ARM栈回溯——从理论到实践，开发IDA-arm-unwind-plugin

本文为看雪论坛精华文章

看雪论坛作者ID：LeadroyaL

本文从栈回溯的原理开始，到 arm ehabi 的回溯方式，再到 elf 文件中的 unwind 信息，最后实现一款 IDA 里实时进行 arm 栈回溯的插件，覆盖了现代 arm 栈回溯的全部内容，希望能给大家带来帮助。

作品链接：

https://github.com/LeadroyaL/IDA_ARM_Unwind

pyelftools的commit 链接：https://github.com/eliben/pyelftools/commit/ee0facee32ae5fc91709c93f9a57a9a7683a3315

一. 背景

起因

故事要从几个月前的一个 arm crash 说起，把 crash 交给新来的小朋友看，他说 IDA 里显示的栈回溯和logcat里显示的栈回溯是不一致的，问我为什么。

我说一直是logcat里看的，是正确的；那么 IDA 里只有一层栈回溯肯定是错的，但我却解释不来原因，于是有了本文和一系列研究。

平时讨论的函数调用栈结构

从小老师就教育我们，函数开头一般是这三句话，用于保存堆栈，开辟新的栈空间：

push ebp
mov ebp, esp
sub esp, 0x100

在这种设定下，栈回溯变得非常简单，ebp 就是栈帧，ebp 附近是上一个栈帧，再附近是返回地址。网上相关的文章一搜一大把，这里就不多讲了，找一张网图凑合一下。

arm 的栈结构

我们随便找个 /system/lib/libc.so，再随便编译一个 so，随便找几个函数看一下，发现和x86的不大一样。

.text:000233C0                 PUSH.W          {R4-R8,LR}
.text:000233C4                 SUB             SP, SP, #8
.text:000233C6                 LDR             R4, [SP,#0x20+arg_8]
.text:000233C8                 MOV             R5, R1
...
.text:00023460                 MOV             R0, R4
.text:00023462                 ADD             SP, SP, #8
.text:00023464                 POP.W           {R4-R8,PC}

.text:00023A94                 PUSH.W          {R4-R9,LR}
.text:00023A98                 SUB             SP, SP, #4
.text:00023A9A                 MOV             R8, R1
.text:00023A9C                 MOV             R5, R0
...
.text:00023B12                 ADD             SP, SP, #4
.text:00023B14                 POP.W           {R4-R9,PC}

.text:0003477C                 PUSH            {R7,LR}
.text:0003477E                 MOV             R7, SP
.text:00034780                 SUB             SP, SP, #0x28
.text:00034782                 LDR             R2, =(__stack_chk_guard_ptr - 0x34788)
...
.text:000347CE                 MOVS            R0, #0
.text:000347D0                 ADD             SP, SP, #0x28
.text:000347D2                 POP             {R7,PC}

.text:000138C4                 PUSH            {R4,R5,R7,LR}
.text:000138C6                 ADD             R7, SP, #8
.text:000138C8                 SUB             SP, SP, #0x20
.text:000138CA                 LDR             R4, =(__stack_chk_guard_ptr - 0x138D0)
...
.text:000138F4                 ADDEQ           SP, SP, #0x20
.text:000138F6                 POPEQ           {R4,R5,R7,PC}

观察这几组汇编，前两段 sp 的内容并没有被保存到任意一个寄存器里，但它可以被正确栈回溯，暗示栈回溯信息不在这段汇编里；后两段，把 sp 放到 r7 里，把 sp+8 放到 r7 里，有点像栈帧的感觉，并且函数内也没有覆盖掉 r7 的内容，有点 x86 的感觉。

查阅资料，随着时代发展，arm 有两种 unwind 方式：

1. 一种是古老的，和 x86 类似的（目前没有找到样例，可能在某种编译选项下存在），使用专用的 fp 寄存器保存原先的 sp，fp 在函数内禁止被改写，thumb 模式下使用 r7 作为 fp，arm 模式下使用 r11 作为 fp。

2. 另一种是流行的， arm 特有的（目前绝大部分都使用这种方式），遵从 eabi 里的 ehabi 标准，即 exception handler abi，定义了一套专属的标准。简而言之就是对每个函数分配自己专用的字节码，解释执行，从而实现栈回溯。

