Swift Hook 新思路 -- 虛函數(shù)表

作者：皮拉夫大王在此 2021-03-29 07:40:32

本文的技術(shù)方案僅針對(duì)通過虛函數(shù)表調(diào)用的函數(shù)進(jìn)行 Hook，不涉及直接地址調(diào)用和objc_msgSend 的調(diào)用的情況。

摘要：業(yè)界對(duì)Swift 的 Hook 大多都需要依靠 OC 的消息轉(zhuǎn)發(fā)特性來實(shí)現(xiàn)，本文從修改 Swift 的虛函數(shù)表的角度，介紹了一種新的 Hook 思路。并以此為主線，重點(diǎn)介紹 Swift 的詳細(xì)結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用。

1. 前言

由于歷史包袱的原因，目前主流的大型APP基本都是以 Objective-C 為主要開發(fā)語言。

但是敏銳的同學(xué)應(yīng)該能發(fā)現(xiàn)，從 Swift 的 ABI 穩(wěn)定以后，各個(gè)大廠開始陸續(xù)加大對(duì) Swift 的投入。

雖然在短期內(nèi) Swift 還難以取代 Objective-C，但是其與 Objective-C 并駕齊驅(qū)的趨勢(shì)是越來越明顯，從招聘的角度就即可管中窺豹。

在過去一年的招聘過程中我們總結(jié)發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)數(shù)量的候選人只掌握 Swift 開發(fā)，對(duì)Objective-C 開發(fā)并不熟悉，而且這部分候選人大多數(shù)比較年輕。

另外，以 RealityKit 等新框架為例，其只支持 Swift 不支持 Objective-C。上述種種現(xiàn)象意味著隨著時(shí)間的推移，如果項(xiàng)目不能很好的支持 Swift 開發(fā)，那么招聘成本以及應(yīng)用創(chuàng)新等一系列問題將會(huì)凸顯出來。

因此，58 同城在 2020 年 Q4 的時(shí)候在集團(tuán)內(nèi)發(fā)起了跨部門協(xié)同項(xiàng)目，從各個(gè)層面打造 Objective-C 與 Swift 的混編生態(tài)環(huán)境——項(xiàng)目代號(hào) ”混天“。

一旦混編生態(tài)構(gòu)建完善，那么很多問題將迎刃而解。

2. 原理簡述

本文的技術(shù)方案僅針對(duì)通過虛函數(shù)表調(diào)用的函數(shù)進(jìn)行 Hook，不涉及直接地址調(diào)用和objc_msgSend 的調(diào)用的情況。

另外需要注意的是，Swift Compiler 設(shè)置為 Optimize for speed(Release默認(rèn))則TypeContext 的 VTable 的函數(shù)地址會(huì)清空。

設(shè)置為 Optimize for size 則 Swfit 可能會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯拥刂氛{(diào)用。

以上兩種配置都會(huì)造成方案失效。因此本文重點(diǎn)在介紹技術(shù)細(xì)節(jié)而非方案推廣。

如果 Swift 通過虛函數(shù)表跳表的方式來實(shí)現(xiàn)方法調(diào)用，那么可以借助修改虛函數(shù)表來實(shí)現(xiàn)方法替換。即將特定虛函數(shù)表的函數(shù)地址修改為要替換的函數(shù)地址。但是由于虛函數(shù)表不包含地址與符號(hào)的映射，我們不能像 Objective-C 那樣根據(jù)函數(shù)的名字獲取到對(duì)應(yīng)的函數(shù)地址，因此修改 Swift 的虛函數(shù)是依靠函數(shù)索引來實(shí)現(xiàn)的。

簡單理解就是將虛函數(shù)表理解為數(shù)組，假設(shè)有一個(gè) FuncTable[]，我們修改函數(shù)地址只能通過索引值來實(shí)現(xiàn)，就像 FuncTable[index] = replaceIMP 。但是這也涉及到一個(gè)問題，在版本迭代過程中我們不能保證代碼是一層不變的，因此這個(gè)版本的第 index 個(gè)函數(shù)可能是函數(shù) A，下個(gè)版本可能第 index 個(gè)函數(shù)就變成了函數(shù) B。顯然這對(duì)函數(shù)的替換會(huì)產(chǎn)生重大影響。

