iOS彙編入門教程（一）ARM64彙編基礎

Soulghost發表於2018-03-16
iOS

前言

對於應用層開發人員而言，僅僅掌握Objective-C和系統框架即可較好的完成開發，但在涉及到應用加固、逆向分析等內容時僅有應用層開發技能就會顯得非常的無力，因此掌握彙編對於突破iOS開發水平的瓶頸十分有效。

一個例子

以反除錯為例，我們知道，通過呼叫ptrace函式可以阻止偵錯程式依附。

ptrace(31, 0, 0, 0)
複製程式碼

這種方式能夠被函式hook輕易破解，例如使用facebook的fishhook。 為了防止函式被hook，我們可以將函式呼叫轉為通過彙編發起系統呼叫，即使用下面的程式碼。

mov x0, #31
mov x1, #0
mov x2, #0
mov x3, #0
mov x16, #26
svc #0x80
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其中x0-x3儲存的為函式入參，x16儲存的為函式編號，通過Apple提供的System Call Table 可以查出ptrace的編號為26，最後一句指令發起了系統呼叫。 通過使用__asm__指令能夠將彙編程式碼嵌入我們的函式中，構成反除錯方法。

// 使用inline方式將函式在呼叫處強制展開，防止被hook和追蹤符號
static __attribute__((always_inline)) void anti_debug() {
// 判斷是否是ARM64處理器指令集
#ifdef __arm64__
    // volatile修飾符能夠防止彙編指令被編譯器忽略
    __asm__ __volatile__(
                         "mov x0, #31\n"
                         "mov x1, #0\n"
                         "mov x2, #0\n"
                         "mov x3, #0\n"
                         "mov x16, #26\n"
                         "svc #0x80\n"
                         );
#endif
}
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雖然上面的反除錯機制並不完善，但是比直接呼叫ptrace要好上很多倍，從這一點來看，掌握彙編技能對於iOS應用安全和底層研究非常有利。

入門攻略

iOS裝置主要使用的為ARM64彙編，因此本文主要介紹ARM64彙編的入門技巧。 彙編入門最難的地方在於對棧的理解，彙編的所有指令操作都是圍繞棧實現的，在彙編中，沒有變數的概念，只有暫存器和記憶體。

棧

彙編中的棧是由高地址向低地址生長的資料結構，sp指標永遠指向棧頂，需要記住的是，在某位置進行儲存時，是向高地址進行的，下面以一個簡單的例子講解彙編的棧操作。 我們以一段簡單的C程式碼為例。

// hello.c
#include <stdio.h>

int test(int a, int b) {
  int res = a + b;
  return res;
}

int main() {
  int res = test(1, 2);
  return 0;
}
複製程式碼

使用clang可以將其編譯為特定指令集的彙編程式碼，這裡我們將其編譯為ARM64指令集的彙編程式碼。

clang -S -arch arm64 -isysroot `xcrun --sdk iphoneos --show-sdk-path` hello.c
複製程式碼

完整的彙編程式碼如下。

	.section	__TEXT,__text,regular,pure_instructions
	.ios_version_min 11, 2
	.globl	_test
	.p2align	2
_test:                                  ; @test
; BB#0:
	sub	sp, sp, #16             ; =16
	str	w0, [sp, #12]
	str	w1, [sp, #8]
	ldr	w0, [sp, #12]
	ldr	w1, [sp, #8]
	add		w0, w0, w1
	str	w0, [sp, #4]
	ldr	w0, [sp, #4]
	add	sp, sp, #16             ; =16
	ret

	.globl	_main
	.p2align	2
_main:                                  ; @main
; BB#0:
	sub	sp, sp, #32             ; =32
	stp	x29, x30, [sp, #16]     ; 8-byte Folded Spill
	add	x29, sp, #16            ; =16
	orr	w0, wzr, #0x1
	orr	w1, wzr, #0x2
	stur	wzr, [x29, #-4]
	bl	_test
	mov	w1, #0
	str	w0, [sp, #8]
	mov	 x0, x1
	ldp	x29, x30, [sp, #16]     ; 8-byte Folded Reload
	add	sp, sp, #32             ; =32
	ret


.subsections_via_symbols
複製程式碼

本節我們只討論棧操作，因此忽略main函式和printf呼叫部分，我們只看對test函式的呼叫，節選這一段彙編程式碼如下。

	sub	sp, sp, #16             ; =16
	str	w0, [sp, #12]
	str	w1, [sp, #8]
	ldr	w0, [sp, #12]
	ldr	w1, [sp, #8]
	add w0, w0, w1
	str	w0, [sp, #4]
	ldr	w0, [sp, #4]
	add	sp, sp, #16             ; =16
	ret
複製程式碼

