动态修改C语言函数的实现

Objective-C 作为基于 Runtime 的语言，它有非常强大的动态特性，可以在运行期间自省、进行方法调剂、为类增加属性、修改消息转发链路，在代码运行期间通过 Runtime 几乎可以修改 Objecitve-C 层的一切类、方法以及属性。

真正绝对意义上的动态语言或者静态语言是不存在的。

C 语言往往会给我们留下不可修改的这一印象；在之前的几年时间里，笔者确实也是这么认为的，然而最近接触到的 fishhook 使我对 C 语言的不可修改有了更加深刻的理解。

在文章中涉及到一个比较重要的概念，就是镜像（image）；在 Mach-O 文件系统中，所有的可执行文件、dylib 以及 Bundle 都是镜像。

fishhook 简介

到这里，我们该简单介绍一下今天分享的 fishhook；fishhook 是一个由 facebook 开源的第三方框架，其主要作用就是动态修改 C 语言函数实现。

这个框架的代码其实非常的简单，只包含两个文件：fishhook.c 以及 fishhook.h；两个文件所有的代码加起来也不超过 300 行。

不过它的实现原理是非常有意思并且精妙的，我们可以从 fishhook 提供的接口中入手。

从接口开始

fishhook 提供非常简单的两个接口以及一个结构体：

struct rebinding {  
    const char *name;
    void *replacement;
    void **replaced;
};

int rebind_symbols(struct rebinding rebindings[], size_t rebindings_nel);

int rebind_symbols_image(void *header,  
                         intptr_t slide,
                         struct rebinding rebindings[],
                         size_t rebindings_nel);

其中 rebind_symbols 接收一个 rebindings 数组，也就是重新绑定信息，还有就是 rebindings_nel，也就是 rebindings 的个数。

使用 fishhook 修改 C 函数

使用 fishhook 修改 C 函数很容易，我们使用它提供的几个范例来介绍它的使用方法。

这里要修改的是底层的 open 函数的实现，首先在工程中引入 fishhook.h 头文件，然后声明一个与原函数签名相同的函数指针：

#import "fishhook.h"

static int (*origianl_open)(const char *, int, ...);

然后重新实现 new_open 函数：

int new_open(const char *path, int oflag, ...) {  
    va_list ap = {0};
    mode_t mode = 0;

    if ((oflag & O_CREAT) != 0) {
        // mode only applies to O_CREAT
        va_start(ap, oflag);
        mode = va_arg(ap, int);
        va_end(ap);
        printf("Calling real open('%s', %d, %d)\n", path, oflag, mode);
        return orig_open(path, oflag, mode);
    } else {
        printf("Calling real open('%s', %d)\n", path, oflag);
        return orig_open(path, oflag, mode);
    }
}

这里调用的 original_open 其实相当于执行原 open；最后，在 main 函数中使用 rebind_symbols 对符号进行重绑定：

// 初始化一个 rebinding 结构体
struct rebinding open_rebinding = { "open", new_open, (void *)&original_open };

// 将结构体包装成数组，并传入数组的大小，对原符号 open 进行重绑定
rebind_symbols((struct rebinding[1]){open_rebinding}, 1);

// 调用 open 函数
__unused int fd = open(argv[0], O_RDONLY);

在对符号进行重绑定之后，所有调用 open 函数的地方实际上都会执行 new_open 的实现，也就完成了对 open 的修改。

程序运行之后打印了 Calling real open('/Users/apple/Library/Developer/Xcode/DerivedData/Demo-cdnoozusghmqtubdnbzedzdwaagp/Build/Products/Debug/Demo', 0) 说明我们的对 open 函数的修改达到了预期的效果。

整个 main.m 文件中的代码在文章的最后面 main.m

fishhook 的原理以及实现

在介绍 fishhook 具体实现原理之前，有几个非常重要的知识需要我们了解，那就是dyld、动态链接以及 Mach-O 文件系统。

dyld 与动态链接

dyld 是 the dynamic link editor 的缩写（笔者并不知道为什么要这么缩写）。至于它的作用，简单一点说，就是负责将各种各样程序需要的镜像加载到程序运行的内存空间中，这个过程发生的时间非常早 — 在 objc 运行时初始化之前。

