/Ox优化选项： cl 1.c /Fa1.asm /Ox

清单11.2: MSVC

#!bash
_a$ = 8 ; size = 4
_f PROC mov eax, DWORD PTR _a$[esp-4] sub eax, 0 je SHORT $LN4@f sub eax, 1 je SHORT $LN3@f sub eax, 1 je SHORT $LN2@f mov DWORD PTR _a$[esp-4], OFFSET $SG791 ; ’something unknown’, 0aH, 00H jmp _printf
$LN2@f: mov DWORD PTR _a$[esp-4], OFFSET $SG789 ; ’two’, 0aH, 00H jmp _printf
$LN3@f: mov DWORD PTR _a$[esp-4], OFFSET $SG787 ; ’one’, 0aH, 00H jmp _printf
$LN4@f: mov DWORD PTR _a$[esp-4], OFFSET $SG785 ; ’zero’, 0aH, 00H jmp _printf
_f ENDP

我们可以看到浏览器做了更多的难以阅读的优化（Dirty hacks）。

首先，变量的值会被放入EAX，接着EAX减0。听起来这很奇怪，但它之后是需要检查先前EAX寄存器的值是否为0的，如果是，那么程序会设置上零标志位ZF（这也表示了减去0之后，结果依然是0），第一个条件跳转语句JE（Jump if Equal 或者同义词 JZ - Jump if Zero）会因此触发跳转。如果这个条件不满足，JE没有跳转的话，输入值将减去1，之后就和之前的一样了，如果哪一次值是0，那么JE就会触发，从而跳转到对应的处理语句上。

（译注：SUB操作会重置零标志位ZF，但是MOV不会设置标志位，而JE将只有在ZF标志位设置之后才会跳转。如果需要基于EAX的值来做JE跳转的话，是需要用这个方法设置标志位的）。

并且，如果没有JE语句被触发，最终，printf()函数将收到“something unknown”的参数。

其次：我们看到了一些不寻常的东西——字符串指针被放在了变量里，然后printf()并没有通过CALL，而是通过JMP来调用的。 这个可以很简单的解释清楚，调用者把参数压栈，然后通过CALL调用函数。CALL通过把返回地址压栈，然后做无条件跳转来跳到我们的函数地址。我们的函数在执行时，不管在任何时候都有以下的栈结构（因为它没有任何移动栈指针的语句）：

· ESP —— 指向返回地址
· ESP+4 —— 指向变量a （也即参数）

另一方面，当我们这儿调用printf()函数的时候，它也需要有与我们这个函数相同的栈结构，不同之处只在于printf()的第一个参数是指向一个字符串的。 这也就是你之前看到的我们的代码所做的事情。

我们的代码把第一个参数的地址替换了，然后跳转到printf()，就像第一个没有调用我们的函数f()而是先调用了printf()一样。 printf()把一串字符输出到stdout 中，然后执行RET语句， 这一句会从栈上弹出返回地址，因此，此时控制流会返回到调用f()的函数上，而不是f()上。

这一切之所以能发生，是因为printf()在f()的末尾。在一些情况下，这有些类似于longjmp()函数。当然，这一切只是为了提高执行速度。

ARM编译器也有类似的优化，请见5.3.2节“带有多个参数的printf()函数调用”。

11.1.2 ARM： 优化后的 Keil + ARM 模式

#!bash
.text:0000014C f1
.text:0000014C 00 00 50 E3 CMP R0, #0
.text:00000150 13 0E 8F 02 ADREQ R0, aZero ; "zero
"
.text:00000154 05 00 00 0A BEQ loc_170
.text:00000158 01 00 50 E3 CMP R0, #1
.text:0000015C 4B 0F 8F 02 ADREQ R0, aOne ; "one
"
.text:00000160 02 00 00 0A BEQ loc_170
.text:00000164 02 00 50 E3 CMP R0, #2
.text:00000168 4A 0F 8F 12 ADRNE R0, aSomethingUnkno ; "something unknown
"
.text:0000016C 4E 0F 8F 02 ADREQ R0, aTwo ; "two
"
.text:00000170
.text:00000170 loc_170 ; CODE XREF: f1+8
.text:00000170 ; f1+14
.text:00000170 78 18 00 EA B __2printf

