IO FILE之fopen详解

roger

前言　　最近打算详细整理下IO FILE相关的笔记，不少地方都是知道个大概，因此这次打算从源码出发，把IO FILE相关的东西都过一遍。
　　思路大致是fopen、fwrite以及fread之类的IO函数的源码分析，再到libc2.24对vtable检查之前的利用方式，再到vtable检查的分析以及相应的对抗方式。
　　第一篇fopen详解，主要是基于源码的分析，源码的动态调试建议大家使用带调试符号的glibc，再次给大家推荐pwn_debug，可以很方便的安装带调试符号的glibc，使用debug模式即可。
源码分析　　首先编写一个简单的调用fopen函数的c程序。

#include　　int main(){
　　FILE*fp=fopen("test","wb");
　　char *ptr=malloc(0x20);
　　return 0;
　　}
　　

　　编译出来之后使用pwn_debug的debug模式开启程序，或者指定带调试符号的glibc，我这里使用的glibc版本是2.23。接下来开始分析。
　　gdb跟进去fopen函数，可以看到fopen实际上是 _IO_new_fopen函数，该函数在/libio/iofopen.c文件中，可以看到它调用的是__fopen_internal：

_IO_FILE *　　_IO_new_fopen (const char *filename, const char *mode)
　　{
　　return __fopen_internal (filename, mode, 1);
　　}
　　

　　跟进去__fopen_internal中，关键源码如下：

_IO_FILE *　　__fopen_internal (const char *filename, const char *mode, int is32)
　　{
　　struct locked_FILE
　　{
　　struct _IO_FILE_plus fp;
　　#ifdef _IO_MTSAFE_IO
　　_IO_lock_t lock;
　　#endif
　　struct _IO_wide_data wd;
　　} *new_f = (struct locked_FILE *) malloc (sizeof (struct locked_FILE));  ## step 1 分配内存
　　...
　　_IO_no_init (&new_f->fp.file, 0, 0, &new_f->wd, &_IO_wfile_jumps); ## step 2 null初始化结构体数据
　　...
　　_IO_JUMPS (&new_f->fp) = &_IO_file_jumps; ## 设置vtable为_IO_file_jumps
　　_IO_file_init (&new_f->fp); ## step 3 将file结构体链接进去_IO_list_all
　　...
　　# step 4 打开文件
　　if (_IO_file_fopen ((_IO_FILE *) new_f, filename, mode, is32) != NULL)
　　return __fopen_maybe_mmap (&new_f->fp.file);
　　}
　　

　　整个__fopen_internal函数包含四个部分：

• malloc分配内存空间。
• _IO_no_init 对file结构体进行null初始化。
• _IO_file_init将结构体链接进_IO_list_all链表。
• _IO_file_fopen执行系统调用打开文件。
  

　　下面详细分析跟进去每个子函数进行分析。
malloc分配内存空间　　可以看到首先调用malloc函数分配了一个struct locked_FILE大小的结构体，这个结构体比函数刚开始的地方定义，在64位系统中为0x230，该结构体包含三个_IO_FILE_plus、_IO_lock_t、_IO_wide_data，其中_IO_FILE_plus为使用的IO FILE的结构体。执行完malloc后内存状态如下：

IO FILE之fopen详解

_IO_no_init 对file结构体进行null初始化　　在分配完空间后，接着就调用_IO_no_init函数去null初始化结构体，跟进去该函数，函数在/libio/genops.c中：

void　　_IO_old_init (_IO_FILE *fp, int flags)
　　{
　　fp->_flags = _IO_MAGIC|flags;
　　fp->_flags2 = 0;
　　fp->_IO_buf_base = NULL;
　　fp->_IO_buf_end = NULL;
　　fp->_IO_read_base = NULL;
　　fp->_IO_read_ptr = NULL;
　　fp->_IO_read_end = NULL;
　　fp->_IO_write_base = NULL;
　　fp->_IO_write_ptr = NULL;
　　fp->_IO_write_end = NULL;
　　fp->_chain = NULL; /* Not necessary. */
　　fp->_IO_save_base = NULL;
　　fp->_IO_backup_base = NULL;
　　fp->_IO_save_end = NULL;
　　fp->_markers = NULL;
　　fp->_cur_column = 0;
　　...
　　fp->_vtable_offset = 0;
　　...
　　}
　　void
　　_IO_no_init (_IO_FILE *fp, int flags, int orientation,
　　struct _IO_wide_data *wd, const struct _IO_jump_t *jmp)
　　{
　　_IO_old_init (fp, flags);
　　fp->_mode = orientation;
　　...
　　## 初始化fp的_wide_data字段
　　fp->_wide_data = wd;
　　fp->_wide_data->_IO_buf_base = NULL;
　　fp->_wide_data->_IO_buf_end = NULL;
　　fp->_wide_data->_IO_read_base = NULL;
　　fp->_wide_data->_IO_read_ptr = NULL;
　　fp->_wide_data->_IO_read_end = NULL;
　　fp->_wide_data->_IO_write_base = NULL;
　　fp->_wide_data->_IO_write_ptr = NULL;
　　fp->_wide_data->_IO_write_end = NULL;
　　fp->_wide_data->_IO_save_base = NULL;
　　fp->_wide_data->_IO_backup_base = NULL;
　　fp->_wide_data->_IO_save_end = NULL;
　　fp->_wide_data->_wide_vtable = jmp;
　　...
　　fp->_freeres_list = NULL;
　　}
　　

