CTF-All-In-One/doc/4.3_gcc_arg.md

# 4.3 GCC 编译参数解析

- [GCC](#gcc)
- [常用选择](#常用选项)
- [Address sanitizer](#address-sanitizer)
- [mcheck](#mcheck)
- [参考资料](#参考资料)


## GCC
```
$ wget -c http://www.mirrorservice.org/sites/sourceware.org/pub/gcc/releases/gcc-4.4.0/gcc-4.4.0.tar.bz2
$ tar -xjvf gcc-4.4.0.tar.bz2
$ ./configure
$ make && sudo make install
```


## 常用选项
使用 `gcc -v` 可以查看默认开启的选项：
```
$ gcc -v
Using built-in specs.
COLLECT_GCC=gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/lto-wrapper
Target: x86_64-linux-gnu
Configured with: ../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.9' --with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-5/README.Bugs --enable-languages=c,ada,c++,java,go,d,fortran,objc,obj-c++ --prefix=/usr --program-suffix=-5 --enable-shared --enable-linker-build-id --libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --libdir=/usr/lib --enable-nls --with-sysroot=/ --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-libstdcxx-time=yes --with-default-libstdcxx-abi=new --enable-gnu-unique-object --disable-vtable-verify --enable-libmpx --enable-plugin --with-system-zlib --disable-browser-plugin --enable-java-awt=gtk --enable-gtk-cairo --with-java-home=/usr/lib/jvm/java-1.5.0-gcj-5-amd64/jre --enable-java-home --with-jvm-root-dir=/usr/lib/jvm/java-1.5.0-gcj-5-amd64 --with-jvm-jar-dir=/usr/lib/jvm-exports/java-1.5.0-gcj-5-amd64 --with-arch-directory=amd64 --with-ecj-jar=/usr/share/java/eclipse-ecj.jar --enable-objc-gc --enable-multiarch --disable-werror --with-arch-32=i686 --with-abi=m64 --with-multilib-list=m32,m64,mx32 --enable-multilib --with-tune=generic --enable-checking=release --build=x86_64-linux-gnu --host=x86_64-linux-gnu --target=x86_64-linux-gnu
Thread model: posix
gcc version 5.4.0 20160609 (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.9) 
```

#### 控制标准版本的编译选项
- `-ansi`：告诉编译器遵守 C 语言的 ISO C90 标准。
- `-std=`：通过使用一个参数来设置需要的标准。
  - `c89`：支持 C89 标准。
  - `iso9899:1999`：支持 ISO C90 标准。
  - `gnu89`：支持 C89 标准。

#### 控制标准版本的常量
这些常量（#define）可以通过编译器的命令行选项来设置，或者通过源代码总的 `#define` 语句来定义。
- `__STRICT_ANSI__`：强制使用 C 语言的 ISO 标准。这个常量通过命令行选项 `-ansi` 来定义。
- `_POSIX_C_SOURCE=2`：启用由 IEEE Std1003.1 和 1003.2 标准定义的特性。
- `_BSD_SOURCE`：启用 BSD 类型的特性。
- `_GNU_SOURCE`：启用大量特性，其中包括 GNU 扩展。

#### 编译器的警告选项
- `-pedantic`：除了启用用于检查代码是否遵守 C 语言标准的选项外，还关闭了一些不被标准允许的传统 C 语言结构，并且禁用所有的 GNU 扩展。
- `-Wformat`：检查 printf 系列函数所使用的参数类型是否正确。
- `Wparentheses`：检查是否总是提供了需要的圆括号。当想要检查一个复杂结构的初始化是否按照预期进行时，这个选项就很有用。
- `Wswitch-default`：检查是否所有的 switch 语句都包含一个 default case。
- `Wunused`：检查诸如声明静态函数但没有定义、未使用的参数和丢弃返回结果等情况。
- `Wall`：启用绝大多数 gcc 的警告选项，包括所有以 -W 为前缀的选项。


## Address sanitizer
Address sanitizer 是一种用于检测内存错误的技术，GCC 从 4.8 版本开始支持了这一技术。ASan 在编译时插入额外指令到内存访问操作中，同时通过 Shadow memory 来记录和检测内存的有效性。ASan 其实只是 Sanitizer 一系列工具中的一员，其他工具比如 memory leak 检测在 LeakSanitizer 中，uninitialized memory read 检测在 MemorySanitizer 中等等。

