哈嘍啊

這里是二進制安全之堆溢出（系列）第二期“堆基礎 & 結構”第二節！！

話不多說，直接上干貨！

微觀結構

函數執行流程

void *malloc (size_t bytes) void *__libc_malloc (size_t bytes) //對于_int_malloc做簡單封裝__malloc_hook //類似于虛函數，派生接口，指定一個malloc的方式 _int_malloc(mstate av, size_t bytes) //申請內存塊的核心

main_arena

• 集中管理bins鏈的結構體，使用含fd和bk的bin頭一對一管理各個free的chunk
• 分釋放配堆塊是基于main_arena來尋址的，首先找的是fastbin，其次再找bins
• main_arena存儲在libc上，用以管理所有bins的頭和尾，每個bins鏈頭的fd和尾的b與之連接

struct malloc_state {/* Serialize access. */__libc_lock_define (, mutex);//定義了一個0x4字節的lock/* Flags (formerly in max_fast). */int flags;//0x4/* Set if the fastbin chunks contain recently inserted free blocks. *//* Note this is a bool but not all targets support atomics on booleans. */int have_fastchunks;//0x4/* Fastbins */mfastbinptr fastbinsY[NFASTBINS]; //fastbin鏈的管理頭，總共10個, 每個0x10字節/* Base of the topmost chunk -- not otherwise kept in a bin */mchunkptr top;//0x4 到此為止總共0x96字節/* The remainder from the most recent split of a small request */mchunkptr last_remainder; //切割后剩下的chunk鏈接到last_remainder/* Normal bins packed as described above */mchunkptr bins[NBINS * 2 - 2]; // 每個bin頭有fd和bk兩個指針/* Bitmap of bins */unsigned int binmap[BINMAPSIZE]; //位圖,用32bit來分別表示當前bin哪個鏈上有chunk，通過按位與的方式/* Linked list */struct malloc_state *next;/* Linked list for free arenas. Access to this field is serializedby free_list_lock in arena.c. */struct malloc_state *next_free;/* Number of threads attached to this arena. 0 if the arena is onthe free list. Access to this field is serialized byfree_list_lock in arena.c. */INTERNAL_SIZE_T attached_threads;/* Memory allocated from the system in this arena. */INTERNAL_SIZE_T system_mem;INTERNAL_SIZE_T max_system_mem; }

• main_arena:用來管理整個bin鏈的結構體，總共128個bin，10個fastbin
• 每個bin頭可以簡化為fd和bk兩個前后項指針
• glibc ---> main_arena ---> 對應的bins頭的fd和bk ---> 遍歷找到對應free的chunk
• main_arena存放在libc中，其中存放的是每一個bin鏈的頭尾

tips：如果我們能打印一個非fastbin鏈中的fd，bk，那我們就可以計算出libc的基地址libc.addr = libc_on - libc.sysbols["main_arena"] - 88

main_chunk

• 在程序的執行過程中，我們稱malloc申請的內存為chunk。這塊內存在ptmalloc內部用malloc_chunk結構體來表示。
• 當程序申請的chunk被free后，會被加入到相應的空閑管理列表中。
• 無論一個chunk的大小如何，處于分配狀態還是釋放狀態，它們都使用一個統一的結構。但根據是否被釋放，結構會有所更改。

struct malloc_chunk {INTERNAL_SIZE_T mchunk_prev_size; // 如果前面一個堆塊是空閑的則表示前一個堆塊的大小,否則無意義INTERNAL_SIZE_T mchunk_size; //當前chunk的大小，由于對齊的原因所以低三位作為flag,意義如下：/*A:倒數第三位表示當前chunk屬于主分配區(0)還是非主分配區(1)M:倒數第二位表示當前chunk是從mmap(1)[多線程]分配的，還是從brk(0)[子線程]分配的P:最低為表示前一塊是否在使用中*//*1.真正的內存從這里開始分配2.malloc之后這些指針沒有用,這時存放的是數據3.只有在free之后才有效。*/struct malloc_chunk* fd; //當chunk空閑時才有意義,記錄后一個空閑chunk的地址struct malloc_chunk* bk; //同上,記錄前一個空閑chunk的地址/* Only used for large blocks: pointer to next larger size. */struct malloc_chunk* fd_nextsize; //當前chunk為largebin時才有意義，指向比當前chunk大的第一個空閑chunkstruct malloc_chunk* bk_nextsize; //指向比當前chunk小的第一個空閑堆塊 };