為此，我們通過 Swift 的 OverrideTable 來解決索引變更的問題。在 Swift 的OverrideTable 中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都記錄了當(dāng)前這個(gè)函數(shù)重寫了哪個(gè)類的哪個(gè)函數(shù)，以及重寫后函數(shù)的函數(shù)指針。

因此只要我們能獲取到 OverrideTable 也就意味著能獲取被重寫的函數(shù)指針 IMP0 以及重寫后的函數(shù)指針 IMP1。只要在 FuncTable[] 中找到 IMP0 并替換成 IMP1 即可完成方法替換。

接下來將詳細(xì)介紹Swift的函數(shù)調(diào)用、TypeContext、Metadata、VTable、OverrideTable 等細(xì)節(jié)，以及他們彼此之間有何種關(guān)聯(lián)。為了方便閱讀和理解，本文所有代碼及運(yùn)行結(jié)果，都是基于 arm64 架構(gòu)

3. Swift 的函數(shù)調(diào)用

首先我們需要了解 Swift 的函數(shù)如何調(diào)用的。與 Objective-C 不同，Swift 的函數(shù)調(diào)用存在三種方式，分別是：基于 Objective-C 的消息機(jī)制、基于虛函數(shù)表的訪問、以及直接地址調(diào)用。

▐ 3.1 Objective-C 的消息機(jī)制

首先我們需要了解在什么情況下 Swift 的函數(shù)調(diào)用是借助 Objective-C 的消息機(jī)制。如果方法通過 @objc dynamic 修飾，那么在編譯后將通過 objc_msgSend 的來調(diào)用函數(shù)。

假設(shè)有如下代碼

class MyTestClass :NSObject { 
    @objc dynamic func helloWorld() { 
        print("call helloWorld() in MyTestClass") 
    } 
} 
 
let myTest = MyTestClass.init() 
myTest.helloWorld()

編譯后其對(duì)應(yīng)的匯編為

0x1042b8824 <+120>: bl     0x1042b9578               ; type metadata accessor for SwiftDemo.MyTestClass at <compiler-generated> 
0x1042b8828 <+124>: mov    x20, x0 
0x1042b882c <+128>: bl     0x1042b8998               ; SwiftDemo.MyTestClass.__allocating_init() -> SwiftDemo.MyTestClass at ViewController.swift:22 
0x1042b8830 <+132>: stur   x0, [x29, #-0x30] 
0x1042b8834 <+136>: adrp   x8, 13 
0x1042b8838 <+140>: ldr    x9, [x8, #0x320] 
0x1042b883c <+144>: stur   x0, [x29, #-0x58] 
0x1042b8840 <+148>: mov    x1, x9 
0x1042b8844 <+152>: str    x8, [sp, #0x60] 
0x1042b8848 <+156>: bl     0x1042bce88               ; symbol stub for: objc_msgSend 
0x1042b884c <+160>: mov    w11, #0x1 
0x1042b8850 <+164>: mov    x0, x11 
0x1042b8854 <+168>: ldur   x1, [x29, #-0x48] 
0x1042b8858 <+172>: bl     0x1042bcd5c               ; symbol stub for:

從上面的匯編代碼中我們很容易看出調(diào)用了地址為0x1042bce88的objc_msgSend 函數(shù)。

▐ 3.2 虛函數(shù)表的訪問

虛函數(shù)表的訪問也是動(dòng)態(tài)調(diào)用的一種形式，只不過是通過訪問虛函數(shù)表的方式進(jìn)行調(diào)用。

假設(shè)還是上述代碼，我們將 @objc dynamic 去掉之后，并且不再繼承自 NSObject。

class MyTestClass { 
    func helloWorld() { 
        print("call helloWorld() in MyTestClass") 
    } 
} 
 
let myTest = MyTestClass.init() 
myTest.helloWorld()

