linux - ユーザー空間で C の ELF ファイルをロードする

Question

64 ビット x86 環境の Linux で、「gcc -m32 test.c -o test.exe」でコンパイルされた ELF ファイルを読み込もうとしています。次のコア ロジック (32 ビット ELF) を持つユーザー空間 ELF ローダー内にその 32 ビット ファイル (test.exe) をロードしようとしています。

問題は、返された開始アドレスを呼び出すと、セグメンテーション エラーのコア ダンプが発生することです。コードは次のとおりです。

void *image_load (char *elf_start, unsigned int size)
{
    Elf32_Ehdr      *hdr    = NULL;
    Elf32_Phdr      *phdr   = NULL;
    unsigned char   *start  = NULL;
    Elf32_Addr      taddr   = 0;
    Elf32_Addr      offset  = 0;
    int i = 0;
    unsigned char *exec = NULL;
    Elf32_Addr      estart = 0;

    hdr = (Elf32_Ehdr *) elf_start;

    if(!is_image_valid(hdr)) {
        printk("image_load:: invalid ELF image\n");
        return 0;
    }

    exec = (unsigned char *)mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC,
                      MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, 0, 0);

    if(!exec) {
        printk("image_load:: error allocating memory\n");
        return 0;
    }

    // Start with clean memory.
    memset(exec,0x0,size);

    phdr = (Elf32_Phdr *)(elf_start + hdr->e_phoff);

    for(i=0; i < hdr->e_phnum; ++i) {
            if(phdr[i].p_type != PT_LOAD) {
                    continue;
            }
            if(phdr[i].p_filesz > phdr[i].p_memsz) {
                    printk("image_load:: p_filesz > p_memsz\n");
                    munmap(exec, size);
                    return 0;
            }
            if(!phdr[i].p_filesz) {
                    continue;
            }

            // p_filesz can be smaller than p_memsz,
            // the difference is zeroe'd out.
            start = (unsigned char *) (elf_start + phdr[i].p_offset);
            // taddr = phdr[i].p_vaddr + (Elf32_Addr)exec;
            if(!estart) {
                estart = phdr[i].p_paddr;
            }
            taddr = (Elf32_Addr)exec + offset + (phdr[i].p_paddr - estart);
            memmove((unsigned char *)taddr,
                    (unsigned char *)start,phdr[i].p_filesz);
            offset += (phdr[i].p_memsz + (phdr[i].p_paddr - estart));

            if(!(phdr[i].p_flags & PF_W)) {
                    // Read-only.
                    mprotect((unsigned char *) taddr, 
                              phdr[i].p_memsz,
                              PROT_READ);
            }

            if(phdr[i].p_flags & PF_X) {
                    // Executable.
                    mprotect((unsigned char *) taddr, 
                            phdr[i].p_memsz,
                            PROT_EXEC);
            }
    }

    return (void *)((hdr->e_entry - estart) + (Elf32_Addr)exec);

}/* image_load */

...
    int (*main)(int, char **)=image_load(...);
    main(argc,argv); // Crash...
...

Answer 1

ロードしようとしているELFを含む、完全に実行可能なコードを提供してください。私はあなたのコードをできる限り修正するために時間をかけました、そしてそれは少なくともこの単純なコードのためにうまくいくようです。

ローダーも32ビットコードとしてコンパイルする必要があることに注意してください。32ビットファイルを64ビットプロセスにロードすることはできません。さらに、元の場所にコードをロードしていないため、再配置可能である必要があります。最後に、ライブラリをロードしていないため、静的バイナリである必要があります。

更新：コードは、ロードされたコードのエントリポイントがint (*main)(int, char **)プロトタイプに準拠していることを期待していますが、これは一般的なケースではありません（補足：main実際には3番目の引数である環境も取得します）。ELFの起動状態についてお読みください。ここで説明されているスタックレイアウトを手動で作成する場合は、エントリポイントにジャンプする必要があり、それが戻ることはありません。Cプログラムの場合、のアドレスを掘り下げることができ、mainそれはプロトタイプと一致します。ただし、Cライブラリの初期化をスキップしているため（コードはライブラリのロードを行わないため、ロードされたプログラムは静的にリンクされている必要があります）、これが問題になる可能性があります。

libc参照を解決してを呼び出すことにより、単純なCプログラムを処理するために必要なビットでコードを拡張しましたmain。

loader.c：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <libelf.h>
#include <sys/mman.h>
#include <dlfcn.h>

void printk(const char* msg)
{
    fputs(msg, stderr);
}

int is_image_valid(Elf32_Ehdr *hdr)
{
    return 1;
}

void *resolve(const char* sym)
{
    static void *handle = NULL;
    if (handle == NULL) {
        handle = dlopen("libc.so", RTLD_NOW);
    }
    return dlsym(handle, sym);
}

