CTF-PWN: 虚表(vtable)

vtable

vtable（虚表，virtual table）是面向对象编程中的一个关键概念，主要用于实现多态性（polymorphism）。它是一种数据结构，通常是一个指针数组，包含了类的虚函数（virtual functions）的地址。每个类都有自己的 vtable，并且每个对象实例都有一个指向该 vtable 的指针，称为 vptr（虚表指针）。

主要功能和工作原理

1. 虚函数调用机制：

   • 当一个类定义了虚函数时，编译器会为这个类生成一个 vtable。虚函数表中记录了当前类及其基类的虚函数地址。
   • 每个对象实例在内存中都有一个 vptr，指向这个对象所属类的 vtable。
   • 当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会通过 vptr 查找 vtable 中对应函数的地址，从而实现动态绑定（dynamic binding）和多态性。

2. 继承与覆盖：

   • 子类可以覆盖基类的虚函数。编译器会在子类的 vtable 中用子类的函数地址替换基类的函数地址。
   • 这样，当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会使用子类的实现，而不是基类的实现。

示例

以下是一个简单的例子，说明 vtable 的工作原理：

#include <iostream>

class Base {
public:
    virtual void foo() {
        std::cout << "Base::foo()" << std::endl;
    }
    virtual void bar() {
        std::cout << "Base::bar()" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void foo() override {
        std::cout << "Derived::foo()" << std::endl;
    }
    void bar() override {
        std::cout << "Derived::bar()" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base* b = new Derived();
    b->foo(); // 输出 "Derived::foo()"
    b->bar(); // 输出 "Derived::bar()"
    delete b;
    return 0;
}

在这个例子中：

• Base 类有两个虚函数 foo 和 bar。
• Derived 类继承自 Base 并覆盖了这两个虚函数。
• 在 main 函数中，通过基类指针 b 调用了虚函数 foo 和 bar，由于动态绑定的机制，实际调用的是 Derived 类中的实现。

vtable 和 vptr 的示意图

假设 Base 类和 Derived 类的 vtable 如下：

Base::vtable
+------------+
| &Base::foo |
| &Base::bar |
+------------+

Derived::vtable
+---------------+
| &Derived::foo |
| &Derived::bar |
+---------------+

当创建一个 Derived 类对象时，内存布局可能如下：

Derived object
+--------+
| vptr   | ----> Derived::vtable
+--------+

小结

vtable 是实现 C++ 等面向对象编程语言中多态性的重要机制。它通过维护一个虚函数指针数组和对象实例中的虚表指针，实现了动态绑定和函数调用的多态性。在编译器的支持下，vtable 机制在运行时动态选择合适的函数实现，从而使得面向对象编程中的继承和多态特性能够顺利工作。

__IO_FILE与vtable

__IO_FILE 结构体的虚表（vtable）指向了各种文件操作函数，例如 open、read、write、close 等。这些函数指针赋予了不同类型的文件流（如普通文件、内存流、网络流等）特定的行为，从而实现了多态性。

具体来说，__IO_FILE 结构体中的虚表指向了一个包含这些函数指针的结构体（通常称为 jump table 或 vtable），这些函数指针对应于文件操作函数。这些函数指针在运行时会被调用，以执行具体的文件操作。

示例代码解释

以下是一个简化的示例，展示了 __IO_FILE 结构体及其虚表的概念：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

// 定义虚表结构体，包含文件操作函数指针
struct _IO_jump_t {
    ssize_t (*read)(void *cookie, char *buf, size_t nbytes);
    ssize_t (*write)(void *cookie, const char *buf, size_t nbytes);
    int (*close)(void *cookie);
};

// 定义文件结构体，包含一个指向虚表的指针
typedef struct {
    struct _IO_jump_t *vtable;
    void *cookie; // 自定义数据，可以用来存储文件句柄或其他状态信息
} _IO_FILE;

// 虚表的具体实现
ssize_t my_read(void *cookie, char *buf, size_t nbytes) {
    // 自定义读函数的实现
    // 这里假设cookie是一个文件指针
    FILE *fp = (FILE *)cookie;
    return fread(buf, 1, nbytes, fp);
}

ssize_t my_write(void *cookie, const char *buf, size_t nbytes) {
    // 自定义写函数的实现
    // 这里假设cookie是一个文件指针
    FILE *fp = (FILE *)cookie;
    return fwrite(buf, 1, nbytes, fp);
}

int my_close(void *cookie) {
    // 自定义关闭函数的实现
    // 这里假设cookie是一个文件指针
    FILE *fp = (FILE *)cookie;
    return fclose(fp);
}

// 定义虚表实例并赋值
struct _IO_jump_t my_vtable = {
    .read = my_read,
    .write = my_write,
    .close = my_close,
};