匯編代碼變成了下面這樣👇

0x1026207ec <+120>: bl     0x102621548               ; type metadata accessor for SwiftDemo.MyTestClass at <compiler-generated> 
0x1026207f0 <+124>: mov    x20, x0 
0x1026207f4 <+128>: bl     0x102620984               ; SwiftDemo.MyTestClass.__allocating_init() -> SwiftDemo.MyTestClass at ViewController.swift:22 
0x1026207f8 <+132>: stur   x0, [x29, #-0x30] 
0x1026207fc <+136>: ldr    x8, [x0] 
0x102620800 <+140>: adrp   x9, 8 
0x102620804 <+144>: ldr    x9, [x9, #0x40] 
0x102620808 <+148>: ldr    x10, [x9] 
0x10262080c <+152>: and    x8, x8, x10 
0x102620810 <+156>: ldr    x8, [x8, #0x50] 
0x102620814 <+160>: mov    x20, x0 
0x102620818 <+164>: stur   x0, [x29, #-0x58] 
0x10262081c <+168>: str    x9, [sp, #0x60] 
0x102620820 <+172>: blr    x8 
0x102620824 <+176>: mov    w11, #0x1 
0x102620828 <+180>: mov    x0, x11

從上面匯編代碼可以看出，經(jīng)過編譯后最終是通過 blr 指令調(diào)用了 x8 寄存器中存儲(chǔ)的函數(shù)。至于 x8 寄存器中的數(shù)據(jù)從哪里來的，留到后面的章節(jié)闡述。

▐ 3.3 直接地址調(diào)用

假設(shè)還是上述代碼，我們?cè)賹?Build Setting 中Swift Compiler - Code Generaation -> Optimization Level 修改為 Optimize for Size[-Osize]，匯編代碼變成了下面這樣👇

0x1048c2114 <+40>:  bl     0x1048c24b8               ; type metadata accessor for SwiftDemo.MyTestClass at <compiler-generated> 
0x1048c2118 <+44>:  add    x1, sp, #0x10             ; =0x10  
0x1048c211c <+48>:  bl     0x1048c5174               ; symbol stub for: swift_initStackObject 
0x1048c2120 <+52>:  bl     0x1048c2388               ; SwiftDemo.MyTestClass.helloWorld() -> () at ViewController.swift:23 
0x1048c2124 <+56>:  adr    x0, #0xc70c               ; demangling cache variable for type metadata for Swift._ContiguousArrayStorage<Any>

這是大家就會(huì)發(fā)現(xiàn)bl 指令后跟著的是一個(gè)常量地址，并且是 SwiftDemo.MyTestClass.helloWorld() 的函數(shù)地址。

4. 思考

既然基于虛函數(shù)表的派發(fā)形式也是一種動(dòng)態(tài)調(diào)用，那么是不是以為著只要我們修改了虛函數(shù)表中的函數(shù)地址，就實(shí)現(xiàn)了函數(shù)的替換?

5. 基于 TypeContext 的方法交換

在往期文章《從 Mach-O 角度談?wù)?Swift 和 OC 的存儲(chǔ)差異》我們可以了解到在Mach-O 文件中，可以通過 __swift5_types 查找到每個(gè) Class 的ClassContextDescriptor，并且可以通過 ClassContextDescriptor 找到當(dāng)前類對(duì)應(yīng)的虛函數(shù)表，并動(dòng)態(tài)調(diào)用表中的函數(shù)。

注意：(在 Swift 中，Class/Struct/Enum 統(tǒng)稱為 Type，為了方便起見，我們?cè)谖闹刑岬降腡ypeContext 和 ClassContextDescriptor 都指的是 ClassContextDescriptor)。

首先我們來回顧下 Swift 的類的結(jié)構(gòu)描述，結(jié)構(gòu)體 ClassContextDescriptor 是 Swift 類在Section64(__TEXT,__const) 中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