我们再一次看看这个代码，我们不能确定的说这就是源代码里面的switch()或者说它是if()的封装。

但是，我们可以看到这里它也在试图预测指令（像是ADREQ（相等）），这里它会在R0=0的情况下触发，并且字符串“zero”的地址将被加载到R0中。如果R0=0，下一个指令BEQ将把控制流定向到loc_170处。顺带一说，机智的读者们可能会文，之前的ADREQ已经用其他值填充了R0寄存器了，那么BEQ会被正确触发吗？答案是“是”。因为BEQ检查的是CMP所设置的标记位，但是ADREQ根本没有修改标记位。

还有，在ARM中，一些指令还会加上-S后缀，这表明指令将会根据结果设置标记位。如果没有-S的话，表明标记位并不会被修改。比如，ADD（而不是ADDS）将会把两个操作数相加，但是并不会涉及标记位。这类指令对使用CMP设置标记位之后使用标记位的指令，例如条件跳转来说非常有用。

其他指令对我们来说已经很熟悉了。这里只有一个调用指向printf（），在末尾，我们已经知道了这个小技巧（见5.3.2节）。在末尾处有三个指向printf（）的地址。 还有，需要注意的是如果a=2但是a并不在它的选择分支给定的常数中时，“CMP R0, #2”指令在这个情况下就需要知道a是否等于2。如果结果为假，ADRNE将会读取字符串“something unknown
”到R0中，因为a在之前已经和0、1做过是否相等的判断了，这里我们可以假定a并不等于0或者1。并且，如果R0=2，a指向的字符串“two
”将会被ADREQ载入R0。

11.1.3 ARM： 优化后的 Keil + thumb 模式

#!bash
.text:000000D4 f1
.text:000000D4 10 B5 PUSH {R4,LR}
.text:000000D6 00 28 CMP R0, #0
.text:000000D8 05 D0 BEQ zero_case
.text:000000DA 01 28 CMP R0, #1
.text:000000DC 05 D0 BEQ one_case
.text:000000DE 02 28 CMP R0, #2
.text:000000E0 05 D0 BEQ two_case
.text:000000E2 91 A0 ADR R0, aSomethingUnkno ; "something unknown
"
.text:000000E4 04 E0 B default_case
.text:000000E6 ;
-------------------------------------------------------------------------
.text:000000E6 zero_case ; CODE XREF: f1+4
.text:000000E6 95 A0 ADR R0, aZero ; "zero
"
.text:000000E8 02 E0 B default_case
.text:000000EA ;
-------------------------------------------------------------------------
.text:000000EA one_case ; CODE XREF: f1+8
.text:000000EA 96 A0 ADR R0, aOne ; "one
"
.text:000000EC 00 E0 B default_case
.text:000000EE ;
-------------------------------------------------------------------------
.text:000000EE two_case ; CODE XREF: f1+C
.text:000000EE 97 A0 ADR R0, aTwo ; "two
"
.text:000000F0 default_case ; CODE XREF: f1+10
.text:000000F0 ; f1+14
.text:000000F0 06 F0 7E F8 BL __2printf
.text:000000F4 10 BD POP {R4,PC}
.text:000000F4 ; End of function f1

正如我之前提到的，在thumb模式下并没有什么功能来连接预测结果，所以这里的thumb代码有点像容易理解的x86 CISC代码。

11.2 许多例子


在有许多case分支的switch()语句中，对编译器来说，转换出一大堆JE/JNE语句并不是太方便。

#!cpp
void f (int a)
{ switch (a) { case 0: printf ("zero
"); break; case 1: printf ("one
"); break; case 2: printf ("two
"); break; case 3: printf ("three
"); break; case 4: printf ("four
"); break; default: printf ("something unknown
"); break; };
};

