简介：Linux 内核函数的热替换“撞上”函数调用约定还靠谱吗？

Linux 内核热补丁能够修复正在运行的 linux 内核，是一种维持线上稳定性不可短少的措施，当初比拟常见的比方 kpatch 和 livepatch。内核热补丁能够修复内核中正在运行的函数，用已修复的函数替换掉内核中存在问题的函数从而达到修复目标。

函数替换的思维比较简单，就是在执行旧函数时绕开它的执行逻辑而跳转到新的函数中，有一种比较简单粗犷的形式，就是将原函数的第一条指令批改为“jump 指标函数”指令，即间接跳转到新的函数以达到替换目标。

那么，问题来了，这么做靠谱吗？间接将原函数的第一条指令批改为 jump 指令，会毁坏掉原函数和它的调用者之间的寄存器上下文关系，存在安全隐患！本文会针对该问题进行摸索和验证。

安全性冲击：问题出现

对于函数调用，假如存在这样两个函数 funA 和 funB，其中 funA 调用 funB 函数，这里称 funA 为 caller（调用者），funB 为 callee（被调用者），funA 和 funB 都应用了雷同的寄存器 R，如下所示：

图 1 funA 和 funB 都应用了寄存器 R，funA 再次应用 R 时曾经被 funB 批改

因而，当 funA 再次应用到 R 的数据曾经是谬误的数据了。如果 funA 在调用 funB 前保留寄存器 R 中的数据，funB 返回后再将数据恢复到 R 中，或者 funB 先保留 R 中原有的数据，而后在返回前复原，就能够解决这类问题。

惟一的调用约定

那寄存器该由 caller 还是 callee 来保留？这就须要遵循函数的调用约定（call convention），不同的 ABI 和不同的平台，函数的调用约定是不一样的，对于 Linux 来说，它遵循的是 System V ABI 的 call convention，x86_64 平台下函数调用约定有且只有一种，调用者 caller 和被调用者 callee 须要对相应的寄存器进行保留和复原操作：

• Caller-save registers : RDI, RSI, RDX, RCX, R8, R9, RAX, R10, R11
• Callee-save registers : RBX, RBP, R12, R13, R14, R15

调用约定，gcc 它恪守了吗？

设问：当函数实现很简略，只用到了大量寄存器，那没应用到的还须要保留吗？

答案：it depends。依据编译选项决定。

家喻户晓，GCC 编译器有 -O0、-O1、-O2 和 -Ox 等编译优化选项，优化范畴和深度随 x 增大而增大（-O0 是不优化，其中隐含的意思是，它会严格遵循 ABI 中的调用约定，对所有应用的寄存器进行保留和复原）。

Linux 内核选用的都是 -O2 优化。GCC 会选择性的不恪守调用约定，也就是设问里提到的，不须要保留没应用到的寄存器。

当【运行时替换】撞见【调用约定】

GCC 之所以能够做这个优化，是因为 GCC 高屋建瓴，理解程序的执行流。当它晓得 callee，caller 的寄存器分配情况，就会大胆且平安地做各种优化。

然而，运行时替换毁坏了这个假如，GCC 所把握的 callee 信息，极有可能是谬误的。那么这些优化可能会引发重大问题。这里以一个具体的实例进行具体阐明，这是一个用户态的例子（x86_64 平台）：

//test.c 文件
// 编译命令：gcc test.c -o test -O2  (kernel 采纳的是 O2 优化选项)
// 执行过程：./test
// 输出参数：4

#include <sys/mman.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>

#define noinline __attribute__ ((noinline))  // 禁止内联

static noinline int c(int x)
{return x * x * x;}

static noinline int b(int x)
{return x;}

static noinline int newb(int x)
{return c(x * 2) * x;
}

static noinline int a(int x)
{int volatile tmp = b(x);  // tmp = 8 ** 3 * 4
        return x + tmp;           // return 4(not 8) + tmp
}

int main(void)
{
        int x;
        scanf("%d", &x);

        if (mprotect((void*)(((unsigned long)&b) & (~0xFFFF)), 15, 
                             PROT_WRITE | PROT_EXEC | PROT_READ)) {perror("mprotect");
                return 1;
        }