struct ClassContextDescriptor{ 
    uint32_t Flag; 
    uint32_t Parent; 
    int32_t  Name; 
    int32_t  AccessFunction; 
    int32_t  FieldDescriptor; 
    int32_t  SuperclassType; 
    uint32_t MetadataNegativeSizeInWords; 
    uint32_t MetadataPositiveSizeInWords; 
    uint32_t NumImmediateMembers; 
    uint32_t NumFields; 
    uint32_t FieldOffsetVectorOffset; 
    <泛型簽名> //字節(jié)數(shù)與泛型的參數(shù)和約束數(shù)量有關(guān) 
    <MaybeAddResilientSuperclass>//有則添加4字節(jié) 
    <MaybeAddMetadataInitialization>//有則添加4*3字節(jié) 
    VTableList[]//先用4字節(jié)存儲(chǔ)offset/pointerSize，再用4字節(jié)描述數(shù)量，隨后N個(gè)4+4字節(jié)描述函數(shù)類型及函數(shù)地址。 
    OverrideTableList[]//先用4字節(jié)描述數(shù)量，隨后N個(gè)4+4+4字節(jié)描述當(dāng)前被重寫的類、被重寫的函數(shù)描述、當(dāng)前重寫函數(shù)地址。 
}

從上述結(jié)構(gòu)可以看出，ClassContextDescriptor 的長度是不固定的，不同的類 ClassContextDescriptor 的長度可能不同。那么如何才能知道當(dāng)前這個(gè)類是不是泛型?以及是否有 ResilientSuperclass、MetadataInitialization 特征?其實(shí)在前一篇文章《從Mach-O 角度談?wù)?Swift 和 OC 的存儲(chǔ)差異》中已經(jīng)做了說明，我們可以通過 Flag 的標(biāo)記位來獲取相關(guān)信息。

例如，如果 Flag 的 generic 標(biāo)記位為 1，則說明是泛型。

|  TypeFlag(16bit)  |  version(8bit) | generic(1bit) | unique(1bit) | unknow (1bi) | Kind(5bit) | 
//判斷泛型 
(Flag & 0x80) == 0x80

那么泛型簽名到底能占多少字節(jié)呢?Swift 的 GenMeta.cpp 文件中對(duì)泛型的存儲(chǔ)做了解釋，整理總結(jié)如下：

假設(shè)有泛型有paramsCount個(gè)參數(shù)，有requeireCount個(gè)約束 
 
/** 
     16B  =  4B + 4B + 2B + 2B + 2B + 2B 
     addMetadataInstantiationCache -> 4B 
     addMetadataInstantiationPattern -> 4B 
     GenericParamCount -> 2B 
     GenericRequirementCount -> 2B 
     GenericKeyArgumentCount -> 2B 
     GenericExtraArgumentCount -> 2B 
 */ 
 short pandding = (unsigned)-paramsCount & 3; 
 泛型簽名字節(jié)數(shù) = (16 + paramsCount + pandding + 3 * 4 * (requeireCount) + 4);

因此只要明確了 Flag 各個(gè)標(biāo)記位的含義以及泛型的存儲(chǔ)長度規(guī)律，那么就能計(jì)算出虛函數(shù)表 VTable 的位置以及各個(gè)函數(shù)的字節(jié)位置。

了解了泛型的布局以及 VTable 的位置，是不是就意味著能實(shí)現(xiàn)函數(shù)指針的修改了呢?答案當(dāng)然是否定的，因?yàn)?VTable 存儲(chǔ)在 __TEXT 段，__TEXT 是只讀段，我們沒辦法直接進(jìn)行修改。不過最終我們通過 remap 的方式修改代碼段，將 VTable 中的函數(shù)地址進(jìn)行了修改，然而發(fā)現(xiàn)在運(yùn)行時(shí)函數(shù)并沒有被替換為我們修改的函數(shù)。那到底是怎么一回事呢?

6. 基于 Metadata 的方法交換

上述實(shí)驗(yàn)的失敗當(dāng)然是我們的不嚴(yán)謹(jǐn)導(dǎo)致的。在項(xiàng)目一開始我們先研究的是類型存儲(chǔ)描述 TypeContext，主要是類的存儲(chǔ)描述 ClassContextDescriptor。在找到 VTable 后我們想當(dāng)然的認(rèn)為運(yùn)行時(shí) Swift 是通過訪問 ClassContextDescriptor 中的 VTable 進(jìn)行函數(shù)調(diào)用的。但是事實(shí)并不是這樣。

