Voyage en C++ie : un diamant d'innocence

Magazine
Marque
MISC
HS n°
Numéro
18
Mois de parution
novembre 2018
Spécialité(s)


Résumé

Cet article est le troisième d'une mini-série sur le C++, ou plutôt sur les binaires compilés depuis C++, leurs particularités, comment les concepts du langage se retrouvent parfois dans le binaire final.


Body

Cet opus corrige un oublie lors de l'épisode précèdent (Voyage en C++ie : les objets, publié dans MISC n°96), et présente le boss final : le fameux « deadly diamond of death ». Manquement d'autant plus intolérable dans une revue des Éditions Diamond…

1. Le problème du diamant

Imaginons la (mauvaise) hiérarchie de classe suivante, qui n'est pas sans rappeler certains jeux très ancrés dans l'imaginaire médiéval fantastique.

struct Fighter {
    int hp = 10;
    int chop() const;
};
 
struct Warrior : Fighter {
};
 
struct Monk : Fighter {
};

Osons maintenant créer un type de personnage bi-classé (et d'une humilité sans faille) :

struct Me : Warrior, Monk {
    void strike(Fighter& other) const {
        if(hp>0)
            other.hp -= chop();
    };
};

Ce code ne compile pas, et pour cause : Warrior et Monk ont une base commune, Fighter et l'accès à hp est ambigu. Quand on veut que les membres communs ne soient présents qu'une seule fois, et c'est le cas ici, on utilise l'héritage virtuel, le fameux héritage en diamant.

struct Warrior : virtual Fighter {
};
 
struct Monk : virtual Fighter {
};

Il n'y aura alors qu'une seule instance de Fighter instanciée par instance de Me (notez l'élégante référence à une célèbre licence de jeux de baston édités par SEGA).

2. Initialisation d'un objet avec héritage virtuel

Si l'on tente d'instancier un objet de la classe Me :

Me spontaneaous_me() {
    return {};
}

On obtient le bitcode LLVM suivant (d'après clang++ -S -emit-llvm -O0 -o - diamond.cpp -std=c++11 | c++filt, on regardera le code optimisé une fois qu'on a bien tout compris) que nous allons décortiquer. Notons le filtrage par c++filt pour appliquer le demangling (décodage des symboles, cf. épisodes précédents disponibles chez tous les bons libraires) sur le bitcode LLVM, cette commande est bien pensée ! J'ai enlevé quelques attributs (genre align 8 sur les store) pour ne garder que l'essentiel.

define linkonce_odr void @Me::Me()(%struct.Me*) {
  ; copy parameter to a register through the stack,

  ; let's call this register `this'
  %2 = alloca %struct.Me*
  store %struct.Me* %0, %struct.Me** %2
  %3 = load %struct.Me*, %struct.Me** %2
  ; access the 16th byte of `this' and

  ;cast it to Fighter* to initialize it
  %4 = bitcast %struct.Me* %3 to i8*
  %5 = getelementptr inbounds i8, i8* %4, i64 16
  %6 = bitcast i8* %5 to %struct.Fighter*
  call void @Fighter::Fighter()(%struct.Fighter* %6)
 
  ; cast this as warrior and call a specific constructor

  ;that uses the 1st element of the VTT
  %7 = bitcast %struct.Me* %3 to %struct.Warrior*
  call void @Warrior::Warrior()(%struct.Warrior* %7, i8** getelementptr inbounds ([4 x i8*], [4 x i8*]* @VTT for Me, i64 0, i64 1))
 
  ; access the 8th byte of `this' and

  ;cast it to Monk* to initialize it
  %8 = bitcast %struct.Me* %3 to i8*
  %9 = getelementptr inbounds i8, i8* %8, i64 8
  %10 = bitcast i8* %9 to %struct.Monk*
  call void @Monk::Monk()(%struct.Monk* %10, i8** getelementptr inbounds ([4 x i8*], [4 x i8*]* @VTT for Me, i64 0, i64 2))
 
  ;;;;;;;;;;;;;;;; PAUSE ;;;;;;;;;;;;;;;;
 
  ; store values from the vtable in the 0st bytes of `this'
  %11 = bitcast %struct.Me* %3 to i32 (...)***
  store i32 (...)** bitcast (i8** getelementptr inbounds ({ [3 x i8*], [3 x i8*] }, { [3 x i8*], [3 x i8*] }* @vtable for Me, i32 0, inrange i32 0, i32 3) to i32 (...)**), i32 (...)*** %11,
 
