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iOS 底層原理 + 逆向文章匯總

本文主要是講解函數的參數、返回值、局部變量在匯編中是如何存儲，以及CPSR標志寄存器

函數的參數和返回值

arm64下，函數的參數是存放在x0-x7（w0-w7）這8個寄存器里面的，如果超過8個參數，就會入棧
- 如果自定義函數時，參數最好不要超過6個（因為有兩個隱藏參數 self，_cmd）
- 如果函數需要多個參數，可以傳入數組、結構體、指針等類型
函數的返回值放在x0寄存器中
- 如果返回值大于8個字節，就會利用內存傳遞

查看系統的參數匯編

下面通過系統中對函數的匯編來查看系統對參數、返回值是如何操作的

int sum(int a, int b){
    return a + b;
}
- (void)viewDidLoad{
    [super viewDidLoad];
    sum(10, 20);
}

查看匯編，在跳轉到sum函數之前，已經將參數存入了w0、w1

系統的參數匯編-01
在sum函數中，讀取w0、w1，放入w8、w9。然后將相加后的結果放入w0（即返回值在w0寄存器）

系統的參數匯編-02

自己優化實現suma

運行發現，其結果與sum函數是一致的,結果都是30

<!--asm.s-->
.text
.global _suma

_suma:
    add x0, x0, x1
    ret 
    
<!--調用-->
int suma;
- (void)viewDidLoad{
    [super viewDidLoad];
    suma(10, 20);
}

編譯器優化

來看以下代碼的匯編

int test(int a, int b, int c, int d, int e, int f, int g, int h, int i){
    return a + b + c + d + e + f + g + h + i;
}

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    test(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9);
}

在test函數斷住，查看匯編

未優化分析-01

以下是viewDidLoad棧空間的存入分析過程

未優化分析-02

下圖是對匯編代碼中入棧過程的一個圖示

未優化分析-03
以下是test函數的匯編分析

未優化分析-04

編譯器優化

debug模式改成release模式，此時再來查看匯編代碼，發現沒有test函數，被優化掉了

優化分析-01
如果非要執行test，可以這樣寫

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    printf("%d", test(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9));
}

匯編代碼如下，發現優化后的test函數在匯編中，其本質是一個數，也就是test函數的返回值。（相當于將printf("%d", test(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9));直接優化成了printf("%d", 45);）

優化分析-02

通過匯編實現函數

定義函數聲明及調用

int funcA(int a, int b);

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    int a = funcA(10, 20);
    printf("%d", a);
}

匯編實現funcA

.text
.global _funcA, _sum

_funcA:
    sub sp, sp, #0x10
    stp x29, x30, [sp] //保護lr
    bl _sum
    ldp x29, x30, [sp]
    add sp, sp, #0x10
    ret

_sum:
    add x0, x0, x1
    ret
    
<!--簡寫-->

_funcA:
    stp x29, x30, [sp, #-0x10]!
    bl _sum
    ldp x29, x30, [sp], #0x10
    ret

_sum:
    add x0, x0, x1
    ret
    
<!--巧合：還可以將bl替換成b-->
//b就是簡單跳轉,在逆向中用于繞過某些代碼（例如安全監測）

_funcA:
    b _sum

_sum:
    add x0, x0, x1
    ret

運行結果如下所示

匯編實現函數結果

說明：

關于b指令：只是跳轉，不改變lr寄存器

拉伸棧空間和參數個數有沒有關系？：有關系，當參數越多時，如果寄存器放不下，就需要用到內存。就會將棧空間放大，影響棧空間的不僅僅是參數個數，還有局部變量

函數的返回值

如果返回值是一個結構體類型，一個寄存器放不下，這時是什么情況？

有以下代碼，運行查看其匯編

struct str {
    int a;
    int b;
    int c;
    int d;
    int f;
    int g;
};
struct Str getStr(int a, int b, int c, int d, int f, int g){
    struct Str str1;
    str1.a = a;
    str1.b = b;
    str1.c = c;
    str1.d = d;
    str1.f = f;
    str1.g = g;
    return str1;
}

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    struct Str str2 = getStr(1, 2, 3, 4, 5, 6);
}

斷點運行，以下是viewDidLoad函數的匯編

返回值調試-01
以下是getStr函數的匯編代碼

返回值調試-02

結論：如果返回值大于x0的8個字節，也會使用棧空間來存儲

練習

1、如果函數的參數/返回是9個呢？

struct Str{
    int a;
    int b;
    int c;
    int d;
    int e;
    int f;
    int g;
    int h;
    int i;
};

struct Str getStr(int a, int b, int c, int d, int e, int f, int g, int h, int i){
    struct Str str1;
    str1.a = a;
    str1.b = b;
    str1.c = c;
    str1.d = d;
    str1.e = e;
    str1.f = f;
    str1.g = g;
    str1.h = h;
    str1.i = i;
    return str1;
}

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    struct Str str2 = getStr(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9);
}

