C++实现程序的动态插桩（Instrumentation）：利用Pin/DynamoRIO等工具进行运行时代码分析

好的，没问题。

C++程序动态插桩：Pin/DynamoRIO运行时代码分析

大家好，今天我们将深入探讨C++程序动态插桩这一强大的技术。动态插桩允许我们在程序运行时插入自定义代码，用于监控、分析、调试甚至修改程序的行为。我们将重点介绍两种流行的动态插桩框架：Pin和DynamoRIO，并结合实际代码示例，讲解如何利用它们进行运行时代码分析。

什么是动态插桩？

动态插桩（Dynamic Instrumentation）是一种在程序运行时修改程序行为的技术。与静态插桩（在编译时修改）不同，动态插桩不需要重新编译程序。它通过在程序执行过程中插入额外的代码（称为instrumentation），来收集信息、进行性能分析、检测错误、甚至修改程序的行为。

动态插桩的优势：

• 非侵入性: 不需要修改源代码或重新编译程序。
• 灵活性: 可以在运行时动态地选择和修改插桩点。
• 全面性: 可以访问程序执行的完整上下文信息，包括指令、寄存器、内存等。

动态插桩的应用场景：

• 性能分析: 收集程序执行的性能数据，如函数调用次数、执行时间等，用于性能优化。
• 安全分析: 检测安全漏洞，如缓冲区溢出、代码注入等。
• 调试和故障排除: 帮助调试和定位程序中的错误。
• 代码覆盖率测试: 确定哪些代码被执行，哪些代码没有被执行，用于提高测试覆盖率。
• 动态优化: 在运行时根据程序的行为动态地优化代码。

Pin和DynamoRIO：两大动态插桩框架

Pin和DynamoRIO是两个广泛使用的动态插桩框架。它们都提供了强大的API，允许开发者编写工具来分析和修改程序的行为。

特性	Pin	DynamoRIO
开发商	Intel	MIT & HP Labs
架构支持	x86, x86-64, IA-64, ARM, AArch64	x86, x86-64, ARM, AArch64, RISC-V
操作系统支持	Linux, Windows, macOS	Linux, Windows, macOS, Android
API	C++	C, C++
许可	自有许可 (允许商业用途)	BSD 许可 (更加宽松)
优势	易于使用，文档完善，社区活跃	性能更好，更灵活，可用于构建复杂工具
劣势	性能开销相对较大，不如DynamoRIO灵活	学习曲线较陡峭，文档相对较少

选择哪个框架？

• Pin: 如果你希望快速上手，并且需要一个易于使用的框架，Pin是一个不错的选择。
• DynamoRIO: 如果你需要更高的性能，或者需要构建更复杂的工具，DynamoRIO可能更适合你。

使用Pin进行动态插桩：实例分析

我们以一个简单的C++程序为例，演示如何使用Pin进行动态插桩，并统计函数的调用次数。

1. 目标C++程序 (target.cpp):

#include <iostream>

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int multiply(int a, int b) {
    return a * b;
}

int main() {
    int x = 10, y = 5;
    std::cout << "add(x, y) = " << add(x, y) << std::endl;
    std::cout << "multiply(x, y) = " << multiply(x, y) << std::endl;
    return 0;
}

编译目标程序:

g++ target.cpp -o target

2. Pin工具代码 (count_functions.cpp):

#include "pin.H"
#include <iostream>
#include <map>

std::map<ADDRINT, std::string> functionNames;
std::map<ADDRINT, UINT64> functionCounts;

KNOB<string> KnobOutputFile(KNOB_MODE_WRITEONCE, "pintool",
    "o", "count_functions.out", "specify output file name");

// This function is called when the application loads a new image (e.g., a shared library).
VOID ImageLoad(IMG img, VOID *v) {
  for (SEC sec = IMG_SecHead(img); SEC_Valid(sec); sec = SEC_Next(sec)) {
    for (RTN rtn = SEC_RtnHead(sec); RTN_Valid(rtn); rtn = RTN_Next(rtn)) {
      //  Open the RTN.
      RTN_Open(rtn);

      //  Get the RTN name.
      string name = RTN_Name(rtn);

      // Get the RTN address.
      ADDRINT address = RTN_Address(rtn);

      functionNames[address] = name;

      // Close the RTN.
      RTN_Close(rtn);
    }
  }
}

// This function is called before every function call.
VOID docount(ADDRINT address) {
  functionCounts[address]++;
}

// Pin calls this function every time a new instruction is encountered
VOID Instruction(INS ins, VOID *v) {
    // Only instrument CALL instructions
    if (INS_IsCall(ins)) {
        //  Arguments:  IARG_BRANCH_TARGET_ADDR
        INS_InsertCall(ins, IPOINT_BEFORE, (AFUNPTR)docount, IARG_BRANCH_TARGET_ADDR, IARG_END);
    }
}

// This function is called when the application exits.
VOID Fini(INT32 code, VOID *v) {
    std::ofstream outfile(KnobOutputFile.Value().c_str());
    outfile << "Function Call Counts:" << std::endl;
    for (auto const& [address, count] : functionCounts) {
        outfile << functionNames[address] << ": " << count << std::endl;
    }
    outfile.close();
}