使用readelf -u可以查看，字节码长这样：

0x9a8c <__cxa_end_cleanup_impl>: @0x14f28
  Compact model index: 1
  0x97      vsp = r7
  0x41      vsp = vsp - 8
  0x84 0x0b pop {r4, r5, r7, r14}
  0xb0      finish
  0xb0      finish

arm ehabi

讲了这么多，终于引出本系列的重点：arm ehabi。

官方文档，复杂但权威：

https://developer.arm.com/documentation/ihi0038/b/

看雪有篇不错的文档：原创andorid native栈回溯原理分析与思考。

(https://bbs.pediy.com/thread-216447.htm)

• 使用 readelf -u 可以打印相关信息，也可以使用pyelftools里的 readelf.py -au 打印出来（而且这个功能是我写的）。

• 千万不要使用 llvm-readelf -u，因为它有 bug，只支持 .o 文件。

名词解释：

和平时逆向相关的，有两部分内容，有个大致认知就行：

1. 数据存放。在 ELF 文件里肯定存放了信息，指导如何进行栈回溯，.ARM.exidx 和 .ARM.extab 就是做这件事情的；

2. 数据使用。每个函数 unwind 时需要解析 exception handler table，需要解释执行字节码，这个功能有时会由操作系统完成（例如 crash 的时候），有时会由应用程序自己完成（例如使用写代码主动进行栈回溯）。

总结

第一部分讲的是背景，没什么技术细节，第二部分讲文件格式。

二. ELF 文件中的栈回溯信息

第二部分讲 ELF 文件如何存放和使用 arm ehabi。

ELF .ARM.exidx 和 .ARM.extab 的位置

Section角度：很久以前，readelf -S 时候一直不理解这两个 section 是做什么的，占空间，放的不是汇编，IDA 打开，里面也是一团意义不明的 data，总觉得没什么用。

  ~ readelf -S libnative-lib.so
There are 25 section headers, starting at offset 0x1a130:
 
Section Headers：
  [Nr] Name              Type            Addr     Off    Size   ES Flg Lk Inf Al
  [ 0]                   NULL            00000000 000000 000000 00      0   0  0
  [ 1] .note.android.ide NOTE            00000134 000134 000098 00   A  0   0  4
  [ 2] .note.gnu.build-i NOTE            000001cc 0001cc 000024 00   A  0   0  4
  .......
  [14] .ARM.exidx        ARM_EXIDX       00013eb8 013eb8 000e80 08  AL 13   0  4
  [15] .ARM.extab        PROGBITS        00014d38 014d38 001014 00   A  0   0  4

Segment角度：readelf -l 时候，EXIDX 就是 .ARM.exidx，感觉还是有点用的，但仍然意义不明；不能直接确认 .ARM.extab 的位置。

readelf -l libnative-lib.so
 
Elf file type is DYN (Shared object file)
Entry point 0x0
There are 8 program headers, starting at offset 52
 
Program Headers:
  Type           Offset   VirtAddr   PhysAddr   FileSiz MemSiz  Flg Align
  PHDR           0x000034 0x00000034 0x00000034 0x00100 0x00100 R   0x4
  LOAD           0x000000 0x00000000 0x00000000 0x1802e 0x1802e R E 0x1000
  LOAD           0x018570 0x00019570 0x00019570 0x01aa0 0x01cb9 RW  0x1000
  DYNAMIC        0x019c94 0x0001ac94 0x0001ac94 0x00110 0x00110 RW  0x4
  NOTE           0x000134 0x00000134 0x00000134 0x000bc 0x000bc R   0x4
  GNU_STACK      0x000000 0x00000000 0x00000000 0x00000 0x00000 RW  0x10
  EXIDX          0x013eb8 0x00013eb8 0x00013eb8 0x00e80 0x00e80 R   0x4
  GNU_RELRO      0x018570 0x00019570 0x00019570 0x01a90 0x01a90 RW  0x4

好了不废话了，本文只针对 shared_library 和 executable 的 ehabi 解析，不支持 relocatable；因为 relocatable 拥有大量的 .ARM.exidx section 和重定位，有点复杂。