7. VTable 函數(shù)調(diào)用

接下來我們將回答下 Swift的函數(shù)調(diào)用 章節(jié)中提的問題，x8 寄存器的函數(shù)地址是從哪里來的。還是前文中的 Demo，我們?cè)?helloWorld() 函數(shù)調(diào)用前打斷點(diǎn)

let myTest = MyTestClass.init() 
->  myTest.helloWorld()

斷點(diǎn)停留在 0x100230ab0 處👇

0x100230aac <+132>: stur   x0, [x29, #-0x30] 
0x100230ab0 <+136>: ldr    x8, [x0] 
0x100230ab4 <+140>: ldr    x8, [x8, #0x50] 
0x100230ab8 <+144>: mov    x20, x0 
0x100230abc <+148>: str    x0, [sp, #0x58] 
0x100230ac0 <+152>: blr    x8

此時(shí) x0 寄存器中存儲(chǔ)的是 myTest 的地址 x0 = 0x0000000280d08ef0，ldr x8, [x0] 則是將 0x280d08ef0 處存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)放入 x8(注意，這里是只將 *myTest 存入 x8，而不是將 0x280d08ef0 存入 x8)。單步執(zhí)行后，通過 re read 查看各個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)后會(huì)發(fā)現(xiàn) x8 存儲(chǔ)的是 type metadata 的地址，而不是 TypeContext 的地址。

x0 = 0x0000000280d08ef0 
x1 = 0x0000000280d00234 
x2 = 0x0000000000000000 
x3 = 0x00000000000008fd 
x4 = 0x0000000000000010 
x5 = 0x000000016fbd188f 
x6 = 0x00000002801645d0 
x7 = 0x0000000000000000 
x8 = 0x000000010023e708  type metadata for SwiftDemo.MyTestClass 
x9 = 0x0000000000000003 
x10= 0x0000000280d08ef0 
x11= 0x0000000079c00000

經(jīng)過上步單步執(zhí)行后，當(dāng)前程序要做的是 ldr x8, [x8, #0x50]，即將 type metadata + 0x50 處的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到 x8。這一步就是跳表，也就是說經(jīng)過這一步后，x8 寄存器中存儲(chǔ)的就是 helloWorld() 的地址。

    0x100230aac <+132>: stur   x0, [x29, #-0x30] 
    0x100230ab0 <+136>: ldr    x8, [x0] 
->  0x100230ab4 <+140>: ldr    x8, [x8, #0x50] 
    0x100230ab8 <+144>: mov    x20, x0 
    0x100230abc <+148>: str    x0, [sp, #0x58] 
    0x100230ac0 <+152>: blr    x8

那是否真的是這樣呢?ldr x8, [x8, #0x50] 執(zhí)行后，我們?cè)俅尾榭?x8，看看寄存器中是否為函數(shù)地址👇

x0 = 0x0000000280d08ef0 
x1 = 0x0000000280d00234 
x2 = 0x0000000000000000 
x3 = 0x00000000000008fd 
x4 = 0x0000000000000010 
x5 = 0x000000016fbd188f 
x6 = 0x00000002801645d0 
x7 = 0x0000000000000000 
x8 = 0x0000000100231090  SwiftDemo`SwiftDemo.MyTestClass.helloWorld() -> () at ViewController.swift:23 
x9 = 0x0000000000000003

結(jié)果表明 x8 存儲(chǔ)的確實(shí)是 helloWorld() 的函數(shù)地址。上述實(shí)驗(yàn)表明經(jīng)過跳轉(zhuǎn)0x50 位置后，程序找到了 helloWorld() 函數(shù)地址。類的 Metadata 位于__DATA 段，是可讀寫的。其結(jié)構(gòu)如下：

struct SwiftClass { 
    NSInteger kind; 
    id superclass; 
    NSInteger reserveword1; 
    NSInteger reserveword2; 
    NSUInteger rodataPointer; 
    UInt32 classFlags; 
    UInt32 instanceAddressPoint; 
    UInt32 instanceSize; 
    UInt16 instanceAlignmentMask; 
    UInt16 runtimeReservedField; 
    UInt32 classObjectSize; 
    UInt32 classObjectAddressPoint; 
    NSInteger nominalTypeDescriptor; 
    NSInteger ivarDestroyer; 
    //func[0] 
    //func[1] 
    //func[2] 
    //func[3] 
    //func[4] 
    //func[5] 
    //func[6] 
    .... 
};