        /* 利用 jump 指令将函数 b 替换为 newb 函数 */
        ((char*)b)[0] = 0xe9;
        *(long*)((unsigned long)b + 1) = (unsigned long)&newb
                                         - (unsigned long)&b - 5;
        
        printf("%d", a(x));
        return 0;
}

• 程序解释：该程序是对输出的数字进行计算，运行时利用 jump 指令将程序中的函数 b 替换为 newb 函数，即，将 y = x + x 计算过程替换为 y = x + (2x) ^ 3 * x；
• 程序编译：gcc test.c -o test -O2，这里咱们采纳的是与编译内核雷同的优化选项 -O2；
• 程序执行：./test，输出参数：4，输入后果：2056；
• 程序谬误：2056 是谬误的后果，应该是 2052，而且间接调用 newb 函数编译执行的后果是 2052。

该例子阐明，间接应用 jump 指令替换函数在 -O2 的编译优化下，会呈现问题，安全性受到了质疑和冲击！！！

安全性冲击：剖析问题

上述例子中，咱们将函数 b 用 jump 指令替换为 newb 函数，在 -O2 的编译优化下呈现了计算错误的后果，因而，咱们须要对函数的调用执行过程进行仔细分析，开掘问题所在。首先，咱们先来查看一下该程序的反汇编（指令：objdump -d test），并重点关注 a、b 和 newb 函数：

图 2 -O2 编译优化的反汇编后果

汇编解释：

main:

-> 将参数 4 寄存到 edi 寄存器中

-> 调用 a 函数:

-> 调用 b 函数，间接跳转到 newb 函数：

-> 将 edi 寄存器中的值寄存到 edx 寄存器

-> edi 寄存器与本身相加后后果放入 edi

    -> 调用 c 函数：-> 将 edi 寄存器中的值存到 eax 寄存器

       -> edi 乘以 eax 后后果放入 eax

       -> edi 乘以 eax 后后果放入 eax

       -> 返回到 newb 函数

-> 将 edx 与 eax 相乘后后果放入 eax

-> 返回到 a 函数

-> 将 edi 与 eax 相加后后果放入 eax

-> 返回 main 函数

（留神：b 函数中没有对 edi 寄存器进行写操作，而且它的代码段被批改为 jump 指令跳转到 newb 函数）

数据出错的起因在于，在函数 newb 中，应用到了 a 函数中应用的 edi 寄存器，edi 寄存器中的值在 newb 函数中被批改为 8，当 newb 函数返回后，edi 的值依然是 8，a 函数持续应用了该值，因而，计算过程变为：8^3 4 + 8 = 2056，而正确的计算结果应该是 8^3 4 + 4 = 2052。

接下来不进行编译优化（-O0），其输入后果是正确的 2052，反汇编如下所示：

图 3 不进行编译优化的反汇编

从反汇编中能够看到，函数 a 在调用 b 函数前，将 edi 寄存器的值存在了栈上，调用之后，将栈上的数据再取出，最初进行相加。这就阐明，-O2 优化选项将 edi 寄存器的保留和复原操作优化掉了，而在调用约定中，edi 寄存器本就该属于 caller 进行保留 / 复原的。至于为什么编译器会进行优化，咱们此刻的猜测是：

a 函数原本调用的是 b 函数，而且编译器晓得 b 函数中没有应用到 edi 寄存器，因而调用者 a 函数没有对该寄存器进行保留和复原操作。然而编译器不晓得的是，在程序运行时，b 函数的代码段被动静批改，利用 jump 指令替换为 newb 函数，而在 newb 函数中对 edi 寄存器进行了数据读写操作，于是呈现了谬误。

这是一个典型的没有保留 caller-save 寄存器导致数据出错的场景。而编译内核采纳的也是 -O2 选项。如果将该场景利用到内核函数热替换是否会呈现这类问题呢？于是，咱们带着问题持续摸索。

安全性冲击：摸索问题

不再察看到 bug

咱们结构了一个内核函数热替换的实例，将下面的用户态的例子移植到咱们结构的场景中，通过内核模块批改原函数的代码段，用 jump 指令间接替换原来的 b 函数。然而加载模块后，后果是正确的 2052，通过反汇编咱们发现，内核中 a 函数对 edi 寄存器进行了保留操作：