// 打开文件并初始化自定义文件结构体
_IO_FILE *my_fopen(const char *filename, const char *mode) {
    FILE *fp = fopen(filename, mode);
    if (!fp) return NULL;

    _IO_FILE *file = (_IO_FILE *)malloc(sizeof(_IO_FILE));
    file->vtable = &my_vtable;
    file->cookie = fp;
    return file;
}

// 关闭文件并释放自定义文件结构体
int my_fclose(_IO_FILE *file) {
    int result = file->vtable->close(file->cookie);
    free(file);
    return result;
}

// 读取文件
ssize_t my_fread(_IO_FILE *file, char *buf, size_t nbytes) {
    return file->vtable->read(file->cookie, buf, nbytes);
}

// 写入文件
ssize_t my_fwrite(_IO_FILE *file, const char *buf, size_t nbytes) {
    return file->vtable->write(file->cookie, buf, nbytes);
}

int main() {
    _IO_FILE *file = my_fopen("example.txt", "w+");
    if (!file) {
        perror("Failed to open file");
        return 1;
    }

    const char *text = "Hello, world!";
    my_fwrite(file, text, strlen(text));

    char buf[512];
    fseek((FILE *)file->cookie, 0, SEEK_SET); // 重置文件指针位置
    my_fread(file, buf, sizeof(buf));
    printf("Read from file: %s\n", buf);

    my_fclose(file);
    return 0;
}

解释

1. 虚表结构体 _IO_jump_t：

   • 这个结构体包含了各种文件操作函数的指针，例如 read、write 和 close。

2. 文件结构体 _IO_FILE：

   • 这个结构体包含一个指向虚表的指针 vtable 和一个自定义数据指针 cookie，用于存储具体的文件信息（例如文件指针）。

3. 自定义文件操作函数：

   • 这些函数实现了特定的文件操作，例如 my_read、my_write 和 my_close，并通过虚表中的函数指针调用。

4. 文件操作函数的调用：

   • my_fopen 函数打开文件并初始化 _IO_FILE 结构体。
   • my_fread 和 my_fwrite 函数通过虚表指针调用具体的读写函数。
   • my_fclose 函数通过虚表指针调用关闭函数并释放结构体内存。

通过这种方式，你可以看到 __IO_FILE 结构体的虚表指向了各种文件操作函数，从而实现了不同类型文件流的多态行为。

寻找不同libc版本的定义

要查找特定版本的 GNU libc（glibc）中 _IO_jump_t 的定义和其他相关实现细节，你可以采取以下几种方法：

1. 查看源码仓库

glibc 的源码是公开的，你可以在其源码仓库中查找特定版本的实现：

• GNU libc 官方网站：你可以从 GNU libc 网站上获取源码。
• GNU libc Git Repository：glibc 的代码仓库托管在 sourceware.org。你可以使用以下命令克隆仓库：

  git clone git://sourceware.org/git/glibc.git
  

  然后你可以切换到特定的版本标签或提交记录来查看源代码。例如：

  cd glibc
  git checkout tags/glibc-2.31
  

2. 在线代码浏览器

你也可以使用在线代码浏览器查看特定版本的 glibc 源代码。这些浏览器通常提供了方便的搜索和导航功能。例如：

• Sourceware Git Web：这是 sourceware.org 提供的在线代码浏览器，直接访问 glibc Git web.

3. 下载和解压发行版源码

特定版本的 glibc 源代码可以通过下载对应的源码压缩包来获取：

• 从 GNU FTP 站点 下载特定版本的源码压缩包。
• 解压下载的源码包：

  tar -xvf glibc-2.31.tar.gz
  cd glibc-2.31
  

4. 查看系统安装的源码包

如果你使用的是基于 Debian 或 Fedora 的 Linux 发行版，通常可以安装特定版本的 glibc 源代码包：

• Debian/Ubuntu：

  sudo apt-get source libc6
  

• Fedora：

  sudo dnf download --source glibc
  

查找 _IO_jump_t 的定义

在源码树中，你可以使用 grep 或其他文本搜索工具查找 _IO_jump_t 的定义。通常，相关定义会出现在 libio 目录下的头文件中，例如 libio.h。

grep -r "_IO_jump_t" .

以上命令会在当前目录及其子目录中递归搜索包含 _IO_jump_t 的文件。

示例

让我们以 glibc 2.31 版本为例：

1. 克隆并检出特定版本：

   git clone git://sourceware.org/git/glibc.git
   cd glibc
   git checkout tags/glibc-2.31
   

2. 查找 _IO_jump_t 的定义：

   grep -r "_IO_jump_t" .
   

这样，你应该能够找到 _IO_jump_t 以及其他相关数据结构和函数的定义。通常，这些定义会出现在 libio/libio.h 或类似的头文件中。

通过这些步骤，你可以查找到特定版本的 glibc 中 _IO_jump_t 的定义以及其他相关实现细节。