上面的代碼在經(jīng)過0x50 字節(jié)的偏移后正好位于 func[0] 的位置。因此要想動(dòng)態(tài)修改函數(shù)需要修改Metadata中的數(shù)據(jù)。

經(jīng)過試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)修改后函數(shù)確實(shí)是在運(yùn)行后發(fā)生了改變。但是這并沒有結(jié)束，因為虛函數(shù)表與消息發(fā)送有所不同，虛函數(shù)表中并沒有任何函數(shù)名和函數(shù)地址的映射，我們只能通過偏移來修改函數(shù)地址。

比如，我想修改第1個(gè)函數(shù)，那么我要找到 Meatadata，并修改 0x50 處的 8 字節(jié)數(shù)據(jù)。同理，想要修改第 2 個(gè)函數(shù)，那么我要修改 0x58 處的 8 字節(jié)數(shù)據(jù)。這就帶來一個(gè)問題，一旦函數(shù)數(shù)量或者順序發(fā)生了變更，那么都需要重新進(jìn)行修正偏移索引。

舉例說明下，假設(shè)當(dāng)前 1.0 版本的代碼為

class MyTestClass { 
    func helloWorld() { 
        print("call helloWorld() in MyTestClass") 
    } 
}

此時(shí)我們對(duì) 0x50 處的函數(shù)指針進(jìn)行了修改。當(dāng) 2.0 版本變更為如下代碼時(shí)，此時(shí)我們的偏移應(yīng)該修改為 0x58，否則我們的函數(shù)替換就發(fā)生了錯(cuò)誤。

class MyTestClass { 
    func sayhi() { 
        print("call sayhi() in MyTestClass") 
    } 
 
    func helloWorld() { 
        print("call helloWorld() in MyTestClass") 
    } 
}

為了解決虛函數(shù)變更的問題，我們需要了解下 TypeContext 與 Metadata 的關(guān)系。

8. TypeContext 與 Metadata 的關(guān)系

Metadata 結(jié)構(gòu)中的 nominalTypeDescriptor 指向了 TypeContext，也就是說當(dāng)我們獲取到 Metadata 地址后，偏移 0x40 字節(jié)就能獲取到當(dāng)前這個(gè)類對(duì)應(yīng)的 TypeContext地址。那么如何通過 TypeContext 找到 Metadata 呢?

我們還是看剛才的那個(gè) Demo，此時(shí)我們將斷點(diǎn)打到 init() 函數(shù)上，我們想了解下 MyTestClass 的 Metadata 到底是哪里來的。

->  let myTest = MyTestClass.init() 
myTest.helloWorld()

此時(shí)展開為匯編我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，程序準(zhǔn)備調(diào)用一個(gè)函數(shù)。

->  0x1040f0aa0 <+120>: bl     0x1040f16a8               ; type metadata accessor for SwiftDemo.MyTestClass at <compiler-generated> 
    0x1040f0aa4 <+124>: mov    x20, x0 
    0x1040f0aa8 <+128>: bl     0x1040f0c18               ; SwiftDemo.MyTestClass.__al

在執(zhí)行 bl 0x1040f16a8 指令之前，x0 寄存器為 0。

x0 = 0x0000000000000000

此時(shí)通過 si 單步調(diào)試就會(huì)發(fā)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)到了函數(shù) 0x1040f16a8 處，其函數(shù)指令較少，如下所示👇

SwiftDemo`type metadata accessor for MyTestClass: 
->  0x1040f16a8 <+0>:  stp    x29, x30, [sp, #-0x10]! 
    0x1040f16ac <+4>:  adrp   x8, 13 
    0x1040f16b0 <+8>:  add    x8, x8, #0x6f8            ; =0x6f8  
    0x1040f16b4 <+12>: add    x8, x8, #0x10             ; =0x10  
    0x1040f16b8 <+16>: mov    x0, x8 
    0x1040f16bc <+20>: bl     0x1040f4e68               ; symbol stub for: objc_opt_self 
    0x1040f16c0 <+24>: mov    x8, #0x0 
    0x1040f16c4 <+28>: mov    x1, x8 
    0x1040f16c8 <+32>: ldp    x29, x30, [sp], #0x10 
    0x1040f16cc <+36>: ret