在 dyld 加载镜像时，会执行注册过的回调函数；当然，我们也可以使用下面的方法注册自定义的回调函数，同时也会为所有已经加载的镜像执行回调：

extern void _dyld_register_func_for_add_image(  
    void (*func)(const struct mach_header* mh, intptr_t vmaddr_slide)
);

对于每一个已经存在的镜像，当它被动态链接时，都会执行回调 void (*func)(const struct mach_header* mh, intptr_t vmaddr_slide)，传入文件的 mach_header 以及一个虚拟内存地址 intptr_t。

需要注意的是，dyld 只负责将一些需要动态链接的库加载进来，比如说 C 语言标准库，或者 Foundation 这些 ObjC 提供的库；而我们自己在程序中写的代码是不会通过 dyld 进行加载的。

以一个最简单的 Hello World 程序为例：

#include <stdio.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {  
    printf("Hello, World!\n");
    return 0;
}

代码中只引用了一个 stdio 库中的函数 printf；我们如果 Build 这段代码，生成可执行文件之后，使用下面的命令 nm：

$ nm -nm HelloWorld

nm 命令可以查看可执行文件中的符号（对 nm 不熟悉的读者可以在终端中使用 man nm 查看手册）：

(undefined) external _printf (from libSystem)
                 (undefined) external dyld_stub_binder (from libSystem)
0000000100000000 (__TEXT,__text) [referenced dynamically] external __mh_execute_header  
0000000100000f50 (__TEXT,__text) external _main

在可执行文件中的符号列表中，_printf 这个符号是未定义（undefined）的，换句话说，编译器还不知道这个符号对应什么东西。

但是，如果在文件中加入一个 C 函数 hello_world：

#include <stdio.h>

void hello_world() {  
    printf("Hello, World!\n");
}

int main(int argc, const char * argv[]) {  
    printf("Hello, World!\n");
    return 0;
}

在构建之后，同样使用 nm 查看其中的符号：

                 (undefined) external _printf (from libSystem)
                 (undefined) external dyld_stub_binder (from libSystem)
0000000100000000 (__TEXT,__text) [referenced dynamically] external __mh_execute_header  
0000000100000f30 (__TEXT,__text) external _hello_world  
0000000100000f50 (__TEXT,__text) external _main

我们的符号 _hello_world 并不是未定义的（undefined），它包含一个内存地址以及 __TEXT 段。也就是说手写的一些函数，在编译之后，其地址并不是未定义的，这一点对于之后分析 fishhook 有所帮助。

使用 nm 打印出的另一个符号 dyld_stub_binder 对应另一个同名函数。dyld_stub_binder会在目标符号（例如 printf）被调用时，将其链接到指定的动态链接库 libSystem，再执行 printf 的实现（printf 符号位于 __DATA 端中的 lazy 符号表中）：

每一个镜像中的 __DATA 端都包含两个与动态链接有关的表，其中一个是 __nl_symbol_ptr，另一个是 __la_symbol_ptr：

• __nl_symbol_ptr 中的 non-lazy 符号是在动态链接库绑定的时候进行加载的
• __la_symbol_ptr 中的符号会在该符号被第一次调用时，通过 dyld 中的 dyld_stub_binder 过程来进行加载

0000000100001010    dq  0x0000000100000f9c  ; XREF=0x1000002f8, imp___stubs__printf