查看viewDidLoad函數匯編

返回值練習-01
查看getStr函數匯編

返回值練習-02

結論：發現前8個參數是存儲到寄存器，第9個參數是存儲到棧空間

2、如果結構體參數是10個呢？

struct Str{
    int a;
    int b;
    int c;
    int d;
    int e;
    int f;
    int g;
    int h;
    int i;
    int j;
};

struct Str getStr(int a, int b, int c, int d, int e, int f, int g, int h, int i, int j){
    struct Str str1;
    str1.a = a;
    str1.b = b;
    str1.c = c;
    str1.d = d;
    str1.e = e;
    str1.f = f;
    str1.g = g;
    str1.h = h;
    str1.i = i;
    str1.j = j;
    return str1;
}

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    struct Str str2 = getStr(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9);

查看viewDidLoad函數匯編

返回值練習-03
查看getStr函數匯編

返回值練習-04
- 其中w0-w7都是參數
- x8用于返回值參照
- w9用作臨時變量

結論：前8個參數存儲到寄存器，后兩個參數存儲到棧空間

函數的局部變量

函數的局部變量放在棧里面

分析下面代碼的匯編

int funcB(int a, int b){
    int c = 6;
    return a + b + c;
}

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad]; 
    funcB(10, 20);
}

查看viewDidLoad的匯編

局部變量-01
查看funcB的匯編

局部變量-02

總結：

局部變量存儲在棧空間
參數的傳遞是用的寄存器，然后將寄存器的值寫入棧

如果函數有嵌套調用的情況呢？

int funcB(int a, int b){
    int c = 6;
    int d = funcSum(a, b, c);
    return d;
}

int funcSum(int a, int b, int c){
    int d = a + b + c;
    printf("%d", d);
    return d;
}

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    funcB(10, 20);
}

從viewDidLoad到funcB沒有任何變化

函數嵌套-01
來看funcB的匯編

函數嵌套-02
- 參數入棧，其實本質也是對參數的一個保護
- 所以使用的參數是從棧中獲取，而不是直接通過寄存器獲取
- stur 操作4個字節時使用

標記/狀態寄存器

標記/狀態寄存器：主要用于控制程序的執行流程

引子

分析下面函數的匯編

void func(){
    int a = 1;
    int b = 2;
    
    if (a == b){
        printf("a == b");
    }else{
        printf("error");
    }
}

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    func();
}

查看func的匯編

引子-01
手動更改cpsr的值（從1000 -> 0100）

引子-02

輸入c執行，此時的輸出是 a == b

引子-03

所以，從這里可以說明，高四位（31-28）是有特殊含義的

CPSR

CPU內部的寄存器中，有一種特殊的寄存器（對于不同的處理器，個數和數據結構都可能不同）。這種寄存器在ARM中，被稱為狀態寄存器，即CPSR（current program status register）寄存器
CPSR和其他寄存器不一樣，其他寄存器是用來存放數據的，都是整個寄存器具有一個含義，而CPSR寄存器是按位起作用的，即它的每一位都有專門的含義，用于記錄特定的信息
注意：CPSR寄存器是32位的
CPSR的低8位（包括I、F、T和M[4:0]）稱為控制位，程序無法修改，除非CPU運行于特權模式下，程序才能修改控制位
中間27-8是保留位，主要作用是為了升級，即更新擴展
N、Z、C、V均為條件碼標志位，它們的內容可被算術或邏輯運算的結果所改變，并且可以決定某條指令是否被執行，意義重大！

CPSR圖示

N（Negative）標志

CPSR的第31位是N，符號標志位，它記錄相關指令執行后，其結果是否為負
- 如果為負，則 N=1
- 如果是非負數，則 N=0
注意：在ARM64的指令集中，有的指令的執行時影響狀態寄存器的。例如adds/sub/or等，他們大都是運算指令（用于進行邏輯/算數運算）
- adds 執行add運算，且會改變標志位

案例調試

查看以下代碼的匯編

void func(){
     asm(
        "mov w0, #0xffffffff\n"
        "adds w0, w0, #0x0\n"
        );
}
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    func();
}

執行mov w0, #0xffffffff：w0賦值-1

N調試-01

查看此時的cpsr，高4位是6（即0110）

N調試-02
執行adds w0, w0, #0x0：因為w0位負數，加上0x0后，仍為負數，所以N標志為1

N調試-03

從cpsr的值中可以看出，6變成了8，即 0110 -> 1000,N位從0變成了1，符合我們的預期

Z（zero）標志

CPSR的第30位是Z，0標志位，它記錄相關指令執行后，其結果是否為0
- 如果結果為0，則 Z=1（此時能確定前面兩位為01，即N非負，為0，z為1）
- 如果結果不為0，則 Z=0

對于Z的值，可以這樣看，Z標記相關指令的計算結果是否為0，如果為0，則Z要記錄下”是0“這樣的肯定信息。在計算機中1表示邏輯真，表示肯定，所以當結果為0時Z=1（表示”結果為0“）。如果結果不為0，則Z要記錄下”不是0“這樣的否定信息。在計算機中0表示邏輯假，表示否定，所以當結果不為0時Z=0，表示”結果不為0“