在執(zhí)行 0x1040f16a8 函數(shù)執(zhí)行完后，x0 寄存器就存儲(chǔ)了 MyTestClass 的 Metadata 地址。

x0 = 0x00000001047e6708  type metadata for SwiftDemo.MyTestClass

那么這個(gè)被標(biāo)記為 type metadata accessor for SwiftDemo.MyTestClass at 的函數(shù)到底是什么?

在上文介紹的 struct ClassContextDescriptor 貌似有個(gè)成員是 AccessFunction，那這個(gè) ClassContextDescriptor 中的 AccessFunction 是不是 Metadata 的訪問函數(shù)呢?這個(gè)其實(shí)很容易驗(yàn)證。

我們?cè)俅芜\(yùn)行 Demo，此時(shí)metadata accessor 為 0x1047d96a8，繼續(xù)執(zhí)行后Metadata地址為 0x1047e6708。

x0 = 0x00000001047e6708  type metadata for SwiftDemo.MyTestClass

查看 0x1047e6708，繼續(xù)偏移 0x40 字節(jié)后可以得到 Metadata 結(jié)構(gòu)中的 nominalTypeDescriptor 地址 0x1047e6708 + 0x40 = 0x1047e6748。

查看 0x1047e6748 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為 0x1047df4a0。

(lldb) x 0x1047e6748 
0x1047e6748: a0 f4 7d 04 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00  ..}............. 
0x1047e6758: 90 90 7d 04 01 00 00 00 18 8c 7d 04 01 00 00 00  ..}.......}.....

ClassContextDescriptor 中的 AccessFunction 在第 12 字節(jié)處，因此對(duì) 0x1047df4a0 + 12 可知 AccessFunction 的位置為 0x1047df4ac。繼續(xù)查看 0x1047df4ac 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為

(lldb) x 0x1047df4ac 
0x1047df4ac: fc a1 ff ff 70 04 00 00 00 00 00 00 02 00 00 00  ....p........... 
0x1047df4bc: 0c 00 00 00 02 00 00 00 00 00 00 00 0a 00 00 00  ................

由于在 ClassContextDescriptor 中，AccessFunction 為相對(duì)地址，因此我們做一次地址計(jì)算 0x1047df4ac + 0xffffa1fc - 0x10000000 = 0x1047d96a8，與 metadata accessor 0x1047d96a8 相同，這就說明 TypeContext 是通過 AccessFunction 來獲取對(duì)應(yīng)的Metadata的地址的。

當(dāng)然，實(shí)際上也會(huì)有例外，有時(shí)編譯器會(huì)直接使用緩存的 cache Metadata 的地址，而不再通過 AccessFunction 來獲取類的 Metadata。

9. 基于 TypeContext 和 Metadata 的方法交換

在了解了 TypeContext 和 Metadata 的關(guān)系后，我們就能做一些設(shè)想了。在 Metadata中雖然存儲(chǔ)了函數(shù)的地址，但是我們并不知道函數(shù)的類型。這里的函數(shù)類型指的是函數(shù)是普通函數(shù)、初始化函數(shù)、getter、setter 等。

在 TypeContext 的 VTable 中，method 存儲(chǔ)一共是 8 字節(jié)，第一個(gè)4字節(jié)存儲(chǔ)的函數(shù)的 Flag，第二個(gè)4字節(jié)存儲(chǔ)的函數(shù)的相對(duì)地址。

struct SwiftMethod { 
    uint32_t Flag; 
    uint32_t Offset; 
};

通過 Flag 我們很容易知道是否是動(dòng)態(tài)，是否是實(shí)例方法，以及函數(shù)類型 Kind。

|  ExtraDiscriminator(16bit)  |... | Dynamic(1bit) | instanceMethod(1bit) | Kind(4bit) |