11.2.1 x86


反汇编结果如下（MSVC 2010）：

清单11.3: MSVC 2010

#!bash
tv64 = -4 ; size = 4
_a$ = 8 ; size = 4
_f PROC push ebp mov ebp, esp push ecx mov eax, DWORD PTR _a$[ebp] mov DWORD PTR tv64[ebp], eax cmp DWORD PTR tv64[ebp], 4 ja SHORT $LN1@f mov ecx, DWORD PTR tv64[ebp] jmp DWORD PTR $LN11@f[ecx*4]
$LN6@f: push OFFSET $SG739 ; ’zero’, 0aH, 00H call _printf add esp, 4 jmp SHORT $LN9@f
$LN5@f: push OFFSET $SG741 ; ’one’, 0aH, 00H call _printf add esp, 4 jmp SHORT $LN9@f
$LN4@f: push OFFSET $SG743 ; ’two’, 0aH, 00H call _printf add esp, 4 jmp SHORT $LN9@f
$LN3@f: push OFFSET $SG745 ; ’three’, 0aH, 00H call _printf add esp, 4 jmp SHORT $LN9@f
$LN2@f: push OFFSET $SG747 ; ’four’, 0aH, 00H call _printf add esp, 4 jmp SHORT $LN9@f
$LN1@f: push OFFSET $SG749 ; ’something unknown’, 0aH, 00H call _printf add esp, 4
$LN9@f: mov esp, ebp pop ebp ret 0 npad 2
$LN11@f: DD $LN6@f ; 0 DD $LN5@f ; 1 DD $LN4@f ; 2 DD $LN3@f ; 3 DD $LN2@f ; 4
_f ENDP

好的，我们可以看到这儿有一组不同参数的printf()调用。 它们不仅有内存中的地址，编译器还给它们带上了符号信息。顺带一提，这些符号标签也都存在于$LN11@f内部函数表中。

在函数最开始，如果a大于4，控制流将会被传递到标签$LN1@f上，这儿会有一个参数为“something unknown”的printf()调用。

如果a值小于等于4，然后我们把它乘以4，加上$LN1@f的函数地址。这就是在函数表内部构造地址的方法，这样可以正好指向我们需要的元素。比如a等于2。 那么，2×4=8（在32位进程下，所有的函数表元素的长度都只有4字节），$LN11@f的函数表地址+8——这样就能取得$LN4@f标签的位置。 JMP将从函数表中获得$LN4@f的地址，然后跳转向它。

这个函数表，有时候也叫做跳转表（jumptable）。

然后，对应的，printf()的参数就是“two”了。 字面意思， JMP DWORD PTR $LN11@f[ECX*4] 指令意味着“ 跳转到存储在$LN11@f + ecx * 4 地址上的双字”。 npad（64）是一个编译时语言宏，它用于对齐下一个标签，这样存储的地址就会按照4字节（或者16字节）对齐。这个对于处理器来说是十分合适的，因为通过内存总线、缓存从内存中获取32位的值是非常方便而且有效率的。

让我们看看GCC 4.4.1 生成的代码：

清单11.4： GCC 4.4.1

#!bash public f
f proc near ; CODE XREF: main+10
var_18 = dword ptr -18h
arg_0 = dword ptr 8 push ebp mov ebp, esp sub esp, 18h ; char * cmp [ebp+arg_0], 4 ja short loc_8048444 mov eax, [ebp+arg_0] shl eax, 2 mov eax, ds:off_804855C[eax] jmp eax
loc_80483FE: ; DATA XREF: .rodata:off_804855C mov [esp+18h+var_18], offset aZero ; "zero" call _puts jmp short locret_8048450
loc_804840C: ; DATA XREF: .rodata:08048560 mov [esp+18h+var_18], offset aOne ; "one" call _puts jmp short locret_8048450
loc_804841A: ; DATA XREF: .rodata:08048564 mov [esp+18h+var_18], offset aTwo ; "two" call _puts jmp short locret_8048450
loc_8048428: ; DATA XREF: .rodata:08048568 mov [esp+18h+var_18], offset aThree ; "three" call _puts jmp short locret_8048450
loc_8048436: ; DATA XREF: .rodata:0804856C mov [esp+18h+var_18], offset aFour ; "four" call _puts jmp short locret_8048450
loc_8048444: ; CODE XREF: f+A mov [esp+18h+var_18], offset aSomethingUnkno ; "something unknown" call _puts
locret_8048450: ; CODE XREF: f+26 ; f+34... leave retn
f endp
off_804855C dd offset loc_80483FE ; DATA XREF: f+12 dd offset loc_804840C dd offset loc_804841A dd offset loc_8048428 dd offset loc_8048436