// This function is called when the tool is loaded.
int main(int argc, char *argv[]) {
    // Initialize PIN library.
    if (PIN_Init(argc, argv)) {
        std::cerr << "Error initializing PIN" << std::endl;
        return 1;
    }

    PIN_InitSymbols();

    // Register ImageLoad to be called when each image is loaded.
    IMG_AddInstrumentFunction(ImageLoad, 0);

    // Register Instruction to be called to instrument instructions
    INS_AddInstrumentFunction(Instruction, 0);

    // Register Fini to be called when the application exits.
    PIN_AddFiniFunction(Fini, 0);

    // Start the program.
    PIN_StartProgram();

    return 0;
}

编译Pin工具:

首先，你需要设置PIN_ROOT环境变量指向Pin的安装目录。然后，使用以下命令编译Pin工具：

make obj-intel64/count_functions.so TARGET=count_functions.cpp

运行Pin工具:

./pin -t obj-intel64/count_functions.so -- target

这将运行目标程序，并使用count_functions.so工具进行插桩。插桩结果将保存在count_functions.out文件中。

3. 分析结果:

count_functions.out文件的内容可能如下所示：

Function Call Counts:
add(int, int): 1
multiply(int, int): 1

这表明add和multiply函数都被调用了一次。

代码解释:

• PIN_Init: 初始化Pin引擎。
• IMG_AddInstrumentFunction: 注册ImageLoad函数，在每个镜像加载时调用。
• INS_AddInstrumentFunction: 注册Instruction函数，在每个指令执行前调用。
• INS_IsCall: 检查指令是否为CALL指令。
• INS_InsertCall: 在CALL指令之前插入docount函数，用于统计函数调用次数。
• RTN_Name: 获取函数名。
• RTN_Address: 获取函数地址。
• Fini: 在程序退出时调用，输出统计结果。

使用DynamoRIO进行动态插桩：实例分析

我们使用相同的C++程序，演示如何使用DynamoRIO进行动态插桩，并统计函数的调用次数。

1. 目标C++程序 (target.cpp): (与Pin示例相同)

#include <iostream>

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int multiply(int a, int b) {
    return a * b;
}

int main() {
    int x = 10, y = 5;
    std::cout << "add(x, y) = " << add(x, y) << std::endl;
    std::cout << "multiply(x, y) = " << multiply(x, y) << std::endl;
    return 0;
}

编译目标程序: (与Pin示例相同)

g++ target.cpp -o target

2. DynamoRIO工具代码 (count_functions_dr.c):

#include "dr_api.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

typedef struct _func_info_t {
    app_pc addr;
    char *name;
    size_t count;
} func_info_t;

static func_info_t *func_info_list;
static size_t func_info_count = 0;
static size_t func_info_capacity = 0;

static void
event_exit(void);

static void
bb_event(void *drcontext, void *tag, instrlist_t *bb,
         bool for_trace, bool translating);

static dr_emit_flags_t
event_instruction(void *drcontext, void *tag, instrlist_t *bb, instr_t *inst,
                  bool for_trace, bool translating, void *user_data);

static void
instrument_call(void *drcontext, instrlist_t *bb, instr_t *inst);

static void
increase_count(app_pc addr);

static void
add_function_info(app_pc addr, const char *name);

DR_EXPORT void
dr_client_main(client_id_t id, int argc, const char *argv[])
{
    dr_set_client_name("Function Counter", "http://www.example.com");

    func_info_capacity = 16;
    func_info_list = dr_global_alloc(func_info_capacity * sizeof(func_info_t));
    memset(func_info_list, 0, func_info_capacity * sizeof(func_info_t));

    dr_register_exit_event(event_exit);
    dr_hook_bb_event(bb_event);
    dr_hook_instruction_event(event_instruction);
}

static void
event_exit(void)
{
    size_t i;
    char msg[512];

    for (i = 0; i < func_info_count; ++i) {
        dr_snprintf(msg, sizeof(msg)/sizeof(msg[0]),
                    "Function %s at address %p called %zu timesn",
                    func_info_list[i].name, func_info_list[i].addr, func_info_list[i].count);
        dr_fprintf(STDERR, "%s", msg);
        dr_global_free(func_info_list[i].name, strlen(func_info_list[i].name) + 1);
    }
    dr_global_free(func_info_list, func_info_capacity * sizeof(func_info_t));
    dr_fprintf(STDERR, "Function Counter tool finished.n");
}

static void
bb_event(void *drcontext, void *tag, instrlist_t *bb,
         bool for_trace, bool translating)
{
    /* do nothing */
}

static dr_emit_flags_t
event_instruction(void *drcontext, void *tag, instrlist_t *bb, instr_t *inst,
                  bool for_trace, bool translating, void *user_data)
{
    if (instr_is_call_direct(inst) || instr_is_call_indirect(inst)) {
        instrument_call(drcontext, bb, inst);
    }
    return DR_EMIT_DEFAULT;
}

static void
instrument_call(void *drcontext, instrlist_t *bb, instr_t *inst)
{
    app_pc target = instr_get_target(inst);
    if (target == NULL) return;

