IO FILE之fopen详解
前言
最近打算详细整理下 IO FILE 相关的笔记，不少地方都是知道个大概，因此这次打算从源码出发，把IO FILE相关的东西都过一遍。
思路大致是 fopen 、 fwrite 以及 fread 之类的IO函数的源码分析，再到libc2.24对vtable检查之前的利用方式，再到vtable检查的分析以及相应的对抗方式。
第一篇fopen详解，主要是基于源码的分析，源码的动态调试建议大家使用带调试符号的glibc，再次给大家推荐 pwn_debug ，可以很方便的安装带调试符号的glibc，使用debug模式即可。
源码分析
首先编写一个简单的调用fopen函数的c程序。
#include
int main(){
FILE*fp=fopen("test","wb");
char *ptr=malloc(0x20);
return 0;
}
编译出来之后使用pwn_debug的debug模式开启程序，或者指定带调试符号的glibc，我这里使用的glibc版本是2.23。接下来开始分析。
gdb跟进去fopen函数，可以看到fopen实际上是 _IO_new_fopen 函数，该函数在 /libio/iofopen.c 文件中，可以看到它调用的是 __fopen_internal ：
_IO_FILE *
_IO_new_fopen (const char *filename, const char *mode)
{
return __fopen_internal (filename, mode, 1);
}
跟进去 __fopen_internal 中，关键源码如下：
_IO_FILE *
__fopen_internal (const char *filename, const char *mode, int is32)
{
struct locked_FILE
{
struct _IO_FILE_plus fp;
#ifdef _IO_MTSAFE_IO
_IO_lock_t lock;
#endif
struct _IO_wide_data wd;
} *new_f = (struct locked_FILE *) malloc (sizeof (struct locked_FILE)); ## step 1 分配内存
...
_IO_no_init (&new_f->fp.file, 0, 0, &new_f->wd, &_IO_wfile_jumps); ## step 2 null初始化结构体数据
...
_IO_JUMPS (&new_f->fp) = &_IO_file_jumps; ## 设置vtable为_IO_file_jumps
_IO_file_init (&new_f->fp); ## step 3 将file结构体链接进去_IO_list_all
...
# step 4 打开文件
if (_IO_file_fopen ((_IO_FILE *) new_f, filename, mode, is32) != NULL)
return __fopen_maybe_mmap (&new_f->fp.file);
}
整个 __fopen_internal 函数包含四个部分：
-
malloc分配内存空间。 -
_IO_no_init对file结构体进行null初始化。 -
_IO_file_init将结构体链接进_IO_list_all链表。 -
_IO_file_fopen执行系统调用打开文件。
下面详细分析跟进去每个子函数进行分析。
malloc分配内存空间
可以看到首先调用 malloc 函数分配了一个 struct locked_FILE 大小的结构体，这个结构体比函数刚开始的地方定义，在64位系统中为0x230，该结构体包含三个 _IO_FILE_plus 、 _IO_lock_t 、 _IO_wide_data ，其中 _IO_FILE_plus 为使用的 IO FILE 的结构体。执行完 malloc 后内存状态如下：
_IO_no_init 对file结构体进行null初始化
在分配完空间后，接着就调用 _IO_no_init 函数去null初始化结构体，跟进去该函数，函数在 /libio/genops.c 中：
void
_IO_old_init (_IO_FILE *fp, int flags)
{
fp->_flags = _IO_MAGIC|flags;
fp->_flags2 = 0;
fp->_IO_buf_base = NULL;
fp->_IO_buf_end = NULL;
fp->_IO_read_base = NULL;
fp->_IO_read_ptr = NULL;
fp->_IO_read_end = NULL;
fp->_IO_write_base = NULL;
fp->_IO_write_ptr = NULL;
fp->_IO_write_end = NULL;
fp->_chain = NULL; /* Not necessary. */
fp->_IO_save_base = NULL;
fp->_IO_backup_base = NULL;
fp->_IO_save_end = NULL;
fp->_markers = NULL;
fp->_cur_column = 0;
...
fp->_vtable_offset = 0;
...
}
void
_IO_no_init (_IO_FILE *fp, int flags, int orientation,
struct _IO_wide_data *wd, const struct _IO_jump_t *jmp)
{
_IO_old_init (fp, flags);
fp->_mode = orientation;
...
## 初始化fp的_wide_data字段
fp->_wide_data = wd;
fp->_wide_data->_IO_buf_base = NULL;
fp->_wide_data->_IO_buf_end = NULL;
fp->_wide_data->_IO_read_base = NULL;
fp->_wide_data->_IO_read_ptr = NULL;
fp->_wide_data->_IO_read_end = NULL;
fp->_wide_data->_IO_write_base = NULL;
fp->_wide_data->_IO_write_ptr = NULL;
fp->_wide_data->_IO_write_end = NULL;
fp->_wide_data->_IO_save_base = NULL;
fp->_wide_data->_IO_backup_base = NULL;
fp->_wide_data->_IO_save_end = NULL;
fp->_wide_data->_wide_vtable = jmp;
...
