如何用几行代码打造应用程序热补丁？（一）

一、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。

二、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，***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。

三、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：

四、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。)

五、实现

1. 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); 
 } 

2. 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

• 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。
• 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。
• 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; 
 regsregs.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，***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。

六、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，***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，***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 

七、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)

下一篇文章我会介绍一种更加先进的应用程序热补丁技术。

【本文是51CTO专栏机构作者“大U的技术课堂”的原创文章，转载请通过微信公众号(ucloud2012)联系作者】

 戳这里，看该作者更多好文