地址 0x0000000100000f9c 就是 printf 函数打印字符串实现的位置：

在上述代码调用 printf 时，由于符号是没有被加载的，就会通过 dyld_stub_binder 动态绑定符号。

Mach-O

由于文章中会涉及一些关于 Mach-O 文件格式的知识，所以在这里会简单介绍一下 Mach-O 文件格式的结构。

每一个 Mach-O 文件都会被分为不同的 Segments，比如 __TEXT, __DATA, __LINKEDIT：

这也就是 Mach-O 中的 segment_command（32 位与 64 位不同）：

struct segment_command_64 { /* for 64-bit architectures */  
    uint32_t    cmd;        /* LC_SEGMENT_64 */
    uint32_t    cmdsize;    /* includes sizeof section_64 structs */
    char        segname[16];    /* segment name */
    uint64_t    vmaddr;     /* memory address of this segment */
    uint64_t    vmsize;     /* memory size of this segment */
    uint64_t    fileoff;    /* file offset of this segment */
    uint64_t    filesize;   /* amount to map from the file */
    vm_prot_t   maxprot;    /* maximum VM protection */
    vm_prot_t   initprot;   /* initial VM protection */
    uint32_t    nsects;     /* number of sections in segment */
    uint32_t    flags;      /* flags */
};

而每一个 segment_command 中又包含了不同的 section：

struct section_64 { /* for 64-bit architectures */  
    char        sectname[16];   /* name of this section */
    char        segname[16];    /* segment this section goes in */
    uint64_t    addr;       /* memory address of this section */
    uint64_t    size;       /* size in bytes of this section */
    uint32_t    offset;     /* file offset of this section */
    uint32_t    align;      /* section alignment (power of 2) */
    uint32_t    reloff;     /* file offset of relocation entries */
    uint32_t    nreloc;     /* number of relocation entries */
    uint32_t    flags;      /* flags (section type and attributes)*/
    uint32_t    reserved1;  /* reserved (for offset or index) */
    uint32_t    reserved2;  /* reserved (for count or sizeof) */
    uint32_t    reserved3;  /* reserved */
};

你只需要对这几个概念有一个简单的了解，知道它们有怎样的包含关系，当文章中挑出这个名字时，对它不是一无所知就足够了，这里并不会涉及太多相关的知识。

fishhook 的原理

到目前为止，我们对 dyld 以及 Mach-O 有了一个初步的了解，而 fishhook 使用了前面章节提到的 _dyld_register_func_for_add_image 注册了一个回调，在每次加载镜像到程序中执行回调，动态修改 C 函数实现。

在具体分析其源代码之前，先为各位读者详细地介绍它的实现原理：

dyld 通过更新 Mach-O 二进制文件 __DATA 段中的一些指针来绑定 lazy 和 non-lazy 的符号；而 fishhook 先确定某一个符号在 __DATA 段中的位置，然后保存原符号对应的函数指针，并使用新的函数指针覆盖原有符号的函数指针，实现重绑定。

整个过程可以用这么一张图来表示：

原理看起来还是很简单的，其中最复杂的部分就是从二进制文件中寻找某个符号的位置，在 fishhook 的 README 中，有这样一张图：

这张图初看很复杂，不过它演示的是寻找符号的过程，我们根据这张图来分析一下这个过程：

1. 从 __DATA 段中的 lazy 符号指针表中查找某个符号，获得这个符号的偏移量 1061，然后在每一个 section_64 中查找 reserved1，通过这两个值找到 Indirect Symbol Table 中符号对应的条目
2. 在 Indirect Symbol Table 找到符号表指针以及对应的索引 16343 之后，就需要访问符号表
3. 然后通过符号表中的偏移量，获取字符串表中的符号 _close

fishhook 的实现

上面梳理了寻找符号的过程，现在，我们终于要开始分析 fishhook 的源代码，看它是如何一步一步替换原有函数实现的。

对实现的分析会 rebind_symbols 函数为入口，首先看一下函数的调用栈：

int rebind_symbols(struct rebinding rebindings[], size_t rebindings_nel);  
└── extern void _dyld_register_func_for_add_image(void (*func)(const struct mach_header* mh, intptr_t vmaddr_slide));

static void _rebind_symbols_for_image(const struct mach_header *header, intptr_t slide)  
└── static void rebind_symbols_for_image(struct rebindings_entry *rebindings, const struct mach_header *header, intptr_t slide)
    └── static void perform_rebinding_with_section(struct rebindings_entry *rebindings, section_t *section, intptr_t slide, nlist_t *symtab, char *strtab, uint32_t *indirect_symtab)