本文参考：

• 官方文档，发现看不懂的就去读文档：https://developer.arm.com/documentation/ihi0038/b/
• llvm-readelf 的实现：
  https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/llvm/tools/llvm-readobj/ARMEHABIPrinter.h
• binutils-readelf 的实现 ：
  https://github.com/bminor/binutils-gdb/blob/master/binutils/readelf.c
• 看雪有篇不错的文档：原创andorid native栈回溯原理分析与思考
  https://bbs.pediy.com/thread-216447.htm
• 网上挺火的外国人的文档 《Stack frame unwinding on ARM》 （Ken Werner）（可以在《andorid native栈回溯原理分析与思考》的附件里下载到）

.ARM.exidx 结构

这个 section 连续存放Entry，视为一个Entry数组。先要处理大小端问题，处理好后，每个 Entry 由两个 uint16 组成，相当于如下 struct：

struct EHEntry {
  uint32_t Offset;
  uint32_t World1;
};

EHEntry.Offset 意义是函数起始偏移。最高 bit 一定是 0，结合当前偏移（当前 pc ）进行使用 prel31 解码，得到 uint64_t。

格式为：

| 31----24 | 23----16 | 15-----8 | 7------0 |
| 0XXXXXXX | XXXXXXXX | XXXXXXXX | XXXXXXXX |

EHEntry.Word1 有三种情况：
1. EHEntry.Word1 == 1 ，表示 CannotUnwind

| 00000000 | 00000000 | 00000000 | 00000001 |
2. 最高 bit 为 1，则[31:24]必须为 0b10000000（其实是 personality 为 0，属于 inline compact model），余下 X、Y、Z， 3 个 byte 表示字节码。

| 31----24 | 23----16 | 15-----8 | 7------0 || 10000000 | XXXXXXXX | YYYYYYYY | ZZZZZZZZ |
3. 最高 bit 为 0，则整个 Word1 使用 prel31 解码，得到 uint64_t，指向真正的数据。必然会落在 .ARM.extab 里。

| 31----24 | 23----16 | 15-----8 | 7------0 || 0XXXXXXX | XXXXXXXX | XXXXXXXX | XXXXXXXX |

prel31 解码

这个东西就是个计算方式，根据当前的绝对偏移(uint32)，与当前的内容(uint32)进行运算，求出绝对偏移(uint64)。 对于 ELF 文件，我们可以假想它基址为 0，从而实现解析； 对于内存中的 ELF 片段，可以通过这个计算，根据当前位置寻找到附近的另一个位置，从而避免重定位； 下图代码中，Address 表示当前内容，Place 表示绝对偏移。

static uint64_t PREL31(uint32_t Address, uint32_t Place) { uint64_t Location = Address & 0x7fffffff; if (Location & 0x04000000) Location |= (uint64_t) ~0x7fffffff; return Location + Place;}

.ARM.extab 结构

.ARM.extab 作为 .ARM.exidx 的附属存在，存放数据，但无法直接找到每段数据的入口。入口需要借助上文 Entry.Word1，当 Entry.Word1 的最高 bit 为 0 时，prel31解码后一定会指向 .ARM.extab 的内容，这就是入口。 名词解释：personality ——特性，可能没有中文概念。 先读出第一个 uint32_t，进行初步解析，再根据情况进行进一步解析，有以下的情况：
1. 最高 bit 为 0，表示 generic personality，使用 prel31 解码，使用指向的函数进行 unwind。

| 31----24 | 23----16 | 15-----8 | 7------0 || 0XXXXXXX | XXXXXXXX | XXXXXXXX | XXXXXXXX |
2. 最高 bit 为 1，表示 arm compact personality，[31:28]必须为 0b1000，[27:24] 有且仅有有0、1、2三种情况。

0：inline compact model，X、Y、Z， 3 个 byte 表示字节码。

| 31----24 | 23----16 | 15-----8 | 7------0 || 10000000 | XXXXXXXX | YYYYYYYY | ZZZZZZZZ |

1或者2： [23:16] 表示 more_word(uint_8)，表示剩余字节码个数，后面的都是字节码。

| 31----24 | 23----16 | 15-----8 | 7------0 || 10000001 | MOREWORD | ........ | ........ || 10000010 | MOREWORD | ........ | ........ |

