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內核熱補丁，真的安全么？

時間：2021-10-09 14:30:47
關鍵字： 內核   
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[導讀]Linux內核熱補丁可以修復正在運行的linux內核，是一種維持線上穩(wěn)定性不可缺少的措施，現在比較常見的比如kpatch和livepatch。內核熱補丁可以修復內核中正在運行的函數，用已修復的函數替換掉內核中存在問題的函數從而達到修復目的。函數替換的思想比較簡單，就是在執(zhí)行舊函數...

Linux 內核熱補丁可以修復正在運行的 linux 內核，是一種維持線上穩(wěn)定性不可缺少的措施，現在比較常見的比如 kpatch 和 livepatch。內核熱補丁可以修復內核中正在運行的函數，用已修復的函數替換掉內核中存在問題的函數從而達到修復目的。

函數替換的思想比較簡單，就是在執(zhí)行舊函數時繞開它的執(zhí)行邏輯而跳轉到新的函數中，有一種比較簡單粗暴的方式，就是將原函數的第一條指令修改為“ jump 目標函數”指令，即直接跳轉到新的函數以達到替換目的。

那么，問題來了，這么做靠譜嗎？直接將原函數的第一條指令修改為 jump 指令，會破壞掉原函數和它的調用者之間的寄存器上下文關系，存在安全隱患！本文會針對該問題進行探索和驗證。

安全性沖擊：問題呈現

對于函數調用，假設存在這樣兩個函數 funA 和 funB，其中 funA 調用 funB 函數，這里稱 funA 為 caller（調用者），funB 為 callee（被調用者），funA 和 funB 都使用了相同的寄存器 R，如下所示：

圖1 funA 和 funB 都使用了寄存器 R，funA 再次使用 R 時已經被 funB 修改

因此，當 funA 再次使用到 R 的數據已經是錯誤的數據了。如果 funA 在調用 funB 前保存寄存器 R 中的數據，funB 返回后再將數據恢復到 R 中，或者 funB 先保存 R 中原有的數據，然后在返回前恢復，就可以解決這類問題。

唯一的調用約定

那寄存器該由 caller 還是 callee 來保存？這就需要遵循函數的調用約定（call convention），不同的 ABI 和不同的平臺，函數的調用約定是不一樣的，對于 Linux 來說，它遵循的是 System V ABI 的 call convention，x86_64 平臺下函數調用約定有且只有一種，調用者 caller 和被調用者 callee 需要對相應的寄存器進行保存和恢復操作：

  • Caller-save registers : RDI, RSI, RDX, RCX, R8, R9, RAX, R10, R11

  • Callee-save registers : RBX, RBP, R12, R13, R14, R15
調用約定，gcc 它遵守了嗎？

設問：當函數實現很簡單，只用到了少量寄存器，那沒使用到的還需要保存嗎？答案：it depends。根據編譯選項決定。

眾所周知，GCC 編譯器有 -O0、-O1、-O2 和 -Ox 等編譯優(yōu)化選項，優(yōu)化范圍和深度隨 x 增大而增大（-O0是不優(yōu)化，其中隱含的意思是，它會嚴格遵循 ABI 中的調用約定，對所有使用的寄存器進行保存和恢復）。

Linux 內核選用的都是 -O2 優(yōu)化。GCC 會選擇性的不遵守調用約定，也就是設問里提到的，不需要保存沒使用到的寄存器。當【運行時替換】撞見【調用約定】GCC 之所以可以做這個優(yōu)化，是因為 GCC 高屋建瓴，了解程序的執(zhí)行流。當它知道 callee，caller 的寄存器分配情況，就會大膽且安全地做各種優(yōu)化。

但是，運行時替換破壞了這個假設，GCC 所掌握的 callee 信息，極有可能是錯誤的。那么這些優(yōu)化可能會引發(fā)嚴重問題。這里以一個具體的實例進行詳細說明，這是一個用戶態(tài)的例子（ x86_64 平臺）：

//test.c 文件//編譯命令：gcc test.c -o test -O2 (kernel 采用的是 O2 優(yōu)化選項)//執(zhí)行過程：./test//輸入參數：4
#include #include #include #include
#define noinline __attribute__ ((noinline)) //禁止內聯
static noinline int c(int x){ return x * x * x;}
static noinline int b(int x){ return x;}
static noinline int newb(int x){ return c(x * 2) * x;}
static noinline int a(int x){ int volatile tmp = b(x); // tmp = 8 ** 3 * 4 return x tmp; // return 4(not 8) tmp}
int main(void){ int x; scanf("%d",
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