其实函数调用栈非常简单，因为整个库中也没有几个函数，rebind_symbols 作为接口，其主要作用就是注册一个函数并在镜像加载时回调：

int rebind_symbols(struct rebinding rebindings[], size_t rebindings_nel) {  
    int retval = prepend_rebindings(&_rebindings_head, rebindings, rebindings_nel);
    if (retval < 0) return retval;

    if (!_rebindings_head->next) {
        _dyld_register_func_for_add_image(_rebind_symbols_for_image);
    } else {
        uint32_t c = _dyld_image_count();
        for (uint32_t i = 0; i < c; i++) {
            _rebind_symbols_for_image(_dyld_get_image_header(i), _dyld_get_image_vmaddr_slide(i));
        }
    }
    return retval;
}

在 rebind_symbols 最开始执行时，会先调用一个 prepend_rebindings 的函数，将整个 rebindings 数组添加到 _rebindings_head 这个私有数据结构的头部：

static int prepend_rebindings(struct rebindings_entry **rebindings_head,  
                              struct rebinding rebindings[],
                              size_t nel) {
    struct rebindings_entry *new_entry = malloc(sizeof(struct rebindings_entry));
    if (!new_entry) {
        return -1;
    }
    new_entry->rebindings = malloc(sizeof(struct rebinding) * nel);
    if (!new_entry->rebindings) {
        free(new_entry);
        return -1;
    }
    memcpy(new_entry->rebindings, rebindings, sizeof(struct rebinding) * nel);
    new_entry->rebindings_nel = nel;
    new_entry->next = *rebindings_head;
    *rebindings_head = new_entry;
    return 0;
}

也就是说每次调用的 rebind_symbols 方法传入的 rebindings 数组以及数组的长度都会以 rebindings_entry 的形式添加到 _rebindings_head 这个私有链表的首部：

struct rebindings_entry {  
    struct rebinding *rebindings;
    size_t rebindings_nel;
    struct rebindings_entry *next;
};

static struct rebindings_entry *_rebindings_head;

这样可以通过判断 _rebindings_head->next 的值来判断是否为第一次调用，然后使用 _dyld_register_func_for_add_image 将 _rebind_symbols_for_image 注册为回调或者为所有存在的镜像单独调用 _rebind_symbols_for_image：

static void _rebind_symbols_for_image(const struct mach_header *header, intptr_t slide) {  
    rebind_symbols_for_image(_rebindings_head, header, slide);
}

_rebind_symbols_for_image 只是对另一个名字非常相似的函数 rebind_symbols_for_image 的封装，从这个函数开始，就到了重绑定符号的过程；不过由于这个方法的实现比较长，具体分析会分成三个部分并省略一些不影响理解的代码：

static void rebind_symbols_for_image(struct rebindings_entry *rebindings,  
                                     const struct mach_header *header,
                                     intptr_t slide) {
    segment_command_t *cur_seg_cmd;
    segment_command_t *linkedit_segment = NULL;
    struct symtab_command* symtab_cmd = NULL;
    struct dysymtab_command* dysymtab_cmd = NULL;

    uintptr_t cur = (uintptr_t)header + sizeof(mach_header_t);
    for (uint i = 0; i < header->ncmds; i++, cur += cur_seg_cmd->cmdsize) {
        cur_seg_cmd = (segment_command_t *)cur;
        if (cur_seg_cmd->cmd == LC_SEGMENT_ARCH_DEPENDENT) {
            if (strcmp(cur_seg_cmd->segname, SEG_LINKEDIT) == 0) {
                linkedit_segment = cur_seg_cmd;
            }
        } else if (cur_seg_cmd->cmd == LC_SYMTAB) {
            symtab_cmd = (struct symtab_command*)cur_seg_cmd;
        } else if (cur_seg_cmd->cmd == LC_DYSYMTAB) {
            dysymtab_cmd = (struct dysymtab_command*)cur_seg_cmd;
        }
    }

    ...
}

这部分的代码主要功能是从镜像中查找 linkedit_segment symtab_command 和 dysymtab_command；在开始查找之前，要先跳过 mach_header_t 长度的位置，然后将当前指针强转成 segment_command_t，通过对比 cmd 的值，来找到需要的 segment_command_t。

