Heap Exploitation

堆

今天整理了一下Heap部分的一些笔记,小汇总一下

在程序运行过程中，堆可以提供动态分配的内存，允许程序申请大小未知的内存。堆是程序虚拟空间地址的一块连续的线性区域，由低地址向高地址上增长

堆题漏洞一般在delete()函数上，多半是指针未清空导致成为野指针，从而可以进行UAF等

实现堆利用的方法

• ptmalloc2 - glibc
• dlmalloc - General purpose allocator
• jemalloc - Firefox and FreeBSD
• tcmalloc - Google
• libumem - Solaris

ps:与系统交互的函数主要是(s)brk函数以及mmap,munmap函数，不是malloc或者free

malloc

malloc(size_t n)

• malloc返回对应大小字节的内存块的指针，此外，该函数对一些异常进行了处理
  • n = 0 , 返回当前系统允许的堆的最小内存块
  • 当n为负数时，由于在大多数系统上，size_t是无符号常数，所以会系统会申请很大的内存空间，但通常来说都会失败，因为系统没有那么多的内存可以分配

free

free(void* p)

• free函数会释放由p指向的内存块，这个内存块可能是通过malloc得到的，也可能是通过相关函数realloc得到的
• 对异常的处理
  • 当p为空指针时，函数不执行任何操作
  • 当p被释放后，再次释放会出现乱七八糟的效果，即double free
  • 除了被禁用mallopt的情况下，当释放很大的内存空间时，程序会将这些内存空间还给系统，以便于减小程序所使用的内存空间

(s)brk

操作系统提供了brk函数，glibc库提供了sbrk函数，我们可以通过增加brk的大小来向操作系统申请内存

• 堆的起始地址start_brk和堆的当前末尾brk指向同一地址，根据是否开启ASLR两者的具体位置会有所不同
  • 不开启ASLR：start_brk和brk会指向data/bss段的结尾
  • 开启ASLR：start_brk和brk，也会指向同一位置，只是这个位置会在data/bss段的结尾后随机偏移

chunk

• 结构其实就是header段+data段
• size_alignment = 0x10的倍数(malloc 0x18 会拿到 0x20 的大小)
• 整个memory大小为header(0x10) + data

由malloc申请的内存为chunk，这块内存在ptmalloc内部用malloc_chunk结构体表示，当程序申请的chunk被free掉后，会加入到相应的空闲管理列表

• chunk结构统一，无论大小，处于分配还是释放状态
• 根据是否被释放，表现形式会有所不同

字段	释意
prev_size	如果该chunk物理相邻的前一个地址chunk(两个指针的地址差值为前一个chunk大小)是空闲的话，那该字段记录的是前一个chunk的大小，否则记录前一个chunk(低地址chunk)的数据 P->PREV_INUSE(P):上一个chunk是否使用中 M->MMAPED(M):chunk是否通过mmap生成 NON_MAIN_AREA(N):该chunk是否不属于main area
size	chunk的大小必须是2*SIZE_SZ的整数倍；32位SIZE_SZ大小为4，64位SIZE_SZ大小为8
fd	chunk处于分配状态，fd开始是用户数据；若chunk空闲，则fd指向下一个(非物理相邻)的空闲chunk.，bk指向上一个(非物理相邻)的空闲chunk;通过fd,bk将空闲的chunk块加入到空闲的chunk块链表进行统一管理

bin

用户释放掉的chunk不会马上返回给系统，会由ptmalloc管理heap和mmap映射区域中空闲的chunk，ptmalloc管理器会挑一块适合的给用户，这样可以避免频繁的系统调用，降低内存分配的开销

根据chunk的大小和使用状态将chunk初步划分为4类：fast bins,small bins,large bins,unsorted bins

除了fast bin是单链表，其余(small bin,large bin,unsorted bin)都是双链表

堆溢出

程序向堆块中写入的字节数超过了堆块本身可使用的字节数(可利用的字节数都不小于用户申请的字节数),因而导致了数据溢出，并覆盖到物理相邻的高地址的下一个堆块

Fast Bin

• chunk的大小在32字节-128字节(0x20 - 0x80)的chunk称为fast chunk(大小为内存中struct_malloc_chunk的大小)
• Fastbin链表个数为10个
• 快速地进行小内存的分配和释放
• 单链表(使用fd指针,bk没有用到)，故fastbin中增添或者删除fast chunk都是在对链表尾进行操作
• fastbin链表的每个chunk大小相同，不同链表之间的chunk不同
• LIFO(Last In First Out)
• 被free掉的时候会将下一块chunk p设置成为0

Unsorted Bin

• 释放较小或较大的chunk时，如果系统没有将他们添加到对应的bins中，系统就会将这些chunk添加到unsorted bin中去
• 为了glibc mallc机制有第二次机会利用最近释放的chunk(第一次是fastbin)，加快内存的分配和释放，不再花费额外的时间去查找额外的chunk
• Unsortedbin链表个数为1个
• free chunks组成的循环双链表
• 对大小没有限制
• FIFO

Small Bin

• 小于1024字节(0x400)的chunk称之为small chunk，small bin用于管理small chunk
• smallbin链表个数62个
• 相邻的free chunk需要进行合并操作，合并成一个大free chunk
• 内存分配速度：fas tbin < small bin < large bin
• free chunks组成的循环双链表
• FIFO
• small bin链表中每个chunk大小相同，不同链表之间chunk大小不同
• free：small chunk free之后，会检查该chunk相邻的chunk是否free,如果是的话将进行合并操作，将这些chunks合并成为新的chunk，然后将它们从small bin中移除，最后将新的chunk添加到unsorted bin中，之后unsourted bin进行整理再添加到对应的bin链上

Large Bin

• 大小等于1024字节(0x400)的chunk称为large chunk
• largebin链表个数为63个，分为6组
• 用fd_nextsize , bk_nextsize连接起来
• 其合并类似于small bin
• 同一个largebin链表每个chunk可以不一样(从大到小排序)
• large chunk可以添加，删除在large bin中的任何一个位置

Unsorted Bin

• 双向链表(Circular doubly linked list)
• free的chunk size > fastbin时,不会直接放到对应的bin里,会先丢到Unsorted Bin
• malloc fastbin size大小时会先去fastbin list里找,若没有则会到unsorted bin找,如果找到一样大小的则回传,若无但找到大小大于所需大小的chunk则会切割回传,剩下的部分都会丢回unsorted bin,最后实在没有会从top chunk切出来回传