    /* Check if the function is already in our list */
    size_t i;
    bool found = false;
    for (i = 0; i < func_info_count; ++i) {
        if (func_info_list[i].addr == target) {
            found = true;
            break;
        }
    }

    if (!found) {
      char buf[256];
      /* use dr_symbol_query to find the name */
      module_data_t *mod = dr_lookup_module(target);
      if (mod != NULL) {
          symbol_info_t sym;
          sym.size = sizeof(sym);
          if (dr_lookup_symbol(target, &sym)) {
              add_function_info(target, sym.name);
              dr_symbol_free(&sym);
          } else {
              dr_snprintf(buf, sizeof(buf)/sizeof(buf[0]),
                          "unknown@%p", target);
              add_function_info(target, buf);
          }
          dr_free_module_data(mod);
      } else {
          dr_snprintf(buf, sizeof(buf)/sizeof(buf[0]),
                      "unknown@%p", target);
          add_function_info(target, buf);
      }
    }

    /* Insert instrumentation to increase the call count */
    increase_count(target);
}

static void
increase_count(app_pc addr)
{
    void *drcontext = dr_get_current_drcontext();
    instrlist_t *ilist = instrlist_create(drcontext);
    instr_t *instr;

    /* Find the function in the list */
    size_t i;
    for (i = 0; i < func_info_count; ++i) {
        if (func_info_list[i].addr == addr) {
            break;
        }
    }

    /* Create the instrumentation */
    instr = INSTR_CREATE_push_imm(drcontext, OPND_CREATE_INT64(i));
    instrlist_append(ilist, instr);

    instr = INSTR_CREATE_call(drcontext, OPND_CREATE_FUNCPTR(
                                                 (void *)increase_count_internal));
    instrlist_append(ilist, instr);

    instr = INSTR_CREATE_add_sp(drcontext, OPND_CREATE_INT8(8));
    instrlist_append(ilist, instr);

    /* Insert the instrumentation before the call instruction */
    instr_t *where = instrlist_first(bb); // Insert at the beginning of the BB.
    instrlist_preinsert(bb, where, ilist);

    instrlist_destroy(drcontext, ilist);
}

static void
increase_count_internal(size_t index)
{
    func_info_list[index].count++;
}

static void
add_function_info(app_pc addr, const char *name) {
    if (func_info_count == func_info_capacity) {
        func_info_capacity *= 2;
        func_info_list = dr_global_realloc(func_info_list,
                                             func_info_capacity * sizeof(func_info_t));
    }

    func_info_t *info = &func_info_list[func_info_count];
    info->addr = addr;
    info->name = dr_global_alloc(strlen(name) + 1);
    strcpy(info->name, name);
    info->count = 0;
    func_info_count++;
}

编译DynamoRIO工具:

首先，你需要设置DYNAMORIO_HOME环境变量指向DynamoRIO的安装目录。然后，使用以下命令编译DynamoRIO工具：

mkdir build
cd build
cmake .. -DDynamoRIO_DIR=$DYNAMORIO_HOME/cmake
make

运行DynamoRIO工具:

./bin64/drrun -c ./count_functions_dr.so -- target

这将运行目标程序，并使用count_functions_dr.so工具进行插桩。插桩结果将输出到标准错误流。

3. 分析结果:

输出到标准错误流的结果可能如下所示：

Function add(int, int) at address 0x... called 1 times
Function multiply(int, int) at address 0x... called 1 times
Function Counter tool finished.

这表明add和multiply函数都被调用了一次。

代码解释:

• dr_client_main: DynamoRIO工具的入口点。
• dr_register_exit_event: 注册event_exit函数，在程序退出时调用。
• dr_hook_bb_event: 注册bb_event函数，在每个基本块执行前调用。（这里没有使用，但可以用来分析基本块）
• dr_hook_instruction_event: 注册event_instruction函数，在每个指令执行前调用。
• instr_is_call_direct 和 instr_is_call_indirect: 检查指令是否为直接或间接CALL指令。
• instrument_call: 对CALL指令进行插桩，统计函数调用次数。
• dr_insert_clean_call: 插入increase_count函数，用于增加函数调用计数器。
• dr_symbol_query: 查找函数名。
• event_exit: 在程序退出时调用，输出统计结果。

动态插桩的挑战

尽管动态插桩功能强大，但也面临一些挑战：

• 性能开销: 插桩代码会增加程序的执行时间。
• 复杂性: 编写和调试插桩工具可能很复杂。
• 兼容性: 插桩工具可能与某些程序不兼容。
• 安全性: 插桩代码可能会引入安全漏洞。

总结一下要点

我们探讨了动态插桩的概念和应用，并介绍了Pin和DynamoRIO这两个流行的动态插桩框架。通过实例分析，我们展示了如何使用这些框架来统计函数调用次数。动态插桩是一项强大的技术，可以用于各种目的，但需要谨慎使用，并注意性能开销和安全性问题。

动态插桩让运行时代码分析成为可能。Pin和DynamoRIO是两大主流框架，各有优劣。选择合适的框架并谨慎使用，可以获得强大的分析能力。

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