在查找了几个关键的 segment 之后，我们可以根据几个 segment 获取对应表的内存地址：

static void rebind_symbols_for_image(struct rebindings_entry *rebindings, const struct mach_header *header, intptr_t slide) {  
    ...

    uintptr_t linkedit_base = (uintptr_t)slide + linkedit_segment->vmaddr - linkedit_segment->fileoff;
    nlist_t *symtab = (nlist_t *)(linkedit_base + symtab_cmd->symoff);
    char *strtab = (char *)(linkedit_base + symtab_cmd->stroff);

    uint32_t *indirect_symtab = (uint32_t *)(linkedit_base + dysymtab_cmd->indirectsymoff);

    ...
}

在 linkedit_segment 结构体中获得其虚拟地址以及文件偏移量，然后通过一下公式来计算当前 __LINKEDIT 段的位置：

slide + vmaffr - fileoff

类似地，在 symtab_command 中获取符号表偏移量和字符串表偏移量，从 dysymtab_command中获取间接符号表（indirect symbol table）偏移量，就能够获得符号表、字符串表以及间接符号表的引用了。

• 间接符号表中的元素都是 uint32_t *，指针的值是对应条目 n_list 在符号表中的位置
• 符号表中的元素都是 nlist_t 结构体，其中包含了当前符号在字符串表中的下标

  struct nlist_64 {
      union {
          uint32_t  n_strx; /* index into the string table */
      } n_un;
      uint8_t n_type;        /* type flag, see below */
      uint8_t n_sect;        /* section number or NO_SECT */
      uint16_t n_desc;       /* see <mach-o/stab.h> */
      uint64_t n_value;      /* value of this symbol (or stab offset) */
  };

• 字符串表中的元素是 char 字符

该函数的最后一部分就开启了遍历模式，查找整个镜像中的 SECTION_TYPE 为 S_LAZY_SYMBOL_POINTERS 或者 S_NON_LAZY_SYMBOL_POINTERS 的 section，然后调用下一个函数 perform_rebinding_with_section 来对 section 中的符号进行处理：

static void perform_rebinding_with_section(struct rebindings_entry *rebindings, section_t *section, intptr_t slide, nlist_t *symtab, char *strtab, uint32_t *indirect_symtab) {  
    uint32_t *indirect_symbol_indices = indirect_symtab + section->reserved1;
    void **indirect_symbol_bindings = (void **)((uintptr_t)slide + section->addr);
    for (uint i = 0; i < section->size / sizeof(void *); i++) {
        uint32_t symtab_index = indirect_symbol_indices[i];
        uint32_t strtab_offset = symtab[symtab_index].n_un.n_strx;
        char *symbol_name = strtab + strtab_offset;

        struct rebindings_entry *cur = rebindings;
        while (cur) {
            for (uint j = 0; j < cur->rebindings_nel; j++) {
                if (strcmp(&symbol_name[1], cur->rebindings[j].name) == 0) {
                    if (cur->rebindings[j].replaced != NULL &&
                        indirect_symbol_bindings[i] != cur->rebindings[j].replacement) {
                        *(cur->rebindings[j].replaced) = indirect_symbol_bindings[i];
                    }
                    indirect_symbol_bindings[i] = cur->rebindings[j].replacement;
                    goto symbol_loop;
                }
            }
            cur = cur->next;
        }
    symbol_loop:;
    }
}

该函数的实现的核心内容就是将符号表中的 symbol_name 与 rebinding 中的名字 name 进行比较，如果出现了匹配，就会将原函数的实现传入 origian_open 函数指针的地址，并使用新的函数实现 new_open 代替原实现：

if (cur->rebindings[j].replaced != NULL &&  
    indirect_symbol_bindings[i] != cur->rebindings[j].replacement) {
    *(cur->rebindings[j].replaced) = indirect_symbol_bindings[i]; // 将原函数的实现传入 original_open 函数指针的地址
}
indirect_symbol_bindings[i] = cur->rebindings[j].replacement; // 使用新的函数实现 new_open 替换原实现