首先介紹一下基本指令和指令的學習方式，要查詢某個指令如何使用，最好的方式是去查詢ARM公司提供的官方文件，在官方文件頁面可以直接搜尋指令並檢視用法和例程，本文會簡單講解上面的彙編程式碼中出現的指令。

sub用於對暫存器實施減法，sub a, b, c等價於a = b - c，在ARM彙編中，目的運算元一般出現最前方，例如mov ra, rb 代表將rb暫存器的值複製到ra暫存器。add和sub同理，只是將減法變成了加法。

str和ldr是一對指令，str的全稱是store register，即將暫存器的值儲存到記憶體中，ldr的全稱是load register，即將記憶體中的值讀到暫存器，因此他們的第一個引數都是暫存器，第二個引數都是記憶體地址。[sp, #12] 代表sp+12 這個地址，同理[sp, #-12] 代表sp-12 這個地址。注意這裡的數字都是以位元組為單位的偏移量，以str w0, [sp, #12] 為例，w是4位元組的暫存器，這個指令代表將w0暫存器的值儲存在sp+12這個地址上，由於w0有4個位元組，所以儲存後會佔據sp+12~sp+16這個記憶體區域。

下面將分段講解這段彙編程式碼，在編譯器生成彙編時，首先會計算需要的棧空間大小，並利用sp指標向低地址開闢相應的空間，我們再來看一下test函式。

int test(int a, int b) {
  int res = a + b;
  return res;
}
複製程式碼

這裡涉及了3個int變數，分別是a、b、res，int變數佔據4個位元組，因此一共需要12個位元組，但ARM64彙編為了提高訪問效率要求按照16位元組進行對齊，因此需要16byte的空間，也就是需要在棧上開闢16位元組的空間，我們來看彙編的第一句，正是將sp指標下移16位元組。

sub	sp, sp, #16
複製程式碼
iOS彙編入門教程（一）ARM64彙編基礎

sp下移16後，留下了4個4位元組的記憶體空格，共計16位元組，我們繼續看下面的句子。

str	w0, [sp, #12]
str	w1, [sp, #8]
複製程式碼

這兩句的含義是將w0儲存在sp+12的格子中，w1儲存在sp+8的格子中，上面的例子中提到 x0, x1等暫存器將順序存放函式的入參，x0和w0是同一個暫存器的不同尺寸提現，x0為8位元組，w0為x0的前4個位元組，因此w0是函式的第一個入參a，w1是函式的第二個入參b，由於儲存是從低地址到高地址的，所以a將佔據sp+12~sp+16，同理b將佔據sp+8~sp+12，則棧的結構變為下圖。

iOS彙編入門教程（一）ARM64彙編基礎

按照“上帝視角”，接下來test函式應該將a和b相加，需要注意的是，只有暫存器才能參與運算，因此接下來的彙編程式碼又將變數的值從記憶體中讀出，進行相加運算。

	ldr	w0, [sp, #12]
	ldr	w1, [sp, #8]
	add w0, w0, w1
複製程式碼

由此可見先儲存再讀取後運算其實是多餘的，這是沒有進行編譯優化的結果，學習不進行編譯優化的彙編更能讓我們理解其工作機制。

接下來的程式碼將w0存入了sp+4，也就是res變數的記憶體區域。

str	w0, [sp, #4]
複製程式碼
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接下來就要進行返回了，在例子中我們提到，函式的返回值一般儲存在x0暫存器中返回，因此我們需要將res的值載入x0暫存器。

ldr	w0, [sp, #4]
複製程式碼

這裡之所以使用w暫存器，是因為int為4位元組，這也就是型別轉換時帶來資訊丟失的原因，例如從long到int的轉換就類似於將x暫存器的值以w的形式進行儲存。最後的程式碼為將棧還原，並返回到函式呼叫處繼續向下執行。

add	sp, sp, #16
ret
複製程式碼

顯然，經過這樣的操作，棧被完全還原到了函式呼叫以前的樣子，需要注意的細節是，棧空間中的記憶體單元並未被清空，這也就導致下一次使用低地址的棧時，未初始化單元的值是不確定的，這也就是區域性變數不初始化值隨機的根本原因。

通過上面的例子，我們對棧有了基本的認識，彙編的操作基本都是對棧進行的，只要理解了棧機制，只需要學習各種指令，即可掌握足夠使用的彙編技能。

深入

在瞭解了棧以後，就可以看一些較為複雜的彙編片段來進行學習了，初級階段可以嘗試看著函式寫彙編程式碼，高階階段要求能夠看著彙編還原成函式邏輯，本文僅僅介紹入門基礎，下面推薦一些大牛的部落格供大家深入學習彙編技能。

1.知兵的知乎專欄

2.劉坤的彙編入門文章

總結

掌握ARM彙編能夠幫助開發者更好地瞭解編譯器和CPU的工作原理，除了能夠指導編碼外，還能夠擴寬視野，通過反編譯分析一些閉原始碼的邏輯或是進行一些安全加固，因此在會邊上付出時間是十分值得的。

參考資料

1.知兵. iOS除錯進階

2.ARM官方文件

3.反除錯和繞過

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