举个例子，很明显下面这个程序存在栈溢出：
```C
#include<stdio.h>
void main() {
    int a[10] = {0};
    int b = a[11];
}
```
编译时加上参数 `-fsanitize=address`，如果使用 Makefile，则将参数加入到 CFLAGS 中：
```
$ gcc -fsanitize=address santest.c
```
然后运行：
```
$ ./a.out 
=================================================================
==9399==ERROR: AddressSanitizer: stack-buffer-overflow on address 0x7ffc03f4d64c at pc 0x565515082ad6 bp 0x7ffc03f4d5e0 sp 0x7ffc03f4d5d0
READ of size 4 at 0x7ffc03f4d64c thread T0
    #0 0x565515082ad5 in main (/home/firmy/a.out+0xad5)
    #1 0x7fb4c04c0f69 in __libc_start_main (/usr/lib/libc.so.6+0x20f69)
    #2 0x565515082899 in _start (/home/firmy/a.out+0x899)

Address 0x7ffc03f4d64c is located in stack of thread T0 at offset 76 in frame
    #0 0x565515082989 in main (/home/firmy/a.out+0x989)

  This frame has 1 object(s):
    [32, 72) 'a' <== Memory access at offset 76 overflows this variable
HINT: this may be a false positive if your program uses some custom stack unwind mechanism or swapcontext
      (longjmp and C++ exceptions *are* supported)
SUMMARY: AddressSanitizer: stack-buffer-overflow (/home/firmy/a.out+0xad5) in main
Shadow bytes around the buggy address:
  0x1000007e1a70: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  0x1000007e1a80: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  0x1000007e1a90: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  0x1000007e1aa0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  0x1000007e1ab0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
=>0x1000007e1ac0: f1 f1 f1 f1 00 00 00 00 00[f2]f2 f2 00 00 00 00
  0x1000007e1ad0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  0x1000007e1ae0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  0x1000007e1af0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  0x1000007e1b00: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  0x1000007e1b10: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
Shadow byte legend (one shadow byte represents 8 application bytes):
  Addressable:           00
  Partially addressable: 01 02 03 04 05 06 07 
  Heap left redzone:       fa
  Freed heap region:       fd
  Stack left redzone:      f1
  Stack mid redzone:       f2
  Stack right redzone:     f3
  Stack after return:      f5
  Stack use after scope:   f8
  Global redzone:          f9
  Global init order:       f6
  Poisoned by user:        f7
  Container overflow:      fc
  Array cookie:            ac
  Intra object redzone:    bb
  ASan internal:           fe
  Left alloca redzone:     ca
  Right alloca redzone:    cb
==9399==ABORTING
```
确实检测出了问题。在实战篇中，为了更好地分析软件漏洞，我们可能会经常用到这个选项。

参考：https://en.wikipedia.org/wiki/AddressSanitizer


## mcheck
利用 mcheck 可以实现堆内存的一致性状态检查。其定义在 `/usr/include/mcheck.h`，是一个 GNU 扩展函数，原型如下：
```c
#include <mcheck.h>

int mcheck(void (*abortfunc)(enum mcheck_status mstatus));
```
可以看到参数是一个函数指针，但检查到堆内存异常时，通过该指针调用 abortfunc 函数，同时传入一个 mcheck_status 类型的参数。

举个例子，下面的程序存在 double-free 的问题：
```c
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

void main() {
    char *p;
    p = malloc(1000);
    fprintf(stderr, "About to free\n");
    free(p);
    fprintf(stderr, "About to free a second time\n");
    free(p);
    fprintf(stderr, "Finish\n");
}
```
通过设置参数 `-lmcheck` 来链接 mcheck 函数：
```
$ gcc -lmcheck t_mcheck.c 
$ ./a.out 
About to free
About to free a second time
block freed twice
Aborted (core dumped)
```

还可以通过设置环境变量 `MALLOC_CHECK_` 来实现，这样就不需要重新编译程序。
```
$ gcc mcheck.c
$ #检查到错误时不作任何提示
$ MALLOC_CHECK_=0 ./a.out 
About to free
About to free a second time
Finish
$ #检查到错误时打印一条信息到标准输出
$ MALLOC_CHECK_=1 ./a.out 
About to free
About to free a second time
*** Error in `./a.out': free(): invalid pointer: 0x0000000001fb9010 ***
Finish
$ #检查到错误时直接中止程序
$ MALLOC_CHECK_=2 ./a.out 
About to free
About to free a second time
Aborted (core dumped)
```
具体参考 `man 3 mcheck` 和 `man 3 mallopt`。

glibc 还提供了 `mtrace()` 和 `muntrace()` 函数分别在程序中打开和关闭对内存分配调用进行跟踪的功能。这些函数需要与环境变量 `MALLOC_TRACE` 配合使用，该变量定义了写入跟踪信息的文件名。在被调用时，`mtrace()` 会检查是否定义了该文件，又是否可以读写该文件。如果一切正常，那么会在文件里跟踪和记录所有对 malloc 系列函数的调用。由于生成的文件不易于理解，还提供了脚本（`mtrace`）用于分析文件，并生成易于理解的汇总报告。

将上面的例子修改一下：
```c
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <mcheck.h>

void main() {
    char *p;
    
    mtrace();

    calloc(16, 16);
    fprintf(stderr, "calloc some chunks that will not be freed\n");

    p = malloc(1000);
    fprintf(stderr, "About to free\n");
    free(p);
    fprintf(stderr, "About to free a second time\n");
    free(p);
    fprintf(stderr, "Finish\n");

    muntrace();
}
```
```
$ gcc t_mtrace.c 
$ export MALLOC_TRACE=/tmp/t 
$ ./a.out 
calloc some chunks that will not be freed
About to free
About to free a second time
Finish
$ mtrace /tmp/t 
- 0x000055e427cde7b0 Free 5 was never alloc'd 0x55e425da287c

Memory not freed:
-----------------
           Address     Size     Caller
0x000055e427cde6a0    0x100  at 0x55e425da27f6
```
于是 double-free 和内存泄漏被检测出来了。


## 参考资料
- [GCC online documentation](https://gcc.gnu.org/onlinedocs/)