基本和VC生成的相同，除了少许的差别：参数arg_0的乘以4操作被左移2位替换了（这集合和乘以4一样）（见17.3.1节）。 然后标签地址从off_804855C处的数组获取，地址计算之后存储到EAX中，然后通过JMP EAX跳转到实际的地址上。

11.2.2 ARM： 优化后的 Keil + ARM 模式

#!bash
00000174 f2
00000174 05 00 50 E3 CMP R0, #5 ; switch 5 cases
00000178 00 F1 8F 30 ADDCC PC, PC, R0,LSL#2 ; switch jump
0000017C 0E 00 00 EA B default_case ; jumptable 00000178 default case
00000180 ; -------------------------------------------------------------------------
00000180
00000180 loc_180 ; CODE XREF: f2+4
00000180 03 00 00 EA B zero_case ; jumptable 00000178 case 0
00000184 ; -------------------------------------------------------------------------
00000184
00000184 loc_184 ; CODE XREF: f2+4
00000184 04 00 00 EA B one_case ; jumptable 00000178 case 1
00000188 ; -------------------------------------------------------------------------
00000188
00000188 loc_188 ; CODE XREF: f2+4
00000188 05 00 00 EA B two_case ; jumptable 00000178 case 2
0000018C ; -------------------------------------------------------------------------
0000018C
0000018C loc_18C ; CODE XREF: f2+4
0000018C 06 00 00 EA B three_case ; jumptable 00000178 case 3
00000190 ; -------------------------------------------------------------------------
00000190
00000190 loc_190 ; CODE XREF: f2+4
00000190 07 00 00 EA B four_case ; jumptable 00000178 case 4
00000194 ; -------------------------------------------------------------------------
00000194
00000194 zero_case ; CODE XREF: f2+4
00000194 ; f2:loc_180
00000194 EC 00 8F E2 ADR R0, aZero ; jumptable 00000178 case 0
00000198 06 00 00 EA B loc_1B8
0000019C ; -------------------------------------------------------------------------
0000019C
0000019C one_case ; CODE XREF: f2+4
0000019C ; f2:loc_184
0000019C EC 00 8F E2 ADR R0, aOne ; jumptable 00000178 case 1
000001A0 04 00 00 EA B loc_1B8
000001A4 ; -------------------------------------------------------------------------
000001A4
000001A4 two_case ; CODE XREF: f2+4
000001A4 ; f2:loc_188
000001A4 01 0C 8F E2 ADR R0, aTwo ; jumptable 00000178 case 2
000001A8 02 00 00 EA B loc_1B8
000001AC ; -------------------------------------------------------------------------
000001AC
000001AC three_case ; CODE XREF: f2+4
000001AC ; f2:loc_18C
000001AC 01 0C 8F E2 ADR R0, aThree ; jumptable 00000178 case 3
000001B0 00 00 00 EA B loc_1B8
000001B4 ; -------------------------------------------------------------------------
000001B4
000001B4 four_case ; CODE XREF: f2+4
000001B4 ; f2:loc_190
000001B4 01 0C 8F E2 ADR R0, aFour ; jumptable 00000178 case 4
000001B8
000001B8 loc_1B8 ; CODE XREF: f2+24
000001B8 ; f2+2C
000001B8 66 18 00 EA B __2printf
000001BC ; -------------------------------------------------------------------------
000001BC
000001BC default_case ; CODE XREF: f2+4
000001BC ; f2+8
000001BC D4 00 8F E2 ADR R0, aSomethingUnkno ; jumptable 00000178 default case
000001C0 FC FF FF EA B loc_1B8
000001C0 ; End of function f2

这个代码利用了ARM的特性，这里ARM模式下所有指令都是4个字节。

让我们记住a的最大值是4，任何更大额值都会导致它输出“something unknown
”。

最开始的“CMP R0, #5”指令将a的值与5比较。

下一个“ADDCC PC, PC, R0, LSL#2”指令将仅在R0=5时），它将会跳转到default _case标签上。


但是，如果R0