应用程序热补丁(一):如何用几行代码打造应用程序热补丁

应用程序热补丁(一):如何用几行代码打造应用程序热补丁

引言

千呼万唤始出来,从今天起,《UCloud技术大观园》系列正式开张,撒花╭(●`∀´●)╯!


UCloud生而为云,一直专注在云计算的泥潭里摸爬滚打,踩过数不清的坑,写过数不清的BUG。所幸,在不断的试错中,也锤炼出一些能在江湖傍身的大杀器。这些经过千锤百炼的大杀器和宝贵的踩坑经验,一起成为今天UCloud的核心科技。

现在,我们将在《UCloud技术大观园》系列里,把这些核心科技全部开放出来,毫无保留,逐一为大家讲解,哪些坑是我们已经踩过的,引以为诫,哪些是优质的技术实践经验,值得借鉴。


我们始终相信——开放,才是技术的本心。

本篇作为《UCloud技术大观园》系列的开篇,聚焦UCloud应用程序热补丁技术,将介绍一种简单实用的应用程序热补丁技术。不少场景下,用该方法编写几行代码即可免重启修复应用程序BUG!

那,我们开始吧~


前言

应用程序,作为核心业务组件,每天都面临着严峻的高可用挑战,每次重启,都会导致服务受损。尤其是单点的虚拟化组件和有状态的应用程序,一旦重启,影响更甚。

热补丁,一种在程序运行时动态修复内存中代码bug的技术,能避免系统重启导致的业务中断、有效保证操作系统的可用性。

经过大量的研究和实践,UCloud从0到1,自研了一套应用程序热补丁技术。千锤百炼出真金,经过内部数十万台次修复验证,UCloud应用程序热补丁技术已自成体系,成为UCloud核心黑科技之一。



原理

一般来说,应用程序热补丁的流程是,首先通过编译器将热补丁源码制作成可加载的动态链接库,然后通过加载程序将热补丁加载到目标进程的地址空间,最后在进行一致性模型检查确认安全的情况下,把原始代码替换成新的代码,完成在线修复的过程。

下面我们分别介绍热补丁本身和热补丁加载程序,热补丁本身是因patch而异的,加载程序是通用的。

假设我们有热补丁加载程序Loader、目标进程T、热补丁patch.so,目标程序的func函数替换为func_v2。



热补丁

  1. 编写热补丁源码,编译成动态链接库的格式的热补丁patch.so,patch.so中包含func和func_v2的信息。

  2. 热补丁patch.so在被加载程序Loader加载到目标进程T地址空间的过程中,通过dlsym调用找到func的地址,并将func的入口指令改为可写,同时改变为跳转到func_v2。

  3. 至此,所有对func的调用都会被重定向到func_v2,func_v2执行完毕后返回,程序继续运行。

  4. 如图所示:


热补丁加载程序

  1. 加载程序Loader找到目标进程T的dlopen函数入口地址。

  2. Loader通过ptrace依附到目标进程T,Loader将热补丁的名字放入放入目标进程T的堆栈,将IP寄存器设置为dlopen函数的地址。

  3. Loader使目标进程T继续运行。因为IP寄存器已经设置为dlopen函数的入口,目标进程T会调用dlopen把热补丁加载到T的地址空间中。

  4. 如图所示:

了解原理之后,我们一步步实现一种简单的基于x86_64的热补丁。

(对于需要制作热补丁的同学,只需自己编写patch.so,而Loader是通用的。patch.so编写可以参考下面的例子,往往只需几行代码做相应替换。)

实现

热补丁

  1. 目标进程T执行dlopen的过程中,通过预先在热补丁(动态链接库)中写入的constructor函数,在加载过程中函数func_v1替换函数func。

     static void __attribute__((constructor)) init(void)
     {
         int numpages;
         void *old_func_entry, *new_func_entry;
    
         old_func_entry = dlsym(NULL, "func");
         new_func_entry = dlsym(NULL, "func_v2");
    
         #define PAGE_SHIFT              12
         #define PAGE_SIZE               (1UL << PAGE_SHIFT)
         #define PAGE_MASK               (~(PAGE_SIZE-1))
    
         numpages = (PAGE_SIZE - (old_func_entry & ~PAGE_MASK) >= size) ? 1 : 2;
         mprotect((void *)(old_func_entry & PAGE_MASK), numpages * PAGE_SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC);
    