• prev_size
  • malloc(0x18)會分配0x20的內存
  • malloc(0x19)分會配0x30的內存
  • 如果該chunk的物理相鄰的前一地址chunk(兩個指針的地址差值為前一個chunk大小)是空閑的話，那該字段記錄的是前一個chunk的大小
  • 否則用來存儲物理相鄰的前一個chunk的數據，這里前一個chunk指的是較低地址的chunk。
  • prev_size位可以被共享，當前的chunk， 如果不夠用就會占用下一塊chunk的prev_size
• size
  • chunk1的數據有效區域覆蓋到chunk2的prev_size位,并且chunk2的size位的prev_inuse被覆蓋為0。系統認為chunk2之前的chunk1已經未在使用了。
  • 當free(chunk2)的時候,系統會將chunk2與chunk2中prev_size大小的空間合并到bins。
  • 我們可以通過改變chunk2的prev_size的內容,操縱向前合并的大小。
  • 造成的問題：overlap(堆塊重疊)，chunk1被釋放了，但是我們可以操縱修改它(堆利用的核心思想)，從而修改bins鏈的內容，泄露其中的地址。
  • 形成的攻擊：fastbin ---> fd ---> main_arena ---> 分配新的堆塊，我們通過修改chunk1的fd內容，達到分配任意內存的目的，造成fastbin attack。
  • 記錄前一個chunk是否被分配。
  • 一般來說，堆中第一個被分配的內存塊的size字段的P位都會被設置為1，以便于防止訪問前面的非法內存。
  • 當一個chunk的size位的P位為0時，我們能通過prev_size獲取上一個chunk的大小及地址，方便進行空閑堆塊的合并。
  • 對于fastbin的堆塊,不管前面還有沒有被分配的chunk,PREV_INUSE都為1。
  • 64位chunk的size必須是16字節對齊
  • 32位chunk的size必須是8 字節對齊
  • 64位 低4位沒用 11110000
  • 32位 低3位沒用 11111000
  • define chunksize(p) (chunk_nomask (p) & ~(SIZE_BITS))
  • define SIZE_BITS (PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA)
  • NON_MAIN_ARENA記錄當前chunk是否是main_arena管理的堆塊,1表示不屬于，0表示屬于
  • IS_MAPPED記錄當前的chunk是否是由mmap分配的。
  • PREV_INUSE
  • 最小堆原則 : malloc(0)會分配0x20的空間,prev_size + size + 數據對齊的0x10字節
  • prev_inuse 漏洞利用

• fd / bk
  • 釋放到bins鏈有效
  • fd指向下一個(非物理相鄰)空閑的chunk
  • bk指向上一個(非物理相鄰)空閑的chunk
  • 通過fd和bk可以將空閑的chunk塊加入到空閑的chunk鏈表進行統一管理。
• fd_nextsize / bk_nextsize
  • 釋放到bins鏈有效，不過其用于較大的chunk(large chunk)
  • fd_nextsize指向前一個與當前chunk大小不同的第一個空閑塊，不包含bin的頭指針
  • bk_nextsize指向后一個與當前chunk大小不同的第一個空閑塊，不包含bin的頭指針
  • 一般空閑的largechunk在fd的遍歷順序中，按照從大到小的順序排列，可以避免在尋找合適的chunk時挨個遍歷。

