【深入理解计算机系统实验笔记】| Bomb Lab

我阅读 CSAPP 的速度非常慢,因为希望自己能够真正「深入理解」操作系统。这周末,我终于磕磕绊绊地完成了 Bomb Lab,实验过程中主要涉及到阅读汇编代码和 GDB 调试器的使用,还有就是需要一点耐心去分析汇编。

实验目标

Bomb Lab 的实验目标主要是要求对一个二进制文件进行逆向工程。这个二进制文件名叫 bomb,要求你输入七个密码,如果输入不符合要求的话,「炸弹」就会被引爆。所以目标就是要求通过分析二进制文件的汇编代码来得到这七个密码。

对获得 bomb 的汇编表示,我们需要使用 objdump 工具执行一条简单的命令:

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objdump -d bomb > bomb.s

点开 bomb.s 乍一看会被吓到,什么鬼!但仔细分析会发现一些线索,比如程序的起点main函数:

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0000000000400da0 <main>:

分析 main 的内容我们可以敏锐地发现「拆弹」密码对应的函数:

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400e32: e8 67 06 00 00 callq 40149e <read_line>
400e37: 48 89 c7 mov %rax,%rdi
400e3a: e8 a1 00 00 00 callq 400ee0 <phase_1>
400e3f: e8 80 07 00 00 callq 4015c4 <phase_defused>
400e44: bf a8 23 40 00 mov $0x4023a8,%edi
400e49: e8 c2 fc ff ff callq 400b10 <puts@plt>
400e4e: e8 4b 06 00 00 callq 40149e <read_line>
400e53: 48 89 c7 mov %rax,%rdi
400e56: e8 a1 00 00 00 callq 400efc <phase_2>
400e5b: e8 64 07 00 00 callq 4015c4 <phase_defused>
400e60: bf ed 22 40 00 mov $0x4022ed,%edi
400e65: e8 a6 fc ff ff callq 400b10 <puts@plt>
400e6a: e8 2f 06 00 00 callq 40149e <read_line>
400e6f: 48 89 c7 mov %rax,%rdi
400e72: e8 cc 00 00 00 callq 400f43 <phase_3>
400e77: e8 48 07 00 00 callq 4015c4 <phase_defused>
400e7c: bf 0b 23 40 00 mov $0x40230b,%edi
400e81: e8 8a fc ff ff callq 400b10 <puts@plt>
400e86: e8 13 06 00 00 callq 40149e <read_line>
400e8b: 48 89 c7 mov %rax,%rdi
400e8e: e8 79 01 00 00 callq 40100c <phase_4>
400e93: e8 2c 07 00 00 callq 4015c4 <phase_defused>
400e98: bf d8 23 40 00 mov $0x4023d8,%edi
400e9d: e8 6e fc ff ff callq 400b10 <puts@plt>
400ea2: e8 f7 05 00 00 callq 40149e <read_line>
400ea7: 48 89 c7 mov %rax,%rdi
400eaa: e8 b3 01 00 00 callq 401062 <phase_5>
400eaf: e8 10 07 00 00 callq 4015c4 <phase_defused>
400eb4: bf 1a 23 40 00 mov $0x40231a,%edi
400eb9: e8 52 fc ff ff callq 400b10 <puts@plt>
400ebe: e8 db 05 00 00 callq 40149e <read_line>
400ec3: 48 89 c7 mov %rax,%rdi
400ec6: e8 29 02 00 00 callq 4010f4 <phase_6>
400ecb: e8 f4 06 00 00 callq 4015c4 <phase_defused>
400ed0: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
400ed5: 5b pop %rbx

6 个密码分别对应了 phase_1phase_6,这样,我们的目标就可以具体到分析这些函数。

关卡 1

phase_1 的汇编代码很简单:

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0000000000400ee0 <phase_1>:
400ee0: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp
400ee4: be 00 24 40 00 mov $0x402400,%esi
400ee9: e8 4a 04 00 00 callq 401338 <strings_not_equal>
400eee: 85 c0 test %eax,%eax
400ef0: 74 05 je 400ef7 <phase_1+0x17>
400ef2: e8 43 05 00 00 callq 40143a <explode_bomb>
400ef7: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp
400efb: c3 retq

这段函数的功能很直接:将读入的字符串和「密码」比较,如果两个字符串不相同,那么就引爆。比较字符串是否相等,也可以从调用 strings_not_equal 看出来。在汇编中使用了一个神奇的地址mov $0x402400,%esi,所以我们使用 GDB 查看这个地址中的内容。

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再次运行程序,并且输入密码试试看:

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成功!