void relocate(Elf32_Shdr* shdr, const Elf32_Sym* syms, const char* strings, const char* src, char* dst)
{
    Elf32_Rel* rel = (Elf32_Rel*)(src + shdr->sh_offset);
    int j;
    for(j = 0; j < shdr->sh_size / sizeof(Elf32_Rel); j += 1) {
        const char* sym = strings + syms[ELF32_R_SYM(rel[j].r_info)].st_name;
        switch(ELF32_R_TYPE(rel[j].r_info)) {
            case R_386_JMP_SLOT:
            case R_386_GLOB_DAT:
                *(Elf32_Word*)(dst + rel[j].r_offset) = (Elf32_Word)resolve(sym);
                break;
        }
    }
}

void* find_sym(const char* name, Elf32_Shdr* shdr, const char* strings, const char* src, char* dst)
{
    Elf32_Sym* syms = (Elf32_Sym*)(src + shdr->sh_offset);
    int i;
    for(i = 0; i < shdr->sh_size / sizeof(Elf32_Sym); i += 1) {
        if (strcmp(name, strings + syms[i].st_name) == 0) {
            return dst + syms[i].st_value;
        }
    }
    return NULL;
}

void *image_load (char *elf_start, unsigned int size)
{
    Elf32_Ehdr      *hdr     = NULL;
    Elf32_Phdr      *phdr    = NULL;
    Elf32_Shdr      *shdr    = NULL;
    Elf32_Sym       *syms    = NULL;
    char            *strings = NULL;
    char            *start   = NULL;
    char            *taddr   = NULL;
    void            *entry   = NULL;
    int i = 0;
    char *exec = NULL;

    hdr = (Elf32_Ehdr *) elf_start;

    if(!is_image_valid(hdr)) {
        printk("image_load:: invalid ELF image\n");
        return 0;
    }

    exec = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC,
                      MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, 0, 0);

    if(!exec) {
        printk("image_load:: error allocating memory\n");
        return 0;
    }

    // Start with clean memory.
    memset(exec,0x0,size);

    phdr = (Elf32_Phdr *)(elf_start + hdr->e_phoff);

    for(i=0; i < hdr->e_phnum; ++i) {
            if(phdr[i].p_type != PT_LOAD) {
                    continue;
            }
            if(phdr[i].p_filesz > phdr[i].p_memsz) {
                    printk("image_load:: p_filesz > p_memsz\n");
                    munmap(exec, size);
                    return 0;
            }
            if(!phdr[i].p_filesz) {
                    continue;
            }

            // p_filesz can be smaller than p_memsz,
            // the difference is zeroe'd out.
            start = elf_start + phdr[i].p_offset;
            taddr = phdr[i].p_vaddr + exec;
            memmove(taddr,start,phdr[i].p_filesz);

            if(!(phdr[i].p_flags & PF_W)) {
                    // Read-only.
                    mprotect((unsigned char *) taddr,
                              phdr[i].p_memsz,
                              PROT_READ);
            }

            if(phdr[i].p_flags & PF_X) {
                    // Executable.
                    mprotect((unsigned char *) taddr,
                            phdr[i].p_memsz,
                            PROT_EXEC);
            }
    }

    shdr = (Elf32_Shdr *)(elf_start + hdr->e_shoff);

    for(i=0; i < hdr->e_shnum; ++i) {
        if (shdr[i].sh_type == SHT_DYNSYM) {
            syms = (Elf32_Sym*)(elf_start + shdr[i].sh_offset);
            strings = elf_start + shdr[shdr[i].sh_link].sh_offset;
            entry = find_sym("main", shdr + i, strings, elf_start, exec);
            break;
        }
    }

    for(i=0; i < hdr->e_shnum; ++i) {
        if (shdr[i].sh_type == SHT_REL) {
            relocate(shdr + i, syms, strings, elf_start, exec);
        }
    }

   return entry;

}/* image_load */

int main(int argc, char** argv, char** envp)
{
    int (*ptr)(int, char **, char**);
    static char buf[1048576];
    FILE* elf = fopen(argv[1], "rb");
    fread(buf, sizeof buf, 1, elf);
    ptr=image_load(buf, sizeof buf);
    return ptr(argc,argv,envp);
}

elf.c：

#include <stdio.h>

int main()
{
    fprintf(stdout, "Hello world! fprintf=%p, stdout=%p\n", fprintf, stdout);
    return 0;
}

---

テスト走行：

$ gcc -m32 -g -Wall -ldl -o loader loader.c
$ gcc -m32 -pie -fPIE -o elf elf.c
$ ./loader elf
Hello world! fprintf=0xf7612420, stdout=0xf770e4c0

Answer 2

exec = (unsigned char *)mmap(NULL, サイズ, ...

これは、実行可能ファイルを任意のアドレスにロードしようとします。非 PIE 実行可能ファイルは、リンクされたアドレス (通常0x08048000は Linux/ix86) にのみロードできます。

問題は、C プログラム (hello world を出力する単純なものであっても) をロードしようとしたときに発生するようです。

そのプログラムが動的にリンクされていた場合、それは単純ではなく、ローダーには、依存する共有ライブラリのロードと再配置、およびの修正など、やるべきことがたくさんあります。GOTTLS

Answer 3

使用する

exec = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC,
                  MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, hdr, 0);

それ以外の

exec = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC,
                  MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, 0, 0);