         /*
          * Translate the following instructions 
          * 
          * mov $new_func_entry, %rax 
          * jmp %rax 
          * 
          * into machine code 
          * 
          * 48 b8 xx xx xx xx xx xx xx xx 
          * ff e0 
          */
         memset(old_func_entry, 0x48, 1);
         memset(old_func_entry + 1, 0xb8, 1); 
         memcpy(old_func_entry + 2, &new_func_entry, 8); 
         memset(old_func_entry + 10, 0xff, 1);
         memset(old_func_entry + 11, 0xe0, 1);
     }
    

热补丁加载程序

  1. Loader得到目标进程T地址空间中dlopen入口地址

    1.1. dlopen函数有libdl提供,并不是所有的程序都加载libdl,幸运的是,libc中提供了同样功能的函数libc_dlopen_mode,并且接受的参数和dlopen相同。除非特殊情况,所有程序都会加载libc。所以我们需要找到libc_dlopen_mode在目标进程T地址空间中的函数入口地址。

    1.2. 我们知道,不同进程中libc会被加载到不同的基地址,但是libc中函数的地址相对基地址的偏移是不变的。

    1.3. 通过Loader和目标进程T的/proc/pid/maps,我们可以得到libc在Loader和目标进程T中加载的基地址。通过Loader运行dlsym,我们可以得到Loader中的libc_dlopen_mode的地址。这样我们可以得到目标进程T中libc_dlopen_mode的地址(Loader_dlopen - Loader_libc + T_libc)。

    / Take a hint and find start addr in /proc/pid/maps /
      static unsigned long find_lib_base(pid_t pid, char *so_hint)
      {
      FILE *fp;
      char maps[4096], mapbuf[4096], perms[32], libpath[4096];
      char *libname;
      unsigned long start, end, file_offset, inode, dev_major, dev_minor;
    
      sprintf(maps, "/proc/%d/maps", pid);
      fp = fopen(maps, "rb");
      if (!fp) {
              fprintf(stderr, "Failed to open %s: %s\n", maps, strerror(errno));
              return 0;
      }
    
      while (fgets(mapbuf, sizeof(mapbuf), fp)) {
              sscanf(mapbuf, "%lx-%lx %s %lx %lx:%lx %lu %s", &start,
                      &end, perms, &file_offset, &dev_major, &dev_minor, &inode, libpath);
    
              libname = strrchr(libpath, '/');
              if (libname)
                      libname++;
              else
                      continue;
    
              if (!strncmp(perms, "r-xp", 4) && strstr(libname, so_hint)) {
                      fclose(fp);
                      return start;
              }
      }
    
      fclose(fp);   return 0; 
      }
      loader_libc = find_lib_base(getpid(), “libc-c”);
      T_libc = find_lib_base(T_pid, “libc-“);
      Loader_dlopen = (unsigned long)dlsym(NULL, “__libc_dlopen_mode”);
      T_dlopen = T_libc + (Loader_dlopen - Loader_libc);
    
    
  2. Loader对目标进程T使用ptrace attach,并保存T此时的寄存器信息。

    static int ptrace_attach(pid_t pid)
      {
      int status;
    
      if (ptrace(PTRACE_ATTACH, pid, NULL, NULL)) {
              fprintf(stderr, "Failed to ptrace_attach: %s\n", strerror(errno));
              return 1;
      }
    
      if (waitpid(pid, &status, __WALL) < 0) {
              fprintf(stderr, "Failed to wait for PID %d, %s\n", pid, strerror(errno));
              return 1;
      }
      return 0;
    }
      static int ptrace_call(pid_t pid, unsigned long func_addr, unsigned long arg1, unsigned long arg2, unsigned long *func_ret)
      {
      …
      memset(&saved_regs, 0, sizeof(struct user_regs_struct));
      ptrace_getregs(pid, &saved_regs);
    
      …
      }
  3. 将目标进程T的%RIP指向dlopen,热补丁的名字的字符串放入堆栈,字符串的地址写入%rdi,RTLD_NOW的值写入%rsi作为dlopen的flag。同时把dlopen返回地址设置为非法地址0x0(把0x0压入栈中),这样Loader可以捕获目标进程T产生的SIGSEGV信号进而重新获得T的控制权。

      unsigned long invalid = 0x0;
      regs.rsp -= sizeof(invalid);
      ptrace_poketext(pid, regs.rsp, ((void *)&invalid), sizeof(invalid));
      ptrace_poketext(pid, regs.rsp + 512, filename, strlen(filename) + 1);
      regs.rip = dlopen_addr;
      regs.rdi = regs.rsp + 512;
      regs.rsi = RTLD_NOW;
      ptrace_setregs(pid, &regs);
  4. Loader使目标进程T继续运行。当T执行完dlopen之后,T产生的SIGSEGV信号被Loader捕获,Loader重新获得T进程的控制权。


static int ptrace_cont(pid_t pid)

