iOS通過逆向理解Block的內(nèi)存模型
前言
正常情況下，通過分析界面以及 class-dump 出來頭文件就能對某個功能的實現(xiàn)猜個八九不離十。但是 Block 這種特殊的類型在頭文件中是看不出它的聲明的，一些有 Block 回調(diào)的方法名 dump 出來是類似這樣的：
- (void)FM_GetSubscribeList:(long long)arg1 pageSize:(long long)arg2 callBack:(CDUnknownBlockType)arg3;
因為這種回調(diào)看不到它的方法簽名，我們無法知道這個 Block 到底有幾個參數(shù)，也不知道它函數(shù)體的具體地址，因此在使用 lldb 進行動態(tài)調(diào)試的時候也是困難重重。我也一度被這個困難所阻擋，以為調(diào)用到有 Block 的方法就是進了死胡同，沒辦法繼續(xù)跟蹤下去了。我還因此放棄過好幾次對某個功能的分析，特別受挫。
好在，我們還有 Google 這個強大的武器。沒有什么問題是一次 Google 不能解決的。如果有，那就兩次。
這篇文章就來講講如何通過 Block 的內(nèi)存模型來分析出它的函數(shù)體地址，以及函數(shù)簽名。
Block 的內(nèi)存結構
在 LLVM 文檔中，可以看到 Block 的實現(xiàn)規(guī)范，其中最關鍵的地方是對于 Block 內(nèi)存結構的定義：
struct Block_literal_1 {
void *isa; // initialized to &_NSConcreteStackBlock or &_NSConcreteGlobalBlock
int flags;
int reserved;
void (*invoke)(void *, ...);
struct Block_descriptor_1 {
unsigned long int reserved; // NULL
unsigned long int size; // sizeof(struct Block_literal_1)
// optional helper functions
void (*copy_helper)(void *dst, void *src); // IFF (1<<25)
void (*dispose_helper)(void *src); // IFF (1<<25)
// required ABI.2010.3.16
const char *signature; // IFF (1<<30)
} *descriptor;
// imported variables
};
可以看到第一個成員是 isa，說明了 Block 在 Objective-C 當中也是一個對象。我們重點要關注的就是 void (*invode)(void *, ...); 和 descriptor 中的 const char *signature，前者指向了 Block 具體實現(xiàn)的地址，后者是表示 Block 函數(shù)簽名的字符串。
實戰(zhàn)
注：本篇文章都是在 64 位系統(tǒng)下進行分析，如果是 32 位系統(tǒng)，整型與指針類型的大小都是與 64 位不一致的，請自行進行修改。
知道了 Block 的內(nèi)存模型后，就可以直接打開 hopper 和 lldb 進行調(diào)試了。
我這里使用了邏輯思維的得到 APP 作為分析的例子。順便說一句，得到上面的內(nèi)容都相當不錯，很多付費專欄的內(nèi)容都是很贊的，值得一看。
準備
設備：iPhone 5s iOS 8.2 越獄
usbmuxd
$ tcprelay -t 22:2222 1234:1234 Forwarding local port 2222 to remote port 22 Forwarding local port 1234 to remote port 1234 ......
ssh 到 iOS 設備并啟動 debugserver：
$ ssh root@localhost -p 2222 iPhone $ debugserver *:1234 -a "LuoJiFM-IOS" ebugserver-@(#)PROGRAM:debugserver PROJECT:debugserver-320.2.89 for arm64. Attaching to process LuoJiFM-IOS... Listening to port 1234 for a connection from *...