关卡 2

phase_2 的汇编代码比前一个稍长:

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0000000000400efc <phase_2>:
400efc: 55 push %rbp
400efd: 53 push %rbx
400efe: 48 83 ec 28 sub $0x28,%rsp
400f02: 48 89 e6 mov %rsp,%rsi
400f05: e8 52 05 00 00 callq 40145c <read_six_numbers>
400f0a: 83 3c 24 01 cmpl $0x1,(%rsp)
400f0e: 74 20 je 400f30 <phase_2+0x34>
400f10: e8 25 05 00 00 callq 40143a <explode_bomb>
400f15: eb 19 jmp 400f30 <phase_2+0x34>
400f17: 8b 43 fc mov -0x4(%rbx),%eax
400f1a: 01 c0 add %eax,%eax
400f1c: 39 03 cmp %eax,(%rbx)
400f1e: 74 05 je 400f25 <phase_2+0x29>
400f20: e8 15 05 00 00 callq 40143a <explode_bomb>
400f25: 48 83 c3 04 add $0x4,%rbx
400f29: 48 39 eb cmp %rbp,%rbx
400f2c: 75 e9 jne 400f17 <phase_2+0x1b>
400f2e: eb 0c jmp 400f3c <phase_2+0x40>
400f30: 48 8d 5c 24 04 lea 0x4(%rsp),%rbx
400f35: 48 8d 6c 24 18 lea 0x18(%rsp),%rbp
400f3a: eb db jmp 400f17 <phase_2+0x1b>
400f3c: 48 83 c4 28 add $0x28,%rsp
400f40: 5b pop %rbx
400f41: 5d pop %rbp
400f42: c3 retq

其中 callq 40145c <read_six_numbers> 表明函数要求用户读入六个数字,并存放在栈中。下几行很关键:

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400f0a: 83 3c 24 01 cmpl $0x1,(%rsp)
400f0e: 74 20 je 400f30 <phase_2+0x34>
400f10: e8 25 05 00 00 callq 40143a <explode_bomb>

在读取 6 个数字之后,会拿第一个数字和 1 进行比较,如果不相等,那么就引爆炸弹,所以我们可以确定第一个数字一定是 1。

下面几行在一个循环中被执行,意思是从栈中某位置取出一个数,和自身相加,并判断是否和下一个数字相等,也就是相当于判断 s[i] + s[i] == s[i + 1]

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400f17: 8b 43 fc mov -0x4(%rbx),%eax
400f1a: 01 c0 add %eax,%eax
400f1c: 39 03 cmp %eax,(%rbx)
400f1e: 74 05 je 400f25 <phase_2+0x29>
400f20: e8 15 05 00 00 callq 40143a <explode_bomb>

现在我们就可以知道这 6 个数字从 1 开始,下一个是前一个的两倍:1, 2, 4, 8, 16, 32。我们输入试试:

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关卡 3

phase_3 的开头表示我们调用了 sscanf 函数解析输入,如果输入参数的个数小于 1则引爆。

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0000000000400f43 <phase_3>:
400f43: 48 83 ec 18 sub $0x18,%rsp
400f47: 48 8d 4c 24 0c lea 0xc(%rsp),%rcx
400f4c: 48 8d 54 24 08 lea 0x8(%rsp),%rdx
400f51: be cf 25 40 00 mov $0x4025cf,%esi
400f56: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
400f5b: e8 90 fc ff ff callq 400bf0 <__isoc99_sscanf@plt>
400f60: 83 f8 01 cmp $0x1,%eax
400f63: 7f 05 jg 400f6a <phase_3+0x27>
400f65: e8 d0 04 00 00 callq 40143a <explode_bomb>