字节码的反汇编

根据上文，我们可以得到每一处 Entry 及其 unwind方式。我们关心的是使用字节码进行 unwind （即 personality 为0、1、2）的情况，经过解析可以得到 uint8_t[N] 的字节码 ，解析方式在 "Table 4, ARM-defined frame-unwinding instructions" 文件章节。 参考 llvm-readelf 的实现，它的可读性最好，代码在 https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/llvm/tools/llvm-readobj/ARMEHABIPrinter.h ，其中有大量OpcodeDecoder::Decode_XXXXX 函数可以抄。 纯体力活，没什么好说的，官方表格如下：

Instruction	Explanation
00xxxxxx	vsp = vsp + (xxxxxx << 2) + 4. Covers range 0x04-0x100 inclusive
01xxxxxx	vsp = vsp – (xxxxxx << 2) - 4. Covers range 0x04-0x100 inclusive
10000000 00000000	Refuse to unwind (for example, out of a cleanup) (see remark a)
1000iiii iiiiiiii (i not a ll 0)	Pop up to 12 integer registers under masks {r15-r12}, {r11-r4} (see remark b)
1001nnnn ( nnnn != 13,15)	Set vsp = r[nnnn]
10011101	Reserved as prefix for ARM register to register moves
10011111	Reserved as prefix for Intel Wireless MMX register to register moves
10100nnn	Pop r4-r[4+nnn]
10101nnn	Pop r4-r[4+nnn], r14
10110000	Finish (see remark c)
10110001 00000000	Spare (see remark f)
10110001 0000iiii ( i not all 0)	Pop integer registers under mask {r3, r2, r1, r0}
10110001 xxxxyyyy	Spare (xxxx != 0000)
10110010 uleb128	vsp = vsp + 0x204+ (uleb128 << 2) (for vsp increments of 0x104-0x200, use 00xxxxxx twice)
10110011 sssscccc	Pop VFP double-precision registers D[ssss]-D[ssss+cccc] saved (as if) by FSTMFDX (see remark d)
101101nn	Spare (was Pop FPA)
10111nnn	Pop VFP double-precision registers D[8]-D[8+nnn] saved (as if) by FSTMFDX (seeremark d)
11000nnn (nnn != 6,7)	Intel Wireless MMX pop wR[10]-wR[10+nnn]
11000110 sssscccc	Intel Wireless MMX pop wR[ssss]-wR[ssss+cccc] (see remark e)
11000111 00000000	Spare
11000111 0000iiii	Intel Wireless MMX pop wCGR registers under mask {wCGR3,2,1,0}
11000111 xxxxyyyy	Spare (xxxx != 0000)
11001000 sssscccc	Pop VFP double precision registers D[16+ssss]-D[16+ssss+cccc] saved (as if) by VPUSH (see remarks d,e)
11001001 sssscccc	Pop VFP double precision registers D[ssss]-D[ssss+cccc] saved (as if) by VPUSH (see remark d)
11001yyy	Spare (yyy != 000, 001)
11010nnn	Pop VFP double-precision registers D[8]-D[8+nnn] saved (as if) by VPUSH (seeremark d)
11xxxyyy	Spare (xxx != 000, 001, 010)

实战：用 python 写一个 ehabi 的 parser

很遗憾，pyelftools 并未实现解析 arm ehabi 的功能。 我为什么要写解析的功能？一方面因为 pyelftools 平时经常用，想为它做一些贡献；另一方面，我计划写一个 IDA-arm-unwind 的插件，缺乏一个 python 库帮我完成解析，在 pyelftools 上补充功能是最合适的。 pull reqeust：https://github.com/eliben/pyelftools/pull/328 merge commit：https://github.com/eliben/pyelftools/commit/ee0facee32ae5fc91709c93f9a57a9a7683a3315 花了不少时间，写了将近 1000 行代码，实现得也比较优雅，大概有如下的功能：