  ; store other values from the vtable in the 8th bytes of `this'
  %12 = bitcast %struct.Me* %3 to i8*
  %13 = getelementptr inbounds i8, i8* %12, i64 8
  %14 = bitcast i8* %13 to i32 (...)***
  store i32 (...)** bitcast (i8** getelementptr inbounds ({ [3 x i8*], [3 x i8*] }, { [3 x i8*], [3 x i8*] }* @vtable for Me, i32 0, inrange i32 1, i32 3) to i32 (...)**), i32 (...)*** %14
  ret void
}

Mmmmh, notre diamant a de multiples facettes qui reflètent autant de subtilités du langage ! On retrouve bien les constructeurs de chaque classe parente @Fighter::Fighter, @Warrior::Warrior et @Monk::Monk(), mais les deux derniers constructeurs prennent un nouveau paramètre, la VTT, la Virtual Table Table… Qu'est-ce donc ? Regardons son initialisation, en s'arrêtant à la ; PAUSE ; :

@VTT for Me = constant [4 x i8*] [
    i8* bitcast (i8** getelementptr inbounds ({ [3 x i8*], [3 x i8*] }, { [3 x i8*], [3 x i8*] }* @vtable for Me, i32 0, inrange i32 0, i32 3) to i8*),
    i8* bitcast (i8** getelementptr inbounds ({ [3 x i8*] }, { [3 x i8*] }* @construction vtable for Warrior-in-Me, i32 0, inrange i32 0, i32 3) to i8*),
    i8* bitcast (i8** getelementptr inbounds ({ [3 x i8*] }, { [3 x i8*] }* @construction vtable for Monk-in-Me, i32 0, inrange i32 0, i32 3) to i8*),
    i8* bitcast (i8** getelementptr inbounds ({ [3 x i8*], [3 x i8*] }, { [3 x i8*], [3 x i8*] }* @vtable for Me, i32 0, inrange i32 1, i32 3) to i8*)
]

Okay… On parle de construction vtable for Warrior-in-Me et de construction vtable for Monk-in-Me, inspectons cela :

@construction vtable for Warrior-in-Me = constant { [3 x i8*] } { [3 x i8*] [
    i8* inttoptr (i64 16 to i8*),
    i8* null,
    i8* bitcast ({ i8*, i8*, i32, i32, i8*, i64 }* @typeinfo for Warrior to i8*)
] }
@construction vtable for Monk-in-Me = constant { [3 x i8*] } { [3 x i8*] [
    i8* inttoptr (i64 8 to i8*),
    i8* null,
    i8* bitcast ({ i8*, i8*, i32, i32, i8*, i64 }* @typeinfo for Monk to i8*)
] }

Soit, un pointeur à null, des typeinfo et un entier qui ressemble à un offset… regardons comment cette VTT est utilisée par les constructeurs :

define void @Warrior::Warrior()(%struct.Warrior*, i8**) {
  : typical copy-arg-to-stack-then-load
  %3 = alloca %struct.Warrior*
  %4 = alloca i8**
  store %struct.Warrior* %0, %struct.Warrior** %3
  store i8** %1, i8*** %4
  %5 = load %struct.Warrior*, %struct.Warrior** %3
  %6 = load i8**, i8*** %4
 
  ; %5 = `this', %6 = `construction vtable for Warrior-in-Me'
  %7 = load i8*, i8** %6
  %8 = bitcast %struct.Warrior* %5 to i32 (...)***
  %9 = bitcast i8* %7 to i32 (...)**
 
  ; the VTT is stored in `this'
  store i32 (...)** %9, i32 (...)*** %8
  ret void
}

Le même schéma se retrouve pour l'appel au constructeur de Monk, on a donc maintenant une idée un peu plus précise de l’organisation mémoire du bouzin à la ; PAUSE ; :

---------------------------------------
 construction vtable for Warrior-in-Me
---------------------------------------
  construction vtable for Monk-in-Me
---------------------------------------
           actual attributes
---------------------------------------

Et si on continue après la ; PAUSE ;, on voit que les deux premiers champs sont écrasés par les vtables des deux parents ! En fait, les construction vtable for Warrior-in-Me et construction vtable for Monk-in-Me sont des tables temporaires qui permettent de construire l'objet alors qu'il n'est pas encore complètement initialisé. Effectivement, si on appelle une méthode virtuelle dans le constructeur de Warrior, l'ordre de résolution sera différent que si on l'appelle depuis le constructeur de Me, d'où cette rustine temporaire de la vtable. Extra !