图 4 内核中 a 函数的反汇编

内核和模块编译时采纳的是 -O2 优化选项，而此处 a 函数并没有被优化，依然保留了 edi 寄存器。

此时咱们预测：对于内核函数的热替换来说，应用 jump 做函数替换是平安的。

神奇的 -pg 选项

咱们猜测是否是内核编译时应用其它的编译选项导致问题不能复现。果不其然，通过摸索咱们发现内核编译应用的 -pg 选项导致问题不再复现。

通过翻阅 GCC 手册得悉，-pg 选项是为了反对 GNU 的 gprop 性能剖析工具所引入的，它能在函数中减少一条 call mount 指令，去做一些剖析工作。

在内核中，如果开启了 CONFIG_FUNCTION_TRACER，则会使能 -pg 选项。

图 5 开启 CONFIG_FUNCTION_TRACER 使能 -pg 选项

FUNCTION_TRACE 即咱们常说的 ftrace 性能，ftrace 大大晋升了内核的运行时调试能力。ftrace 性能除了 -pg 选项，还要求关上 -mfentry 选项，后者的作用是将函数对 mcount 的调用放到函数的第一条指令处，而后通 scripts/recordmcount.pl 脚本将该条 call 指令批改为 nop 指令。但 -mfentry 与本文主题没有关联，不再细说。

为了验证这个论断，咱们回到上一节的用户态例子，并且减少了 -pg 编译选项：“gcc test.c -o test -O2 -pg”，此时运行后果果然正确了。查看其反汇编：

图 6 减少 -pg 选项后的汇编

能够看到，每个函数都有 call mcount 指令，而且 a 函数中将 edi 寄存器保留到 ebx 中，在 newb 函数中又保留 ebx 寄存器。为什么在减少了 call mount 指令后，会做寄存器的保留操作？咱们猜测，会不会是因为，因为 call mount 操作相当于调用了一个未知的函数（mcount 没有定义在同一个文件中），因而，GCC 认为这样未知的操作可能会净化了寄存器的数据，所以它才进行了保留现场的操作。

于是咱们去掉了 -pg 选项，手动减少了 call mount 的行为进行验证：在另一个源文件 mcount.c 中减少一个函数 void mcount() { asm(“nop\n”); }，在 test.c 文件中减少对 mcount 函数的申明，a 函数中减少对该函数的调用：

extern void mcount();             // 申明 mcount 函数

static noinline int a(int x){int volatile tmp = b(x);  // tmp = 8 ** 3 * 4
        mcount();
        return x + tmp;           // return 4(not 8) + tmp
}

通过编译：gcc test.c mcount.c -O2 后运行，发现计算结果正确，而且反汇编中 a 函数保留了寄存器：

图 7 调用 mcount 函数后的汇编

持续验证猜测，将 mcount 函数放在 test.c 文件中，计算结果谬误，而且，反汇编中没有保留寄存器，于是咱们失去了这样的猜测论断：

• GCC 在编译某个源文件时，如果文件内的某个函数（比方场景中的函数 a）调用了其它文件中的一个未知函数（比方场景中的 mcount 函数），则 GCC 会在该函数中保留寄存器；
• 开启 -pg 选项，减少了对 mcount 的调用，因而会在函数中减少对寄存器现场的保留操作，对 -O2 选项的函数调用优化起到了屏蔽作用。

神秘的 -fipa-ra 选项：真正的幕后主使

通过咱们的摸索和材料的查阅，发现了这个 -fipa-ra 选项，能够说它是优化的幕后主使。GCC 手册中给出 -fipa-ra 选项的解释是：

Use caller save registers for allocation if those registers are not used by any called function. In that case it is not necessary to save and restore them around calls. This is only possible if called functions are part of same compilation unit as current function and they are compiled before it. Enabled at levels -O2, -O3, -Os, however the option is disabled if generated code will be instrumented for profiling (-p, or -pg) or if callee’s register usage cannot be known exactly (this happens on targets that do not expose prologues and epilogues in RTL).

