系统架构 - 应用程序热补丁（一）：如何用几行代码打造应用程序热补丁 - 知乎 - 《Linux/Unix系统编程》

引言
验证
- 总结
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引言

千呼万唤始出来，从今天起，《UCloud 技术大观园》系列正式开张，撒花╭(●｀∀´●)╯！

UCloud 生而为云，一直专注在云计算的泥潭里摸爬滚打，踩过数不清的坑，写过数不清的 BUG。所幸，在不断的试错中，也锤炼出一些能在江湖傍身的大杀器。这些经过千锤百炼的大杀器和宝贵的踩坑经验，一起成为今天 UCloud 的核心科技。

现在，我们将在《UCloud 技术大观园》系列里，把这些核心科技全部开放出来，毫无保留，逐一为大家讲解，哪些坑是我们已经踩过的，引以为诫，哪些是优质的技术实践经验，值得借鉴。

我们始终相信——开放，才是技术的本心。

本篇作为《UCloud 技术大观园》系列的开篇，聚焦 UCloud 应用程序热补丁技术，将介绍一种简单实用的应用程序热补丁技术。不少场景下，用该方法编写几行代码即可免重启修复应用程序 BUG！

那，我们开始吧~

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

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。
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。
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。
如图所示：

热补丁加载程序

加载程序 Loader 找到目标进程 T 的 dlopen 函数入口地址。
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。
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。
如图所示：

应用程序热补丁（一）：如何用几行代码打造应用程序热补丁 - 知乎 - 图2

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

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

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);

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);
…
}

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);
```

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;}

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

  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。

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：

/* 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，最后我们对 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，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：

(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

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。

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应用程序热补丁（一）：如何用几行代码打造应用程序热补丁 - 知乎

引言

前言

原理

热补丁

热补丁加载程序

实现

热补丁

热补丁加载程序

验证

总结

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