fp->_freeres_list = NULL;
}
可以看到函数最主要的功能是初始化 locked_FILE 里面的 _IO_FILE_plus 结构体，基本上将所有的值都初始化为null以及默认值，同时将 _wide_data 字段赋值并初始化。初始化结束后，FILE结构体如下：
_IO_file_init将结构体链接进_IO_list_all。
在执行完 _IO_no_init 函数后，回到 __fopen_internal 函数，函数将 _IO_FILE_plus 结构体的vtable设置成了 _IO_file_jumps ，然后调用 _IO_file_init 将 _IO_FILE_plus 结构体链接进入 _IO_list_all 链表，跟进去函数，函数在 /libio/fileops.c 中：
void
_IO_new_file_init (struct _IO_FILE_plus *fp)
{
fp->file._offset = _IO_pos_BAD;
fp->file._IO_file_flags |= CLOSED_FILEBUF_FLAGS;
## 调用_IO_link_in和设置_fileno
_IO_link_in (fp);
fp->file._fileno = -1;
}
libc_hidden_ver (_IO_new_file_init, _IO_file_init)
看到这个函数的主体就是调用了 _IO_link_in 函数，跟进去，函数在 /libio/genops.c 中：
void
_IO_link_in (struct _IO_FILE_plus *fp)
{
## 检查flag的标志位是否是_IO_LINKED
if ((fp->file._flags & _IO_LINKED) == 0)
{
## 设置_IO_LINKED标志位
fp->file._flags |= _IO_LINKED;
...
fp->file._chain = (_IO_FILE *) _IO_list_all;
_IO_list_all = fp;
++_IO_list_all_stamp;
...
}
}
libc_hidden_def (_IO_link_in)
之前一直都知道FILE结构体是通过 _IO_list_all 的单链表进行管理的，这里 _IO_link_in 函数的功能是检查FILE结构体是否包含 _IO_LINKED 标志，如果不包含则表示这个结构体没有链接进入 _IO_list_all ，则再后面把它链接进入 _IO_list_all 链表，同时设置FILE结构体的 _chain 字段为之前的链表的值，否则直接返回。
所以 _IO_file_init 主要功能是将FILE结构体链接进入 _IO_list_all 链表，在没执行 _IO_file_init 函数前 _IO_list_all 指向的是 stderr 结构体：
执行完后可以看到 _IO_list_all 指向的是申请出来的结构体：
同时此时FILE结构体的 _chain 字段指向了之前的 stderr 结构体：
_IO_file_fopen打开文件句柄
将FILE结构体链接到 _IO_list_all 链表后，程序返回到 __fopen_internal 中，接下来就调用 _IO_new_file_fopen 函数，跟进去该函数，函数在 libio/fileops.c 文件中：
_IO_FILE *
_IO_new_file_fopen (_IO_FILE *fp, const char *filename, const char *mode,
int is32not64)
{
...
## 检查文件是否以打开，打开则返回
if (_IO_file_is_open (fp))
return 0;
## 设置文件打开模式
switch (*mode)
{
case 'r':
omode = O_RDONLY;
read_write = _IO_NO_WRITES;
break;
...
}
...
## 调用_IO_file_open函数
result = _IO_file_open (fp, filename, omode|oflags, oprot, read_write,
is32not64);
...
}
libc_hidden_ver (_IO_new_file_fopen, _IO_file_fopen)
函数先检查文件描述符是否打开，然后设置文件打开的模式，最后调用 _IO_file_open 函数，跟进去 _IO_file_open 函数，该函数在 /libio/fileops.c 里面：
_IO_FILE *
_IO_file_open (_IO_FILE *fp, const char *filename, int posix_mode, int prot,
int read_write, int is32not64)
{
int fdesc;
...
# 调用系统函数open打开文件
fdesc = open (filename, posix_mode | (is32not64 ? 0 : O_LARGEFILE), prot);
...
# 将文件描述符设置到FILE结构体的相应字段_fileno里
fp->_fileno = fdesc;
...
#再次调用_IO_link_in
_IO_link_in ((struct _IO_FILE_plus *) fp);
return fp;
}
libc_hidden_def (_IO_file_open)
函数的主要功能就是执行系统调用 open 打开文件，并将文件描述符赋值给FILE结构体的 _fileno 字段，最后再次调用 _IO_link_in 函数，确保该结构体被链接进入 _IO_list_all 链表。
执行完 _IO_new_file_fopen 函数后，FILE结构体为：
该函数执行完后，程序返回FILE结构体指针，分析结束
小结
看完代码后，可以将fopen整体的流程可以归纳为：
-
malloc分配内存空间。 -
_IO_no_init对file结构体进行null初始化。 -
_IO_file_init将结构体链接进_IO_list_all链表。 -
_IO_file_fopen执行系统调用打开文件。
整个流程还是比较简单的，fopen返回之后 _IO_list_all 链表指向返回的FILE结构体，且FILE结构体的_chain字段指向之前的结构体（没有其他额外打开文件的话，将是指向 stderr ），同时其他的字段大多都是默认的null值， vtable 存储的是 __GI__IO_file_jumps 函数表，截图如下。
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