　　可以看到函数最主要的功能是初始化locked_FILE里面的_IO_FILE_plus结构体，基本上将所有的值都初始化为null以及默认值，同时将_wide_data字段赋值并初始化。初始化结束后，FILE结构体如下：

IO FILE之fopen详解

_IO_file_init将结构体链接进_IO_list_all　　在执行完_IO_no_init函数后，回到__fopen_internal函数，函数将_IO_FILE_plus结构体的vtable设置成了_IO_file_jumps，然后调用_IO_file_init将_IO_FILE_plus结构体链接进入_IO_list_all链表，跟进去函数，函数在/libio/fileops.c中：

void　　_IO_new_file_init (struct _IO_FILE_plus *fp)
　　{
　　fp->file._offset = _IO_pos_BAD;
　　fp->file._IO_file_flags |= CLOSED_FILEBUF_FLAGS;
　　## 调用_IO_link_in和设置_fileno
　　_IO_link_in (fp);
　　fp->file._fileno = -1;
　　}
　　libc_hidden_ver (_IO_new_file_init, _IO_file_init)
　　

　　看到这个函数的主体就是调用了_IO_link_in函数，跟进去，函数在/libio/genops.c中：

void　　_IO_link_in (struct _IO_FILE_plus *fp)
　　{
　　## 检查flag的标志位是否是_IO_LINKED
　　if ((fp->file._flags & _IO_LINKED) == 0)
　　{
　　## 设置_IO_LINKED标志位
　　fp->file._flags |= _IO_LINKED;
　　...
　　fp->file._chain = (_IO_FILE *) _IO_list_all;
　　_IO_list_all = fp;
　　++_IO_list_all_stamp;
　　...
　　}
　　}
　　libc_hidden_def (_IO_link_in)
　　

　　之前一直都知道FILE结构体是通过_IO_list_all的单链表进行管理的，这里_IO_link_in函数的功能是检查FILE结构体是否包含_IO_LINKED标志，如果不包含则表示这个结构体没有链接进入_IO_list_all，则再后面把它链接进入_IO_list_all链表，同时设置FILE结构体的_chain字段为之前的链表的值，否则直接返回。
　　所以_IO_file_init主要功能是将FILE结构体链接进入_IO_list_all链表，在没执行_IO_file_init函数前_IO_list_all指向的是stderr结构体：

IO FILE之fopen详解

执行完后可以看到_IO_list_all指向的是申请出来的结构体：

IO FILE之fopen详解

同时此时FILE结构体的_chain字段指向了之前的stderr结构体：

IO FILE之fopen详解

_IO_file_fopen打开文件句柄　　将FILE结构体链接到_IO_list_all链表后，程序返回到__fopen_internal中，接下来就调用_IO_new_file_fopen函数，跟进去该函数，函数在libio/fileops.c文件中：

_IO_FILE *　　_IO_new_file_fopen (_IO_FILE *fp, const char *filename, const char *mode,
　　int is32not64)
　　{
　　...
　　## 检查文件是否以打开，打开则返回
　　if (_IO_file_is_open (fp))
　　return 0;
　　## 设置文件打开模式
　　switch (*mode)
　　{
　　case 'r':
　　omode = O_RDONLY;
　　read_write = _IO_NO_WRITES;
　　break;
　　...
　　}
　　...
　　## 调用_IO_file_open函数
　　result = _IO_file_open (fp, filename, omode|oflags, oprot, read_write,
　　is32not64);
　　...
　　}
　　libc_hidden_ver (_IO_new_file_fopen, _IO_file_fopen)
　　

　　函数先检查文件描述符是否打开，然后设置文件打开的模式，最后调用_IO_file_open函数，跟进去_IO_file_open函数，该函数在/libio/fileops.c里面：

_IO_FILE *　　_IO_file_open (_IO_FILE *fp, const char *filename, int posix_mode, int prot,
　　int read_write, int is32not64)
　　{
　　int fdesc;
　　...
　　# 调用系统函数open打开文件
　　fdesc = open (filename, posix_mode | (is32not64 ? 0 : O_LARGEFILE), prot);
　　...
　　# 将文件描述符设置到FILE结构体的相应字段_fileno里
　　fp->_fileno = fdesc;
　　...
　　#再次调用_IO_link_in
　　_IO_link_in ((struct _IO_FILE_plus *) fp);
　　return fp;
　　}
　　libc_hidden_def (_IO_file_open)
　　

　　函数的主要功能就是执行系统调用open打开文件，并将文件描述符赋值给FILE结构体的_fileno 字段，最后再次调用_IO_link_in函数，确保该结构体被链接进入_IO_list_all链表。
　　执行完_IO_new_file_fopen函数后，FILE结构体为：

IO FILE之fopen详解

　　该函数执行完后，程序返回FILE结构体指针，分析结束
小结　　看完代码后，可以将fopen整体的流程可以归纳为：

• malloc分配内存空间。
• _IO_no_init 对file结构体进行null初始化。
• _IO_file_init将结构体链接进_IO_list_all链表。
• _IO_file_fopen执行系统调用打开文件。
  

　　整个流程还是比较简单的，fopen返回之后_IO_list_all链表指向返回的FILE结构体，且FILE结构体的_chain字段指向之前的结构体（没有其他额外打开文件的话，将是指向stderr），同时其他的字段大多都是默认的null值，vtable存储的是__GI__IO_file_jumps函数表，截图如下。

IO FILE之fopen详解

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