Comme notre exemple est trop simple, ces tables ne sont pas vraiment utiles, comme le montre le code craché par clang en -02 :

define void @spontaneaous_me()(%struct.Me* noalias nocapture sret) {
  ; first set everything to zero
  %2 = bitcast %struct.Me* %0 to i8*
  tail call void @llvm.memset.p0i8.i64(i8* %2, i8 0, i64 24, i32 8, i1 false)
 
  ; store the actual attribute in the 2nd slot
  %3 = getelementptr inbounds %struct.Me, %struct.Me* %0, i64 0, i32 2, i32 0
  store i32 10, i32* %3
 
  ; store the two vtables in the 0th and 1st slot
  %4 = bitcast %struct.Me* %0 to <2 x i32 (...)**>*
  store <2 x i32 (...)**> <i32 (...)** bitcast (i8** getelementptr inbounds ({ [3 x i8*], [3 x i8*] }, { [3 x i8*], [3 x i8*] }* @vtable for Me, i64 0, i32 1, i64 0) to i32 (...)**), i32 (...)** bitcast (i8** getelementptr inbounds ({ [3 x i8*], [3 x i8*] }, { [3 x i8*], [3 x i8*] }* @vtable for Me, i64 1, i32 0, i64 0) to i32 (...)**)>, <2 x i32 (...)**>* %4
  ret void
}

Comme les vtable temporaires ne sont pas utilisées, l'optimiseur les a proprement dégagées. On remarquera combien l'optimisation faite par clang est raccord avec le discours :-)

Vérification par le code :

int main() {
  Me me = spontaneaous_me();
  void* raw = &me;
  void** as_ptr = (void**)raw;
  printf("%p - %p - %p\n", as_ptr[0], as_ptr[1], as_ptr[2]);
  return 0;
}

Qui à l'exécution affiche le tant attendu résultat :

$ ./diamond
0x4008a0 - 0x4008b8 - 0xa

Et un petit objdump -C -t diamond | grep 4008 nous confirme que la vtable de Me prend 48 octets chargés de 0x400888 à 0x4008b8, on est bon !

3. Poussière de diamant

Continuons avec un scénario d'apparence banale :

int chop(Me const& ref) {
    return ref.chop();
}

Une fois compilé sans optimisation, on obtient ce gros pavé, commenté au fil de l'eau :

define i32 @chop(Me&)(%struct.Me* dereferenceable(24)) #4 {

; copy-arg-to-stack-then-load-to-ref

%2 = alloca %struct.Me*

store %struct.Me* %0, %struct.Me** %2

%3 = load %struct.Me*, %struct.Me** %2

 

; load the first pointer inthis, i.e. the vtable for Warrior

%4 = bitcast %struct.Me* %3 to i8** %5 = load i8*, i8** %4

 

; access an element before this vtable, taking advantage of the vtable layout for Me

%6 = getelementptr i8, i8* %5, i64 -24

%7 = bitcast i8* %6 to i64*

%8 = load i64, i64* %7

 

; perform a small correction of thethisptr using the value from the vtable

%9 = bitcast %struct.Me* %3 to i8*

%10 = getelementptr inbounds i8, i8* %9, i64 %8

%11 = bitcast i8* %10 to %struct.Fighter*

%12 = call i32 @Fighter::chop() const(%struct.Fighter* %11)

ret i32 %12

}

L'offset de -24 peut paraître surprenant ! Mais si on se souvient de l'initialisation du premier champ de this, c'était à travers :

store i32 (...)** bitcast (i8** getelementptr inbounds ({ [3 x i8*], [3 x i8*] }, { [3 x i8*], [3 x i8*] }* @vtable for Me, i32 0, inrange i32 0, i32 3) to i32 (...)**), i32 (...)*** %11

Soit le 4ème élément du premier élément du tableau @vtable for Me qui n'en contient que 3… Donc le premier du deuxième élément. Et en reculant de 24 octets, on tombe (ouille) sur le premier champ du premier item, à savoir :

@vtable for Me = constant { [3 x i8*], [3 x i8*] } {
    [3 x i8*] [i8* inttoptr (i64 16 to i8*), i8* null, i8* bitcast ({ i8*, i8*, i32, i32, i8*, i64, i8*, i64 }* @typeinfo for Me to i8*)],
    [3 x i8*] [i8* inttoptr (i64 8 to i8*), i8* inttoptr (i64 -8 to i8*), i8* bitcast ({ i8*, i8*, i32, i32, i8*, i64, i8*, i64 }* @typeinfo for Me to i8*)]
}

Soit la valeur 0x10. Dans le doute, le code suivant permet de le confirmer :

int main() {
  Me me = spontaneaous_me();
  void* raw = &me;
  void** as_ptr = (void**)raw;
  void* vtable = as_ptr[0];
  printf("%p",(void*)*(intptr_t*)((char*)vtable -24));
  return 0;
}

À l’exécution, on obtient :

$ ./diamond
0x10

Ouf ! Ce petit ajustement de +16 permet de repositionner this après les deux vtable des classes filles, de façon à ce que this ressemble à une instance de Fighter normale :-)

Conclusion

Cette exploration de code devrait avoir un peu démystifié le diagramme en diamant à la sauce C++, avec pour effet de bord une piqûre de rappel sur les vtables. Comme quoi il y avait de quoi creuser !

