应用程序热补丁（一）：如何用几行代码打造应用程序热补丁

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。

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

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程序由target本身和libold.so组成，分别代码如下：

编译

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：

编译：

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：

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：

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。