案例調試

目的：驗證z為1時，N必為0

void func(){
    asm(
        "mov w0, #0x0\n"
        "adds w0, w0, #0x0\n"
    );
}

查看此時的CPSR

Z調試-01
執行mov w0, #0x0 和 adds w0, w0, #0x0，發現N和Z仍然是0和1
修改：將adds中的0x0更改為0x1

void func(){
    asm(
        "mov w0, #0x0\n"
        "adds w0, w0, #0x1\n"
    );
}

查看CPSR，從圖中可以看出，由于為結果為非負數，所以N為0，同時也不為0，則Z為0

Z調試-02

C（Carry）標志

CPSR的第29位是C，進位標志位，一般情況下，進行無符號數的運算
加法運算：當運算結果產生了進位時（無符號溢出），則C=1，否則C=0
- 例如 1111 1111 + 1 --> 1 0000 0000，此時的1就保存在C標志位
減法運算（包括CMP）：當運算時產生了借位時（無符號數溢出），C=0，否則C=1

C圖示
- 例如 0000 0001 - 0000 0010 --> 1111 1111，

對于位數為N的無符號數來說，其對應的二進制信息的最高位，即第N-1位，就是它的最高有效位，而假想存在的第N位，就是相對于最高有效位的更高位，如下所示

無符號的C圖示

進位

當兩個數相加時，有可能產生從最高有效位向更高位的進位，例如兩個32位數據0xaaaaaaaa + 0xaaaaaaaa，將產生進位，由于這個進位值在32位中無法保存，就說這個進位值丟失了。其實CPU在運算時，并不丟棄這個進位制，而是記錄在一個特殊的寄存器的某一位上，ARM下就用C位來記錄這個進位值，例如下面的指令

mov w0,#0xaaaaaaaa；0xa 的二進制是 1010
adds w0,w0,w0； 執行后 相當于 1010 << 1 進位1（無符號溢出） 所以C標記 為 1
adds w0,w0,w0； 執行后 相當于 0101 << 1 進位0（無符號沒溢出） 所以C標記 為 0
adds w0,w0,w0； 重復上面操作
adds w0,w0,w0

首先將CPSR變成0x00000000，然后查看執行mov w0,#0xaaaaaaaa后的CPSR

進位調試-01
執行第一次adds w0,w0,w0：進位1，C為1

進位調試-02
執行第二次adds w0,w0,w0：無進位，C由1變成0

進位調試-03
執行第三次adds w0,w0,w0：有進位，0變成1

進位調試-04
執行第四次adds w0,w0,w0，無進位，1變成0

進位調試-05

借位

當兩個數據做減法時，有可能向更高位借位，例如，兩個32位數據0x00000000 - 0x000000ff，將產生借位，借位后，相當于計算0x100000000 - 0x000000ff，得到0xffffff01這個值，由于借了一位，所以C位用來標記借位。C=0，例如下面的指令

mov w0,#0x0
subs w0,w0,#0xff
subs w0,w0,#0xff
subs w0,w0,#0xff

將CPSR修改為0x00000000，執行mov w0,#0x0

借位調試-01
執行第一次subs w0,w0,#0xff：產生了借位，所以C=0

借位調試-02
執行第二次subs w0,w0,#0xff：無借位，所以C=1

借位調試-03
執行第三次subs w0,w0,#0xff：無借位，所以C=1

借位調試-04

總結

函數參數
- arm64中，參數是放在x0-x7的8個寄存器中
- 如果是浮點數，就會用浮點數寄存器
- 如果超過8個參數就會用棧傳遞
函數返回值
- 一般函數的返回值使用x0寄存器保存
- 如果返回值大于了8個字節（x0寄存器大小是8個字節），就會利用內存傳遞返回值
函數局部變量
- 局部變量存儲在棧空間
函數的嵌套調用：會將x29、x30寄存器入棧保護
狀態（標志）寄存器 - CPSR
- arm64中cpsr寄存器（32位）為狀態寄存器
- 最高4位（28、29、30、31）為標志位
  - N標志（負標記位）
    - 執行結果為負數N=1
    - 執行結果非負數N=0
  - Z標志（0標記位）
    - 結果為0則Z=1
    - 結果非0則Z=0
  - C標志（無符號溢出）
    - 加法：進位 C=1，否則C=0
    - 減法：借位 C=0，否則C=1
  - V標志（有符號溢出）
    - 正數+正數=負數，則V=1
    - 正數+負數=正數，則V=0

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iOS逆向 02：函數本質（下）

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函數的參數和返回值

查看系統的參數匯編

編譯器優化

通過匯編實現函數

函數的返回值

練習

函數的局部變量

如果函數有嵌套調用的情況呢？

標記/狀態寄存器

引子

CPSR

N（Negative）標志

Z（zero）標志

C（Carry）標志

進位

借位

總結

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函數的返回值

練習

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CPSR

N（Negative）標志

Z（zero）標志

C（Carry）標志

進位

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