{int status;

if (ptrace(PTRACE_CONT, pid, NULL, 0)) {

fprintf(stderr, "Failed to ptrace_cont: %s\n", strerror(errno));return 1;

}

if (waitpid(pid, &status, __WALL) < 0) {fprintf(stderr, "Failed to wait for PID %d, %s\n", pid, strerror(errno));

return 1;}
return 0;}

5. Loader通过读取目标进程T此时的%rax寄存器得到dlopen的返回值,恢复T最开始的执行状态,最后释放对T的控制
  ptrace_getregs(pid, &regs);
  dlopen_ret = regs.rax;
  ptrace_setregs(pid, &saved_regs);
  ptrace_detach(pid);

至此对目标进程T的热补丁就完成了。下面我们看一个例子。

验证

假设我们运行target程序,每隔一秒打印Hello一次:

# ./target
Hello
Hello
…

target程序由target本身和libold.so组成,分别代码如下:

/* target.c */
#include <unistd.h>
#include "old.h"

int main() {
    for (;;) {
        print();
        sleep(1);
    }
}

/* old.c */
#include <stdio.h>

void print(void)
{
    printf("Hello\n");
}

编译

gcc -fPIC --shared old.c -o libold.so
gcc target.c ./libold.so -o target

我们想要修改print函数,变成打印“Goodbye”。我们需要编写热补丁new.c,并添加新函数和constructor:

/* new.c */
#include <stdio.h>
    #include <string.h> 
#include <sys/mman.h> 
#include <dlfcn.h> 

print_v2(void)
{
    printf("Goodbye\n");
}

static void __attribute__((constructor)) init(void)
{ 
    int numpages;
    void *old_func_entry, *new_func_entry;

    old_func_entry = dlsym(NULL, print);
    new_func_entry = dlsym(NULL, print_v2);

    #define PAGE_SHIFT              12 
    #define PAGE_SIZE               (1UL << PAGE_SHIFT) 
    #define PAGE_MASK               (~(PAGE_SIZE-1))

    numpages = (PAGE_SIZE - (old_func_entry & ~PAGE_MASK) >= size) ? 1 : 2;
    mprotect((void *)(old_func_entry & PAGE_MASK), numpages * PAGE_SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC);
    memset(old_func_entry, 0x48, 1);
    memset(old_func_entry + 1, 0xb8, 1); 
    memcpy(old_func_entry + 2, &new_func_entry, 8); 
    memset(old_func_entry + 10, 0xff, 1);
    memset(old_func_entry + 11, 0xe0, 1);
} 

编译:

gcc -fPIC --shared new.c -ldl -o libnew.so 

然后通过加载程序对target进程打入热补丁libnew.so,最后我们对target程序打入这个热补丁,观察变化:

# ./target
Hello
Hello
Goodbye
Goodbye
…

我们发现热补丁确实改变了print函数,最后通过gdb进一步确认,可以看出print函数的入口被修改成48 b8 dc b6 15 a9 c1 7f 00 00 ff e0,与我们的预期相符:

(gdb) disas /r print
Dump of assembler code for function print:
   0x00007fc1a98f456c <+0>:     48 b8 dc b6 15 a9 c1 7f 00 00   movabs $0x7fc1a915b6dc,%rax
   0x00007fc1a98f4576 <+10>:    ff e0   jmpq   *%rax # 这里print在入口处跳转到0x7fc1a915b6dc这个地址
…
(gdb) info symbol 0x7fc1a915b6dc
print_v2 in section .text of /root/process-hotupgrade/test/libnew.so # 0x7f2ea417971c这个地址就是print_v2函数的地址

总结

我们介绍了应用程序热补丁的基本原理,实践了一个应用程序热补丁demo。此类热补丁适用于动态替换共享链接库中的可见函数,可以修复例如glibc “GHOST漏洞”(CVE-2015-0235)等等,在UCloud我们利用热补丁修复了若干缺陷,在用户没有感知的情况下把bug快速及时的修复。这些热补丁修复程序里,绝大多数代码是通用的,只需少数几行做特殊替换。

上文介绍的热补丁技术对于适用的场景非常理想,简单可靠,但存在几个缺点:

  • 手写热补丁代码门槛较高,特别是被修复函数的依赖函数链较长时手写热补丁很容易出错
  • 无法修复局部函数和局部变量(只能修复全局可见的函数和变量)

后面的文章我们会介绍如一种更加先进的应用程序热补丁技术。

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本文由『UCloud内核团队』提供作者:王超



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以上。

编辑于 2017-06-30

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