Remerciements

Cet article a bénéficié des conseils et relectures de neitsa, papa zours et lancelot. Un grand merci à eux !

 



Article rédigé par

Par le(s) même(s) auteur(s)

En sécurité sous les drapeaux

Magazine
Marque
MISC
HS n°
Numéro
22
Mois de parution
octobre 2020
Spécialité(s)
Résumé

En sécurité sous les drapeaux... du compilateur, ces fameux -fstack-protector-strong et autres -D_FORTIFY_SOURCE=2 que l’on retrouve dans de plus en plus de logs de compilation. Cet article se propose de parcourir quelques-uns des drapeaux les plus célèbres, en observant les artefacts dans le code généré qui peuvent indiquer leur utilisation, tout en discutant de leur support par gcc et clang. Après tout, nombre d’entre eux sont utilisés par défaut sous Debian ou Fedora, ils méritent bien qu’on s’y intéresse un peu.

Les derniers articles Premiums

Les derniers articles Premium

Cryptographie : débuter par la pratique grâce à picoCTF

Magazine
Marque
Contenu Premium
Spécialité(s)
Résumé

L’apprentissage de la cryptographie n’est pas toujours évident lorsqu’on souhaite le faire par la pratique. Lorsque l’on débute, il existe cependant des challenges accessibles qui permettent de découvrir ce monde passionnant sans avoir de connaissances mathématiques approfondies en la matière. C’est le cas de picoCTF, qui propose une série d’épreuves en cryptographie avec une difficulté progressive et à destination des débutants !

Game & Watch : utilisons judicieusement la mémoire

Magazine
Marque
Contenu Premium
Spécialité(s)
Résumé

Au terme de l'article précédent [1] concernant la transformation de la console Nintendo Game & Watch en plateforme de développement, nous nous sommes heurtés à un problème : les 128 Ko de flash intégrés au microcontrôleur STM32 sont une ressource précieuse, car en quantité réduite. Mais heureusement pour nous, le STM32H7B0 dispose d'une mémoire vive de taille conséquente (~ 1,2 Mo) et se trouve être connecté à une flash externe QSPI offrant autant d'espace. Pour pouvoir développer des codes plus étoffés, nous devons apprendre à utiliser ces deux ressources.

Raspberry Pi Pico : PIO, DMA et mémoire flash

Magazine
Marque
Contenu Premium
Spécialité(s)
Résumé

Le microcontrôleur RP2040 équipant la Pico est une petite merveille et malgré l'absence de connectivité wifi ou Bluetooth, l'étendue des fonctionnalités intégrées reste très impressionnante. Nous avons abordé le sujet du sous-système PIO dans un précédent article [1], mais celui-ci n'était qu'une découverte de la fonctionnalité. Il est temps à présent de pousser plus loin nos expérimentations en mêlant plusieurs ressources à notre disposition : PIO, DMA et accès à la flash QSPI.

Les listes de lecture

11 article(s) - ajoutée le 01/07/2020
Clé de voûte d'une infrastructure Windows, Active Directory est l'une des cibles les plus appréciées des attaquants. Les articles regroupés dans cette liste vous permettront de découvrir l'état de la menace, les attaques et, bien sûr, les contre-mesures.
8 article(s) - ajoutée le 13/10/2020
Découvrez les méthodologies d'analyse de la sécurité des terminaux mobiles au travers d'exemples concrets sur Android et iOS.
10 article(s) - ajoutée le 13/10/2020
Vous retrouverez ici un ensemble d'articles sur les usages contemporains de la cryptographie (whitebox, courbes elliptiques, embarqué, post-quantique), qu'il s'agisse de rechercher des vulnérabilités ou simplement comprendre les fondamentaux du domaine.
Voir les 55 listes de lecture

Abonnez-vous maintenant

et profitez de tous les contenus en illimité

Je découvre les offres

Déjà abonné ? Connectez-vous