__libc_malloc

void *__libc_malloc (size_t bytes) {mstate ar_ptr;void *victim;void *(*hook) (size_t, const void *)= atomic_forced_read (__malloc_hook);if (__builtin_expect (hook != NULL, 0))return (*hook)(bytes, RETURN_ADDRESS (0)); #if USE_TCACHE/* int_free also calls request2size, be careful to not pad twice. */size_t tbytes;checked_request2size (bytes, tbytes); //注意：用戶申請的字節一旦進入申請內存函數被轉化為了無符號整數size_t tc_idx = csize2tidx (tbytes);MAYBE_INIT_TCACHE ();DIAG_PUSH_NEEDS_COMMENT;if (tc_idx < mp_.tcache_bins/*&& tc_idx < TCACHE_MAX_BINS*/ /* to appease gcc */&& tcache&& tcache->entries[tc_idx] != NULL){return tcache_get (tc_idx);}DIAG_POP_NEEDS_COMMENT; #endifif (SINGLE_THREAD_P){victim = _int_malloc (&main_arena, bytes);assert (!victim || chunk_is_mmapped (mem2chunk (victim)) ||&main_arena == arena_for_chunk (mem2chunk (victim)));return victim;}arena_get (ar_ptr, bytes);victim = _int_malloc (ar_ptr, bytes);/* Retry with another arena only if we were able to find a usable arenabefore. */if (!victim && ar_ptr != NULL){LIBC_PROBE (memory_malloc_retry, 1, bytes);ar_ptr = arena_get_retry (ar_ptr, bytes);victim = _int_malloc (ar_ptr, bytes);}if (ar_ptr != NULL)__libc_lock_unlock (ar_ptr->mutex);assert (!victim || chunk_is_mmapped (mem2chunk (victim)) ||ar_ptr == arena_for_chunk (mem2chunk (victim)));return victim; }

該函數會首先檢查是否有內存分配函數的鉤子函數(__malloc_hook),這個主要用于用戶自定義的堆分配函數。

這就造成了一個利用點：將__malloc_hook指針指向的內容改為one_gadget的地址，再次malloc的時候就會直接啟動shell。__malloc_hook -> one_gadget（直接起shell的地址）這時不能將其修改為system的地址，因為system的參數為字符型，而malloc_hook的參數為無符號整數。

接著會尋找一個arena來試圖分配內存，然后調用__int_malloc函數去申請對應的內存

如果分配失敗的話，ptmalloc會試圖再去尋找一個可用的arena，并分配內存如果申請到了arena，那么在退出之前還得解鎖(__libc_lock_lock)

判斷目前的狀態是否滿足以下條件

• 要么沒有申請到內存
• 要么是mmap的內存
• 要么申請的的內存必須在其所分配的arena中
• assert

最后返回內存，進入__int_malloc

__int_malloc

__int_malloc是內存分配的核心函數，其核心思路為：

它根據用戶申請的內存塊大小以及相應大小chunk通常使用的頻度，依次實現了不同的分配方法它由小大到大依次檢查不同的bin中是否有相應的空閑塊可以滿足用戶請求的內存當所有空閑的chunk都無法滿足時，他會考慮top_chunk當top_chunk也無法滿足時，堆分配器才會進行內存塊申請

1. 定義變量

2. 判斷有沒有可用的arena

如果沒有可用的arena，則返回系統調用mmap去申請一塊內存

3. 判斷是否在fastbin范圍

如果申請的chunk的大小正好位于fastbin的范圍，則從fastbin的頭節點開始取chunk。需要注意的是，這里比較的是無符號整數調用remove_fb取出,并返回得到的fastbin的頭

4. 判斷是否在smallbin

如果獲取的內存塊的范圍為smallbin的范圍，執行以下流程找到其大小對應的下標，判斷其鏈表是否為空，不為空則取最后一個

注意，為了防止一個堆塊能夠正常free且不前向后并，需要修改當前堆塊的物理相鄰的緊接著的2個堆塊的inuse位為1。

5.調用consolidate

當fastbin，small bin中的chunk都不能滿足要求時，就會考慮是不是largebin，在此之前先調用malloc_consolidate處理fastbin中的chunk