本地打開 lldb 并遠程附加進程，進行動態(tài)調(diào)試：
$ lldb (lldb) process connect connect://localhost:1234
找到偏移地址：
(lldb) image list -o -f [ 0] 0x0000000000074000 /private/var/mobile/Containers/Bundle/Application/D106C0E3-D874-4534-AED6-A7104131B31D/LuoJiFM-IOS.app/LuoJiFM-IOS(0x0000000100074000) [ 1] 0x000000000002c000 /Users/wordbeyond/Library/Developer/Xcode/iOS DeviceSupport/8.2 (12D508)/Symbols/usr/lib/dyld
在 Hopper 下找到需要斷點的地址：
下斷點：
(lldb) br s -a 0x0000000000074000+0x0000000100069700 Breakpoint 2: where = LuoJiFM-IOS`_mh_execute_header + 407504, address = 0x00000001000dd700
然后在應用中點擊訂閱 Tab ，此時會命中斷點（如果沒有命中，手動下拉刷新下）。
眾所周知，Objective-C 方法的調(diào)用都會轉化成 objc_msgSend 調(diào)用，因此單步的時候看到 objc_msgSend 就可以停下來了：
-> 0x1000dd71c <+431900>: bl 0x100daa2bc ; symbol stub for: objc_msgSend 0x1000dd720 <+431904>: mov x0, x20 0x1000dd724 <+431908>: bl 0x100daa2ec ; symbol stub for: objc_release 0x1000dd728 <+431912>: mov x0, x21 (lldb) po $x0 <DataServiceV2: 0x17400cea0> (lldb) po (char *)$x1 "FM_GetSubscribeList:pageSize:callBack:" (lldb) po $x4 <__NSStackBlock__: 0x16fd88f88>
可以看到，第四個參數(shù)是個 StackBlock 對象，但是 lldb 只為我們打印出了它的地址。接下來，就靠我們自己來找出它的函數(shù)體地址和函數(shù)簽名了。
找出 Block 的函數(shù)體地址
要找出 Block 的函數(shù)體地址很簡單，根據(jù)上面的內(nèi)存模型，我們只到找到 invoke 這個函數(shù)指針的地址，它指向的就是這個 Block 的實現(xiàn)。
在 64 位系統(tǒng)上，指針類型的大小是 8 個字節(jié)，而 int 是 4 個字節(jié)，如下：
因此，invoke 函數(shù)指針的地址就是在第 16 個字節(jié)之后。我們可以通過 lldb 的 memory 命令來打印出指定地址的內(nèi)存，我們上面已經(jīng)得到了 block 的地址，現(xiàn)在就打印出它的內(nèi)存內(nèi)容：
(lldb) memory read --size 8 --format x 0x16fd88f88 0x16fd88f88: 0x000000019b4d8088 0x00000000c2000000 0x16fd88f98: 0x00000001000dd770 0x0000000100fc6610 0x16fd88fa8: 0x000000017444c510 0x0000000000000001 0x16fd88fb8: 0x000000017444c510 0x0000000000000008
如前所述，函數(shù)指針的地址是在第 16 個字節(jié)之后，并占用 8 個字節(jié)，所以可以得到函數(shù)的地址是 0x00000001000dd770。
有了函數(shù)地址之后，就可以對這個地址進行反匯編：
(lldb) disassemble --start-address 0x00000001000dd770 LuoJiFM-IOS`_mh_execute_header: -> 0x1000dd770 <+431984>: stp x28, x27, [sp, #-96]! 0x1000dd774 <+431988>: stp x26, x25, [sp, #16] 0x1000dd778 <+431992>: stp x24, x23, [sp, #32] 0x1000dd77c <+431996>: stp x22, x21, [sp, #48] 0x1000dd780 <+432000>: stp x20, x19, [sp, #64] 0x1000dd784 <+432004>: stp x29, x30, [sp, #80] 0x1000dd788 <+432008>: add x29, sp, #80 ; =80 0x1000dd78c <+432012>: mov x22, x3
也可以直接在 lldb 當中下斷點：
(lldb) br s -a 0x00000001000dd770 Breakpoint 3: where = LuoJiFM-IOS`_mh_execute_header + 407616, address = 0x00000001000dd770
再次運行函數(shù)，就可以進到回調(diào)的 Block 函數(shù)體內(nèi)了。
但是，大多數(shù)情況下，我們并不需要進到 Block 函數(shù)體內(nèi)。在寫 tweak 的時候，我們更需要的是知道這個 Block 回調(diào)給了我們哪些參數(shù)。
接下來，我們繼續(xù)進行探索。
找出 Block 的函數(shù)簽名
要找出 Block 的函數(shù)簽名，需要通過 descriptor 結構體中的 signature 成員，然后通過它得到一個 NSMethodSignature 對象。
首先，需要找到 descriptor 結構體。這個結構體在 Block 中是通過指針持有的，它的位置正好在 invoke 成員后面，占用 8 個字節(jié)?？梢詮纳厦娴膬?nèi)存打印中看到 descriptor 指針的地址是 0x0000000100fc6610。
接下來，就可以通過 descriptor 的地址找到 signature 了。但是，文檔指出并不是每個 Block 都是有方法簽名的，我們需要通過 flags 與 block 中定義的枚舉掩碼進行與判斷。還是在剛剛的 llvm 文檔中，我們可以看到掩碼的定義如下：
enum {
BLOCK_HAS_COPY_DISPOSE = (1 << 25),
BLOCK_HAS_CTOR = (1 << 26), // helpers have C++ code
BLOCK_IS_GLOBAL = (1 << 28),
BLOCK_HAS_STRET = (1 << 29), // IFF BLOCK_HAS_SIGNATURE