那么我们应该输入什么呢?注意到解析输入之前,用到了一个地址 0x4025cf,我们查看他的内容:

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所以我们输入的应该是两个整数。

下面两行表示我们输入的第一个数不可以大于 7,否则会跳转到引爆点:

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400f6a: 83 7c 24 08 07 cmpl $0x7,0x8(%rsp)
400f6f: 77 3c ja 400fad <phase_3+0x6a>

接下来是一连串的跳转,根据我们输入的第一个值决定跳转位置:

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400f71: 8b 44 24 08 mov 0x8(%rsp),%eax
400f75: ff 24 c5 70 24 40 00 jmpq *0x402470(,%rax,8)
400f7c: b8 cf 00 00 00 mov $0xcf,%eax
400f81: eb 3b jmp 400fbe <phase_3+0x7b>
400f83: b8 c3 02 00 00 mov $0x2c3,%eax
400f88: eb 34 jmp 400fbe <phase_3+0x7b>
400f8a: b8 00 01 00 00 mov $0x100,%eax
400f8f: eb 2d jmp 400fbe <phase_3+0x7b>
400f91: b8 85 01 00 00 mov $0x185,%eax
400f96: eb 26 jmp 400fbe <phase_3+0x7b>
400f98: b8 ce 00 00 00 mov $0xce,%eax
400f9d: eb 1f jmp 400fbe <phase_3+0x7b>
400f9f: b8 aa 02 00 00 mov $0x2aa,%eax
400fa4: eb 18 jmp 400fbe <phase_3+0x7b>
400fa6: b8 47 01 00 00 mov $0x147,%eax
400fab: eb 11 jmp 400fbe <phase_3+0x7b>
400fad: e8 88 04 00 00 callq 40143a <explode_bomb>
400fb2: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
400fb7: eb 05 jmp 400fbe <phase_3+0x7b>
400fb9: b8 37 01 00 00 mov $0x137,%eax
400fbe: 3b 44 24 0c cmp 0xc(%rsp),%eax
400fc2: 74 05 je 400fc9 <phase_3+0x86>

这上面这段代码里,根据第一个值决定跳转位置的代码非常明显:jmpq *0x402470(,%rax,8)。我们可以使用 GDB 在查看跳转表的内容:

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这样我们就得到了跳转表:

目标值
0 207
1 311
2 707
3 256
4 389
5 206
6 682
7 327

也就是所,上表中的任意一对值都可以接触炸弹。

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关卡 4

关卡 4 开头的套路和关卡 3 一样,首先调用 sscanf 读入值,如果参数个数不为 2,则引爆。

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40100c: 48 83 ec 18 sub $0x18,%rsp
401010: 48 8d 4c 24 0c lea 0xc(%rsp),%rcx
401015: 48 8d 54 24 08 lea 0x8(%rsp),%rdx
40101a: be cf 25 40 00 mov $0x4025cf,%esi
40101f: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
401024: e8 c7 fb ff ff callq 400bf0 <__isoc99_sscanf@plt>
401029: 83 f8 02 cmp $0x2,%eax
40102c: 75 07 jne 401035 <phase_4+0x29>

我们查看在 0x4025cf 保存的输入格式要求:

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可以看到我们需要输入两个整数。

接下来要求第一个参数小于 14,第二个参数是0, 并把14、x、0作为参数传入 fun4,要求 fun4 返回0在经过仔细推导之后,我发现,当答案为 7、0时,可以成功返回 0。

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关卡 5

关卡 5 要求我们输入一个长度为 6 的字符串,否则就引爆。

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0000000000401062 <phase_5>:
401062: 53 push %rbx
401063: 48 83 ec 20 sub $0x20,%rsp
401067: 48 89 fb mov %rdi,%rbx
40106a: 64 48 8b 04 25 28 00 mov %fs:0x28,%rax
401071: 00 00
401073: 48 89 44 24 18 mov %rax,0x18(%rsp)
401078: 31 c0 xor %eax,%eax
40107a: e8 9c 02 00 00 callq 40131b <string_length>
40107f: 83 f8 06 cmp $0x6,%eax
401082: 74 4e je 4010d2 <phase_5+0x70>
401084: e8 b1 03 00 00 callq 40143a <explode_bomb>