如果你理解了上面的实现代码，该函数的其它代码就很好理解了：

1. 通过 indirect_symtab + section->reserved1 获取 indirect_symbol_indices *，也就是符号表的数组
2. 通过 (void **)((uintptr_t)slide + section->addr) 获取函数指针列表 indirect_symbol_bindings
3. 遍历符号表数组 indirect_symbol_indices * 中的所有符号表中，获取其中的符号表索引 symtab_index
4. 通过符号表索引 symtab_index 获取符号表中某一个 n_list 结构体，得到字符串表中的索引 symtab[symtab_index].n_un.n_strx
5. 最后在字符串表中获得符号的名字 char *symbol_name

到这里比较前的准备工作就完成了，剩下的代码会遍历整个 rebindings_entry 数组，在其中查找匹配的符号，完成函数实现的替换：

while (cur) {  
    for (uint j = 0; j < cur->rebindings_nel; j++) {
        if (strcmp(&symbol_name[1], cur->rebindings[j].name) == 0) {
            if (cur->rebindings[j].replaced != NULL &&
                indirect_symbol_bindings[i] != cur->rebindings[j].replacement) {
                *(cur->rebindings[j].replaced) = indirect_symbol_bindings[i];
            }
            indirect_symbol_bindings[i] = cur->rebindings[j].replacement;
            goto symbol_loop;
        }
    }
    cur = cur->next;
}

在之后对某一函数的调用（例如 open），当查找其函数实现时，都会查找到 new_open 的函数指针；在 new_open 调用 origianl_open 时，同样也会执行原有的函数实现，因为我们通过 *(cur->rebindings[j].replaced) = indirect_symbol_bindings[i] 将原函数实现绑定到了新的函数指针上。

实验

fishhook 在 dyld 加载镜像时，插入了一个回调函数，交换了原有函数的实现；但是 fishhook 能否修改非动态链接库，比如开发人员自己手写的函数呢？我们可以做一个非常简单的小实验，下面是我们的 main.m 文件：

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "fishhook.h"

void hello() {  
    printf("hello\n");
}

static void (*original_hello)();

void new_hello() {  
    printf("New_hello\n");
    original_hello();
}

int main(int argc, const char * argv[]) {  
    @autoreleasepool {
        struct rebinding open_rebinding = { "hello", new_hello, (void *)&original_hello };
        rebind_symbols((struct rebinding[1]){open_rebinding}, 1);
        hello();
    }
    return 0;
}

这里的函数实现非常的简单，相信也不需要笔者过多解释了，我们直接运行这份代码：

代码中只打印了 hello，说明 fishhook 对这种手写的函数是没有作用的，如果在下面这里打一个断点：

代码并不会进这里，因为 hello 这个函数并不在任何的镜像中存在，这也符合在最开始我们研究 dyld 时得出的结论：

dyld 只负责将一些需要动态链接的库加载进来，比如说 C 语言标准库，或者 Foundation 这些 ObjC 提供的库；而我们自己在程序中写的代码是不会通过 dyld 进行加载的，也就无法修改其实现。

小结

fishhook 的实现非常的巧妙，但是它的使用也有一定的局限性，在接触到 fishhook 之前，从没有想到过可以通过一种方式修改 C 函数的实现，在笔者的印象中，C 语言作为静态语言，在运行时就很难改变其中的任何东西了，但是 fishhook 确实给我上了非常生动的一课 — 原来 C 语言还可以这么玩。

Reference

• Mach-O 可执行文件
• Static linking vs dynamic linking

其它

main.m

ation/Foundation.h>

#import "fishhook.h"

static int (*original_open)(const char *, int, ...);

int new_open(const char *path, int oflag, ...) {  
    va_list ap = {0};
    mode_t mode = 0;

    if ((oflag & O_CREAT) != 0) {
        // mode only applies to O_CREAT
        va_start(ap, oflag);
        mode = va_arg(ap, int);
        va_end(ap);
        printf("Calling real open('%s', %d, %d)\n", path, oflag, mode);
        return original_open(path, oflag, mode);