將有可能合并的chunk先進行合并后放到unsorted bin中，不能合并的就直接放到unsorted bin中，然后再進入大循環，以減少堆中的碎片。只有在分配一個size在largebin范圍內的堆塊，才能觸發malloc_consolidate

6. 小總結

在fastbin范圍內，先判斷對應鏈表是否為空，不為空則取剛放入的chunk在smallbin范圍內，先判斷對應鏈表是否為空，不為空則取第一個放入的chunk這兩者都無法匹配用戶申請的chunk時，就會進入大循環

7. 進入大循環

a. 嘗試從unsorted bin中分配用戶需要的內存b. 嘗試從large bin中分配用戶需要的內存b. 嘗試從top_chunk中分配用戶需要的內存

8. 從unsorted bin中分配nb

如果申請的size小于unsorted bin中符合要求的chunk的size，會對其進行切割，剩下的進入last_remainder(由unsorted bin管理)如果unsorted bin中沒有滿足要求的chunk時，會先place in order整理，然后再去large bin中尋找

9. 從large bin中分配nb

注意，large bin中的堆塊不會split，不滿足的話就從top_chunk中切割

10. 大循環之對于unsorted bin的check

對于size的check：檢查當前size是否滿足對齊的 要求對于fd和bk的check：bck -> fd != victim對于double free的check：next->prev_inuse = 0

11. 大循環之切割unsorted bin

如果用戶請求為small bin chunk，那么我們首先考慮last_remainder如果last_remainder分割后還夠可以作為一個chunk，則使用set_head,set_foot設置標志位，將last_remainder放入原來unsorted bin的位置

12. 大循環之取出unsorted bin

首先將unsorted bin取出，如果其size和我們的nb(need bytes)一樣則直接放回這個unsorted bin

13. 大循環之放入對應的bin

根據取出的size來判斷應該放入哪個bin,放入small bin的時候則雙向鏈表插入在else if中處理large bin的邏輯，包括大小排序以及fd_nextsize和bk_nextsize

14. 大循環總結

整個過程迭代了10000次

__int_malloc的大循環主要用來處理unsorted bin如果整個循環沒有找到合適的bin，說明所有的unsorted bin的大小都不滿足要求如果經過了10000次的循環，所有的unsorted bin中的bin都被放入了對應的bin中，即small bin放入對應的index中，large bin排好序后放入對應的index中

15. 大循環之large bin

如果請求的chunk在large bin范圍內，就在對應的bin中從小到大依次掃描，直到找到第一個合適的，并不一定精確

切割后的remainder會被放入到unsorted bin中,同時設置標志位等信息

16. 尋找較大的chunk

如果走到了這里，說明對于用戶所需的chunk，不能直接從其對應的合適的bin中獲取chunk，需要掃描所有的bin，查找比當前bin更大的fast bin或small bin 以及large bin

17. 找到一個合適的map

18. 取出chunk

切割之后還是一樣，放入到unsorted bin

19. 使用top_chunk

如果所有的bin中的chunk都沒有辦法直接滿足要求(即不合并)，或者沒有空閑的chunk時，就只能使用top_chunk了

20. top_chunk不夠用

> 如果top_chunk不夠用的時候并不是直接申請內存，而是先調用consolidate合并空閑的fastbin > > 然后等待下次循環再去判斷是否夠用，不夠用才會調用sysmalloc申請內存 > > 

_int_malloc總結

• malloc尋找堆塊的順序

在fastbin中尋找有沒有對應的chunk

請求大小為small bin范圍，在small bin中尋找有沒有對應的chunk

請求大小為large bin范圍，僅調用malloc_consolidate合并fastbin

在unsorted bin中尋找有沒有合適的chunk

在large bin中尋找有沒有合適的chunk

尋找較大的bin鏈中有沒有合適的chunk

尋找top_chunk

top_chunk不夠用，調用malloc_consolidate合并fastbin

top_chunk不夠用，系統調用再次申請內存

總結

以上是生活随笔為你收集整理的malloc 结构体_二进制安全之堆溢出（系列）——堆基础 amp; 结构（二）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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