接下来代码每次从字符串中取出一个字符,并做变换:

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40108b: 0f b6 0c 03 movzbl (%rbx,%rax,1),%ecx
40108f: 88 0c 24 mov %cl,(%rsp)
401092: 48 8b 14 24 mov (%rsp),%rdx
401096: 83 e2 0f and $0xf,%edx
401099: 0f b6 92 b0 24 40 00 movzbl 0x4024b0(%rdx),%edx
4010a0: 88 54 04 10 mov %dl,0x10(%rsp,%rax,1)
4010a4: 48 83 c0 01 add $0x1,%rax
4010a8: 48 83 f8 06 cmp $0x6,%rax
4010ac: 75 dd jne 40108b <phase_5+0x29>
4010ae: c6 44 24 16 00 movb $0x0,0x16(%rsp)

可惜我们不知道变换方法是什么,但是代码中有一个突兀的地址,我们打印地址中的内容:

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里面开头是一段奇怪的字符:”maduiersnfotvbyl”

然后,将变换后的字符串和存储在 0x40245e 的字符串作比较,判断是否相当,如果相等,最解除成功。所以我们查看目标字符串:

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在有了目标字符串后,我们现在知道了上述的字符串可以看做是一张查找表,可以得到对应关系:

0123456789abcdef
maduiersnfotvbyl

所以,我们要得到 “flyers”,就应该输入“9 f e 5 6 7”,将数字对应到 ASCII 码中的字符,可以得到“INOEFG”。

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关卡 6

关卡 6 需要仔细分析,我使用了 GDB 单步运行的方法来分析了运行过程。首先,函数要求读入 6 个数,并确认个数是否为 6。

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00000000004010f4 <phase_6>:
4010f4: 41 56 push %r14
4010f6: 41 55 push %r13
4010f8: 41 54 push %r12
4010fa: 55 push %rbp
4010fb: 53 push %rbx
4010fc: 48 83 ec 50 sub $0x50,%rsp
401100: 49 89 e5 mov %rsp,%r13
401103: 48 89 e6 mov %rsp,%rsi
401106: e8 51 03 00 00 callq 40145c <read_six_numbers>
40110b: 49 89 e6 mov %rsp,%r14
40110e: 41 bc 00 00 00 00 mov $0x0,%r12d
401114: 4c 89 ed mov %r13,%rbp
401117: 41 8b 45 00 mov 0x0(%r13),%eax
40111b: 83 e8 01 sub $0x1,%eax
40111e: 83 f8 05 cmp $0x5,%eax
401121: 76 05 jbe 401128 <phase_6+0x34>
401123: e8 12 03 00 00 callq 40143a <explode_bomb>

然后,通过双重循环,判断 6 个数之间不存在重复。

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401138: 8b 04 84 mov (%rsp,%rax,4),%eax
40113b: 39 45 00 cmp %eax,0x0(%rbp)
40113e: 75 05 jne 401145 <phase_6+0x51>
401140: e8 f5 02 00 00 callq 40143a <explode_bomb>
401145: 83 c3 01 add $0x1,%ebx
401148: 83 fb 05 cmp $0x5,%ebx
40114b: 7e e8 jle 401135 <phase_6+0x41>
40114d: 49 83 c5 04 add $0x4,%r13
401151: eb c1 jmp 401114 <phase_6+0x20>
401153: 48 8d 74 24 18 lea 0x18(%rsp),%rsi
401158: 4c 89 f0 mov %r14,%rax
40115b: b9 07 00 00 00 mov $0x7,%ecx
401160: 89 ca mov %ecx,%edx
401162: 2b 10 sub (%rax),%edx
401164: 89 10 mov %edx,(%rax)
401166: 48 83 c0 04 add $0x4,%rax
40116a: 48 39 f0 cmp %rsi,%rax
40116d: 75 f1 jne 401160 <phase_6+0x6c>
40116f: be 00 00 00 00 mov $0x0,%esi
401174: eb 21 jmp 401197 <phase_6+0xa3>
401176: 48 8b 52 08 mov 0x8(%rdx),%rdx
40117a: 83 c0 01 add $0x1,%eax
40117d: 39 c8 cmp %ecx,%eax
40117f: 75 f5 jne 401176 <phase_6+0x82>