Kind 枚舉如下👇

typedef NS_ENUM(NSInteger, SwiftMethodKind) { 
    SwiftMethodKindMethod             = 0,     // method 
    SwiftMethodKindInit               = 1,     //init 
    SwiftMethodKindGetter             = 2,     // get 
    SwiftMethodKindSetter             = 3,     // set 
    SwiftMethodKindModify             = 4,     // modify 
    SwiftMethodKindRead               = 5,     // read 
};

從 Swift 的源碼中可以很明顯的看到，類重寫的函數(shù)是單獨(dú)存儲(chǔ)的，也就是有單獨(dú)的OverrideTable。

并且 OverrideTable 是存儲(chǔ)在 VTable 之后。與 VTable 中的 method 結(jié)構(gòu)不同，OverrideTable 中的函數(shù)需要 3 個(gè) 4 字節(jié)描述：

struct SwiftOverrideMethod { 
    uint32_t OverrideClass;//記錄是重寫哪個(gè)類的函數(shù)，指向TypeContext 
    uint32_t OverrideMethod;//記錄重寫哪個(gè)函數(shù)，指向SwiftMethod 
    uint32_t Method;//函數(shù)相對(duì)地址 
};

也就是說 SwiftOverrideMethod 中能夠包含兩個(gè)函數(shù)的綁定關(guān)系，這種關(guān)系與函數(shù)的編譯順序和數(shù)量無關(guān)。

如果 Method 記錄用于 Hook 的函數(shù)地址，OverrideMethod 作為被Hook的函數(shù)，那是不是就意味著無論如何改變虛函數(shù)表的順序及數(shù)量，只要 Swift 還是通過跳表的方式進(jìn)行函數(shù)調(diào)用，那么我們就無需關(guān)注函數(shù)變化了。

為了驗(yàn)證可行性，我們寫 Demo 測(cè)試一下：

class MyTestClass { 
    func helloWorld() { 
        print("call helloWorld() in MyTestClass") 
    } 
}//作為被Hook類及函數(shù) 
 
<---------------------------------------------------> 
 
class HookTestClass: MyTestClass  { 
    override func helloWorld() { 
        print("\n********** call helloWorld() in HookTestClass **********") 
        super.helloWorld() 
        print("********** call helloWorld() in HookTestClass end **********\n") 
    } 
}//通過繼承和重寫的方式進(jìn)行Hook 
 
<---------------------------------------------------> 
   
let myTest = MyTestClass.init() 
 myTest.helloWorld() 
 
 //do hook 
 print("\n------ replace MyTestClass.helloWorld() with   HookTestClass.helloWorld() -------\n") 
 
 WBOCTest.replace(HookTestClass.self); 
 
 //hook 生效 
 myTest.helloWorld()

運(yùn)行后，可以看出 helloWorld() 已經(jīng)被替換成功👇

2021-03-09 17:25:36.321318+0800 SwiftDemo[59714:5168073] _mh_execute_header = 4368482304 
call helloWorld() in MyTestClass 
 
------ replace MyTestClass.helloWorld() with HookTestClass.helloWorld() ------- 
 
 
********** call helloWorld() in HookTestClass ********** 
call helloWorld() in MyTestClass 
********** call helloWorld() in HookTestClass end **********

10. 總結(jié)

本文通過介紹 Swift 的虛函數(shù)表 Hook 思路，介紹了 Swift Mach-O 的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行時(shí)的一些調(diào)試技巧。Swift 的 Hook 方案一直是從 Objective-C 轉(zhuǎn)向 Swift 開發(fā)的同學(xué)比較感興趣的事情。我們想通過本文向大家介紹關(guān)于 Swift 更深層的一些內(nèi)容，至于方案本身也許并不是最重要的，重要的是我們希望是否能夠從中 Swift 的二進(jìn)制中找到更多的應(yīng)用場(chǎng)景。比如，Swift 的調(diào)用并不會(huì)存儲(chǔ)到 classref 中，那如何通過靜態(tài)掃描知道哪些 Swift 的類或 Struct 被調(diào)用了?其實(shí)解決方案也是隱含在本文中。

責(zé)任編輯：姜華來源： Swift 社區(qū)