BLOCK_HAS_SIGNATURE = (1 << 30),
};
再次使用 memory 命令打印出 flags 的值：
(lldb) memory read --size 4 --format x 0x16fd8a958 0x16fd8a958: 0x9b4d8088 0x00000001 0xc2000000 0x00000000 0x16fd8a968: 0x000dd770 0x00000001 0x00fc6610 0x00000001
由于 ((0xc2000000 & (1 << 30)) != 0)，因此我們可以確定這個 Block 是有簽名的。
雖然在文檔中指出并不是每個 Block 都有函數(shù)簽名的。但是我們可以在 Clang 源碼 中的 CGBlocks.cpp 查看 CodeGenFunction::EmitBlockLiteral 與 buildGlobalBlock 方法，可以看到每個 Block 的 flags 成員都是被默認設置了 BLOCK_HAS_SIGNATURE。因此，我們可以推斷，所有使用 Clang 編譯的代碼中的 Block 都是有簽名的。
為了找出 signature 的地址，我們還需要確認這個 Block 是否擁有 copy_helper 和 disponse_helper 這兩個可選的函數(shù)指針。由于 ((0xc2000000 & (1 << 25)) != 0) ，因此我們可以確認這個 Block 擁有剛剛提到的兩個函數(shù)指針。
現(xiàn)在可以總結下：signature 的地址是在 descriptor 下偏移兩個 unsiged long 和兩個指針后的地址，即 32 個字節(jié)后?，F(xiàn)在讓我們找出它的地址，并打印出它的字符串內(nèi)容：
(lldb) memory read --size 8 --format x 0x0000000100fc6610 0x100fc6610: 0x0000000000000000 0x0000000000000029 0x100fc6620: 0x00000001000ddb64 0x00000001000ddb70 0x100fc6630: 0x0000000100dfec18 0x0000000000000001 0x100fc6640: 0x0000000000000000 0x0000000000000048 (lldb) p (char *)0x0000000100dfec18 (char *) $4 = 0x0000000100dfec18 "v28@?0q8@"NSDictionary"16B24"
看到這一串亂碼是不是覺得有點崩潰，折騰了半天，怎么打印出這么一串鬼東西，雖然里面有一個熟悉的 NSDictionary，但是其它的東西完全看不懂啊。
不要慌，這確實就是一個函數(shù)簽名，只是我們需要通過 NSMethodSignature 找出它的參數(shù)類型：
(lldb) po [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v28@?0q8@\"NSDictionary\"16B24"]
<NSMethodSignature: 0x174672940>
number of arguments = 4
frame size = 224
is special struct return? NO
return value: -------- -------- -------- --------
type encoding (v) 'v'
flags {}
modifiers {}
frame {offset = 0, offset adjust = 0, size = 0, size adjust = 0}
memory {offset = 0, size = 0}
argument 0: -------- -------- -------- --------
type encoding (@) '@?'
flags {isObject, isBlock}
modifiers {}
frame {offset = 0, offset adjust = 0, size = 8, size adjust = 0}
memory {offset = 0, size = 8}
argument 1: -------- -------- -------- --------
type encoding (q) 'q'
flags {isSigned}
modifiers {}
frame {offset = 8, offset adjust = 0, size = 8, size adjust = 0}
memory {offset = 0, size = 8}
argument 2: -------- -------- -------- --------
type encoding (@) '@"NSDictionary"'
flags {isObject}
modifiers {}
frame {offset = 16, offset adjust = 0, size = 8, size adjust = 0}
memory {offset = 0, size = 8}
class 'NSDictionary'
argument 3: -------- -------- -------- --------
type encoding (B) 'B'
flags {}
modifiers {}
frame {offset = 24, offset adjust = 0, size = 8, size adjust = -7}
memory {offset = 0, size = 1}
注意，字符串中的雙引號需要對其進行轉義。
對我們最有用的 type encoding 字段，這些符號對應的解釋可以參考 Type Encoding 官方文檔。
所以，總結來講就是：這個方法沒有返回值，它接受四個參數(shù)，第一個是 block （即我們自己的 block 的引用），第二個是 (long long) 類型的，第三個是一個 NSDictionary 對象，第四個是一個 BOOL 值。
最終，我們得到了這個 Block 的函數(shù)參數(shù)。最初提到的那個方法簽名的完整版就是：
- (void)FM_GetSubscribeList:(long long)arg1 pageSize:(long long)arg2 callBack:(void (^)(long long, NSDictionary *, BOOL)arg3;
小結
因為想使用真實的例子進行演示，所以本文直接使用逆向的動態(tài)分析進行說明。其實上面提到的所有過程，都可以直接在 Xcode 通過自己寫的代碼進行操作。通過自己動手分析一遍，比看十篇文章來得更有效果。下次如果面試再有人問到 Block 的實現(xiàn)和內(nèi)存模型，你就可以跟它侃侃而談了。
以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學習或者工作能帶來一定的幫助，如果有疑問大家可以留言交流。
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