这里有一个要细节,就是这段代码保存了和 7 的差:

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401158: 4c 89 f0 mov %r14,%rax
40115b: b9 07 00 00 00 mov $0x7,%ecx
401160: 89 ca mov %ecx,%edx

接下来的代码中,有一个奇怪的地址,我们打印它的内容:

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通过分析这个结构,我们可以看到它是一个链表,定义类似于:

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struct Node {
int value;
int index;
struct node *next;
}

接下来,代码要求由大到小获取链表中的值:

所以我们打印链表的节点值:

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从大到小排列他们的索引分别是:3 4 5 6 1 2,考虑被 7 减的操作,所以答案是:4 3 2 1 6 5

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隐藏关卡

隐藏关卡的入口在 phase_defused 中,所以,我们在函数入口设置断点,研究怎样才能进入secret_phasephase_defused 的开头统计了我们目前输入了多少个答案,如果不为 6,那么你永远都无法触发隐藏关卡。

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00000000004015c4 <phase_defused>:
4015c4: 48 83 ec 78 sub $0x78,%rsp
4015c8: 64 48 8b 04 25 28 00 mov %fs:0x28,%rax
4015cf: 00 00
4015d1: 48 89 44 24 68 mov %rax,0x68(%rsp)
4015d6: 31 c0 xor %eax,%eax
4015d8: 83 3d 81 21 20 00 06 cmpl $0x6,0x202181(%rip) # 603760 <num_input_strings>
4015df: 75 5e jne 40163f <phase_defused+0x7b>

接下来,我们分析触发 secret_phase 的代码:

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4015e1: 4c 8d 44 24 10 lea 0x10(%rsp),%r8
4015e6: 48 8d 4c 24 0c lea 0xc(%rsp),%rcx
4015eb: 48 8d 54 24 08 lea 0x8(%rsp),%rdx
4015f0: be 19 26 40 00 mov $0x402619,%esi
4015f5: bf 70 38 60 00 mov $0x603870,%edi
4015fa: e8 f1 f5 ff ff callq 400bf0 <__isoc99_sscanf@plt>
4015ff: 83 f8 03 cmp $0x3,%eax
401602: 75 31 jne 401635 <phase_defused+0x71>
401604: be 22 26 40 00 mov $0x402622,%esi
401609: 48 8d 7c 24 10 lea 0x10(%rsp),%rdi
40160e: e8 25 fd ff ff callq 401338 <strings_not_equal>
401613: 85 c0 test %eax,%eax
401615: 75 1e jne 401635 <phase_defused+0x71>
401617: bf f8 24 40 00 mov $0x4024f8,%edi
40161c: e8 ef f4 ff ff callq 400b10 <puts@plt>
401621: bf 20 25 40 00 mov $0x402520,%edi
401626: e8 e5 f4 ff ff callq 400b10 <puts@plt>
40162b: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
401630: e8 0d fc ff ff callq 401242 <secret_phase>

首先程序将三个值保存在寄存器,我们查看它们的内容:

sss

分别是7、4、3。

下面是两个特殊的地址,并且将地址指向的值作为了 sscanf 的参数。我们打印这两个特殊地址的值:

ss

现在我们可以看到,sscanf 要求的输入格式是两个整数和一个字符串,而其中的两个整数是我们在关卡 4输入的值,那么剩下的字符串应该是什么呢?