这里次要是说，如果开启这个选项，那么，callee 中如果没有应用到 caller 应用的寄存器，就没有必要保留这些寄存器，前提是，callee 与 caller 在同一个编译单元中而且 callee 函数比 caller 先被编译，这样才可能呈现后面的优化。如果开启了 -O2 及以上的编译优化选项，则会使能 -fipa-ra 选项，然而，如果开启了 -p 或者 -pg 这些选项，或者，无奈明确 callee 所应用的寄存器，-fipa-ra 选项会被禁用。

这段话，其实曾经能 cover 掉咱们后面大部分猜测的测试验证：

• -O2 选项主动使能 -fipa-ra 进行优化：在咱们的场景中，函数 a 应用的 edi 寄存器，在函数 b 中没有应用到，因而函数 a 被优化，没有保留 edi 寄存器，然而在 newb 函数中，应用到了 edi 寄存器，且数据被批改，将 newb 函数替换函数 b，则计算结果出错；
• 在 -O2 中应用 -pg 选项会禁用 -fipa-ra：编译时应用 -pg 选项，计算结果是正确的，而且函数 a 保留了 edi 寄存器，阐明没有对函数 a 进行优化；
• 不在同一编译单元不会被优化：去掉 -pg 选项，在函数 a 中手动调用 mcount 函数，将这个函数放在 test.c（与函数 a 为同一编译单元）与放在另一个文件 mcount.c（不同编译单元）中的计算结果不同：同一编译单元中计算结果是谬误的，而且函数 a 没有保留寄存器现场；不在同一编译单元中，计算结果是正确的，函数 a（caller）保留了寄存器现场，因为编译器无奈明确函数 b（callee）所应用的寄存器。

notrace：它是二度冲击吗？

用过 ftrace 或者内核开发者应该对 notrace 属性不生疏，内核中有一些被 notrace 润饰的函数。notrace 其实就是给函数减少 no_instrument_function 属性。例如，在 X86 的定义：

define notrace __attribute__((no_instrument_function))

字面上来看，notrace 和 -pg 的含意能够说齐全对抗，-pg 让 jump 变得平安，是否又会在 notrace 上栽一个跟斗呢？侥幸的是，咱们接下来将看到，notrace 仅仅是禁止了 instrument function，而没有毁坏安全性。

gcc 手册中的 -pg 选项给出这样的解释：

Generate extra code to write profile information suitable for the analysis program prof (for -p) or gprof (for -pg). You must use this option when compiling the source files you want data about, and you must also use it when linking. You can use the function attribute no_instrument_function to suppress profiling of individual functions when compiling with these options.

这里次要是说，加上 notrace 属性的函数，不会产生调用 mcount 的行为，那么，是否意味着不再爱护寄存器现场，换句话说，notrace 的呈现是否会绕过“-pg 选项对 -fipa-ra 优化的屏蔽”？于是咱们又减少 notrace 属性进行验证：在 a 函数中减少 notrace 的属性，因为 a 函数是 caller，编译时开启 -pg 选项，而后查看计算结果及反汇编，最初发现，计算结果正确，而且汇编代码中保留了寄存器现场。

图 8 给 a 函数追加 notrace 属性，a 函数没有调用 mcount 的行为

咱们又对所有的函数追加了 notrace 属性，计算结果正确且寄存器现场被爱护。然而这些简略的验证不足以证实，于是咱们通过浏览 GCC 源码发现：

图 9 -pg 能禁用 -fipa_ra 选项

图 10 gcc 解决每一个函数时都会查看 -fipa-rq 选项，如果为 false，则不对函数进行优化

通过源码浏览，能够确定的是，当应用了 -pg 选项后，会禁用 -fipa-rq 优化选项，GCC 查看每一个函数的时候都会查看该选项，如果为 false，则不会对该函数进行优化。

因为 flag_ipa_ra 是一个全局选项，并不是函数粒度的，notrace 也无能为力。因而，这里能够排除对 notrace 的顾虑。

安全性保障：得出结论

通过上述的摸索剖析以及官网材料的查阅，咱们能够得出结论：

• 内核函数的热替换，利用 jump 指令间接跳转到新函数的形式是平安的；
• 论据：
• Linux 遵循的 System V ABI 中的 call conversion 在 x86-64 下有且只有一种；
• GCC -fipa-ra 选项会对 call conversion 进行优化，-O2 选项会主动使能该选项，然而 -pg 选项会禁用 -fipa-ra 优化选项；
• notrace 属性无奈绕过“-pg 禁用 -fipa-ra”。

ARM64 下的摸索验证

通过翻阅手册得悉，ARMv8 ABI 中对过程调用时通用寄存器的应用准则如下

（材料起源：https://developer.arm.com/doc…）：

Argument registers (X0-X7)

These are used to pass parameters to a function and to return a result. They can be used as scratch registers or as caller-saved register variables that can hold intermediate values within a function, between calls to other functions. The fact that 8 registers are available for passing parameters reduces the need to spill parameters to the stack when compared with AArch32.