• 加了 has_ehabi_infos 和 get_ehabi_infos 两个 API，返回 List[EHABIInfo]。
• 添加 class EHABIInfo，提供 num_entry 和 get_entry(i) 两个 API，返回 EHABIEntry。
• 添加 class EHABIEntry 及其子类，描述每个 unwind 条目，描述函数偏移和字节码，也可以反汇编

看一下效果：

pyelftools git:(master) scripts/readelf.py -au test/testfiles_for_unittests/arm_exidx_test.so | head -n 20 Unwind section '.ARM.exidx' at offset 0x639d8 contains 1933 entries Entry 0: Function offset 0x34610: @0x69544 Compact model index: 1 0x97 ; vsp = r7 0x41 ; vsp = vsp - 8 0x84 0x0d ; pop {r4, r6, r7, lr} 0xb0 ; finish 0xb0 ; finish Entry 1: Function offset 0x34640: @0x6bef4 Compact model index: 1 0x97 ; vsp = r7 0x41 ; vsp = vsp - 8 0x84 0x0b ; pop {r4, r5, r7, lr} 0xb0 ; finish 0xb0 ; finish

总结

本文讲了 ELF 里 arm ehabi 的存放和使用。

三. IDA-arm-unwind-plugin的开发

第三部分使用已有的知识，实现 arm stack unwind，给本系列完美地画上句号。

IDA arm unwind plugin

IDA 里有一个不常用的功能，叫打印栈回溯，使用的是常见的 ebp/esp 栈帧技术，没有对 ARM 进行适配，导致调试安卓 so 时完完全全是错的。本文编写一个 IDA 插件，正确展示实时的 arm 栈回溯。
设计思路：

1. 总目标，对当前断点进行栈回溯，得到 pc 序列，进一步可以得到 crash-log 一样的栈回溯展示；

2. 检查运行环境，需要是 ARM 架构，需要处于调试中的状态；

3. 将当前 pc 加入序列；

4. 初始化VRSStatus状态，将各个寄存器的值设置正确，为 unwind 做准备；

5. 递归 unwind；

• 根据当前 pc 找到当前 ELF 头部的大概位置，解析头部的一些字节，使用 pyelftools 得到第一个 PT_LOAD
• .ARM.exidx 和 .ARM.extab 一定在第一个 PT_LAOD 里，使用 pyelftools 解析它们的数据
• 根据当前 pc、List[EHABIEntry]，找到对应的 EHABIEntry
• 解释执行对应的字节码，得到最终状态
• 最终状态的 LR 就是返回地址，判断 ARM 还是 THUMB，再决定是 -2 还是 -4，修正为上一条指令的地址
• 将计算好的 pc 加入序列

6. 使用 pc 序列，寻找对应的 module、funcion，计算相对偏移，构造为 List[Frame]；

7. 绑定快捷键，画 GUI，抄的 https://github.com/ChiChou/IDA-ObjCExplorer 的代码。

效果图，个人感觉还是非常好用的： 

 具体用途看仓库里的 readme 。

总结

三个部分虽然是按照开发的时间顺序写的，但发生顺序其实是反的，这个流程拖得挺长：

1. 先发现 IDA 失效，于是准备写个插件；

2. 写插件，研究栈回溯，发现 ARM 的栈回溯跟人不一样 

（参考 原创andorid native栈回溯原理分析与思考 ）

3. pyelftools 不提供 arm ehabi 的解析，于是自己实现数据解析

（参考 https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/llvm/tools/llvm-readobj/ARMEHABIPrinter.h ）

4. libunwind 接入成本太高，于是自己用 python 写字节码的解释执行和 unwind（参考 https://github.com/llvm/llvm-project/blob/master/libunwind/src/Unwind-EHABI.cpp ）

把大量的规范从 c 移植为 python，整个下来花了我大量时间，但对 unwind 本身有了非常深刻的理解，希望 elftools.ehabi 和 IDA-arm-unwind-plugin 这两个轮子能为行业做贡献吧。

- End -

看雪ID：LeadroyaL

https://bbs.pediy.com/user-735539.htm

  *本文由看雪论坛 LeadroyaL 原创，转载请注明来自看雪社区。

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