我们可以看到,剩余的代码中还有一系列地址,我们打印他们指向的内存中的值:

s

可以看到最后一个就是我们想要的字符串。我们把它加到关卡 4 的答案后面即可进入隐藏关卡。

接下来我们查看隐藏关卡的代码:

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0000000000401242 <secret_phase>:
401242: 53 push %rbx
401243: e8 56 02 00 00 callq 40149e <read_line>
401248: ba 0a 00 00 00 mov $0xa,%edx
40124d: be 00 00 00 00 mov $0x0,%esi
401252: 48 89 c7 mov %rax,%rdi
401255: e8 76 f9 ff ff callq 400bd0 <strtol@plt>
40125a: 48 89 c3 mov %rax,%rbx
40125d: 8d 40 ff lea -0x1(%rax),%eax
401260: 3d e8 03 00 00 cmp $0x3e8,%eax
401265: 76 05 jbe 40126c <secret_phase+0x2a>
401267: e8 ce 01 00 00 callq 40143a <explode_bomb>
40126c: 89 de mov %ebx,%esi
40126e: bf f0 30 60 00 mov $0x6030f0,%edi
401273: e8 8c ff ff ff callq 401204 <fun7>
401278: 83 f8 02 cmp $0x2,%eax
40127b: 74 05 je 401282 <secret_phase+0x40>
40127d: e8 b8 01 00 00 callq 40143a <explode_bomb>
401282: bf 38 24 40 00 mov $0x402438,%edi
401287: e8 84 f8 ff ff callq 400b10 <puts@plt>
40128c: e8 33 03 00 00 callq 4015c4 <phase_defused>
401291: 5b pop %rbx
401292: c3 retq

代码首先读入一个字符串,然后调用 strtol 将它转换成 10 进制数,并和 0x3e8(也就是 1000)比较,如果大于1000,则引爆;否则,调用 fun7fun7的参数是一个地址和一个数。如果 fun7 的返回值等于 2,则拆弹成功。

我们看看 fun7 做了什么。

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0000000000401204 <fun7>:
401204: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp
401208: 48 85 ff test %rdi,%rdi
40120b: 74 2b je 401238 <fun7+0x34>
40120d: 8b 17 mov (%rdi),%edx
40120f: 39 f2 cmp %esi,%edx
401211: 7e 0d jle 401220 <fun7+0x1c>
401213: 48 8b 7f 08 mov 0x8(%rdi),%rdi
401217: e8 e8 ff ff ff callq 401204 <fun7>
40121c: 01 c0 add %eax,%eax
40121e: eb 1d jmp 40123d <fun7+0x39>
401220: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
401225: 39 f2 cmp %esi,%edx
401227: 74 14 je 40123d <fun7+0x39>
401229: 48 8b 7f 10 mov 0x10(%rdi),%rdi
40122d: e8 d2 ff ff ff callq 401204 <fun7>
401232: 8d 44 00 01 lea 0x1(%rax,%rax,1),%eax
401236: eb 05 jmp 40123d <fun7+0x39>
401238: b8 ff ff ff ff mov $0xffffffff,%eax
40123d: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp
401241: c3 retq

fun7 是一个递归函数,它的 C 语言版本为:

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// %rdi 为 &x, %esi 为 y
int fun7(int *x, int y) {
if (x == NULL)
return -1;
int ret = 0;
if (*x < y) {
ret = fun7(x + 0x10, y);
ret = ret * 2 + 1;
} else if (*x == y) {
return 0;
} else {
ret = fun7(x + 0x8, y);
ret *= 2;
}
}

为了让 fun7 返回 2,需要递归三层:

2 = 2 1
1 = 2
0 + 1
0 = 0

我们让 0x6030f0 + 0x08 + 0x10 = 0x603108,访问这个地址,我们得到 0x16(十进制为 22)。

su

终于,解决了隐藏关卡!

总结

这个实验耗费了我将近 4 天的时间,期间我无数次有过摔电脑的冲动。不过完成之后,我还是获得了慢慢的成就感,加深了对汇编语言的认识,也学习了 GDB 的使用方法。最关键的收获就是要自己冷静地分析和思考问题,相信自己可以做出来。

下一个 Lab,我来了。