Caller-saved temporary registers (X9-X15)

If the caller requires the values in any of these registers to be preserved across a call to another function, the caller must save the affected registers in its own stack frame. They can be modified by the called subroutine without the need to save and restore them before returning to the caller.

Callee-saved registers (X19-X29)

These registers are saved in the callee frame. They can be modified by the called subroutine as long as they are saved and restored before returning.

Registers with a special purpose (X8, X16-X18, X29, X30)

X8 is the indirect result register. This is used to pass the address location of an indirect result, for example, where a function returns a large structure.
X16 and X17 are IP0 and IP1, intra-procedure-call temporary registers. These can be used by call veneers and similar code, or as temporary registers for intermediate values between subroutine calls. They are corruptible by a function. Veneers are small pieces of code which are automatically inserted by the linker, for example when the branch target is out of range of the branch instruction.
X18 is the platform register and is reserved for the use of platform ABIs. This is an additional temporary register on platforms that don’t assign a special meaning to it.
X29 is the frame pointer register (FP).
X30 is the link register (LR).
Figure 9.1 shows the 64-bit X registers. For more information on registers, see . For information on floating-point parameters, see Floating-point parameters.

Figure 9.1. General-purpose register use in the ABI

可见，ARMv8 ABI 中对函数调用时的寄存器应用有了明确的规定。

咱们对于后面 x86-64 下的摸索验证过程在 arm64 平台下从新做了测试，雷同的代码和雷同的测试过程，得出的论断和 x86-64 下的论断是统一的，即，在 arm64 下，间接利用 jump 指令实现函数替换同样是平安的。

其它场景的探讨

其它语言不能保障其安全性

对于 C 语言而言，在不同的架构和零碎下都有固定的 ABI 和 calling conventions，然而其它的语言不能保障，比方 rust 语言，rust 本身并没有固定的 ABI，比方社区对 rust 定义 ABI 的探讨，而且 rustc 编译器的优化和 gcc 可能会有不同，因而可能也会呈现上述 caller/callee-save 寄存器的问题。

kpatch 的真面目

kpatch 利用的是 ftrace 进行函数替换的，它的原理如下所示：

图 11 kpatch 利用 ftrace 替换函数

ftrace 的次要作用是用来做 trace 的，会在函数头部或者尾部 hook 一个函数进行一些额定的解决，这些函数在运行过程中可能会净化被 trace 的函数的寄存器上下文，因而 ftrace 定义了一个 trampoline 进行寄存器的保留和复原操作（图 11 中的红框），这样从 hook 函数回来后，寄存器现场依然是原来的模样。

kpatch 用 ftrace 进行函数替换，hook 的函数是 kpatch 中的函数，该函数的作用是批改 regs 中的 ip 字段的值，也就是将新函数的地址给到了 ip 字段，等 trampoline 复原寄存器现场后，就间接跳转到新的函数函数去执行了。所以，对于 kpatch 而言，ftrace 的保留和复原现场操作爱护的是 kpatch 中批改 ip 字段函数的过程，而不是它要替换的新函数。

如果修复的是一个热函数，那么 ftrace 的 trampoline 会对性能产生肯定的影响。所以，若思考到性能的场景，那么应用 jump 指令间接替换函数能够很大的缩小额定的性能开销。

对于作者

邓二伟（扶风），2020 年就任于阿里云操作系统内核研发团队, 目前从事 linux 内核研发工作。

吴一昊（丁缓），2017 年退出阿里云操作系统团队，次要经验有资源隔离、热降级、调度器 SLI 等。

陈善佩（雏雁），高级技术专家，趣味方向包含：体系结构、调度器、虚拟化、内存治理。

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