C++中的动态插桩（Instrumentation）：利用Pin/DynamoRIO等工具进行运行时代码分析 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

C++ 动态插桩：Pin/DynamoRIO 工具实战

大家好，今天我们来深入探讨C++中的动态插桩技术，以及如何利用Pin和DynamoRIO这两个强大的工具进行运行时代码分析。动态插桩是一种在程序运行时修改或增强代码行为的技术，它允许我们在不修改原始程序源代码的情况下，收集程序的执行信息，进行性能分析，安全审计，以及其他各种运行时行为的监控。

1. 动态插桩的概念与应用场景

静态插桩是在编译时进行的，而动态插桩则是在程序运行过程中进行的。这意味着动态插桩可以处理静态分析无法处理的情况，例如运行时才能确定的函数调用，动态加载的库等。

动态插桩的核心思想是在目标程序的执行流中插入自定义的代码片段（称为插桩代码或Instrumentation Code），这些代码片段能够在特定事件发生时被执行，从而收集所需的信息或者修改程序的行为。

应用场景：

性能分析: 追踪函数调用次数、执行时间，识别性能瓶颈。
漏洞检测: 监控内存访问，检测缓冲区溢出、UAF (Use-After-Free) 等安全漏洞。
代码覆盖率测试: 统计哪些代码被执行，哪些代码没有被执行。
程序行为分析: 记录程序执行的路径，分析程序的控制流。
恶意代码检测: 监控程序行为，识别恶意代码的特征。
调试与逆向工程: 辅助程序调试和逆向分析。

2. Pin 和 DynamoRIO：两个主流的动态插桩框架

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，允许开发者编写插桩工具，并在目标程序运行时插入和执行这些工具。

特性	Pin	DynamoRIO
开发商	Intel	独立开源项目
支持架构	x86, x86-64, ARM, AArch64	x86, x86-64, ARM, AArch64
许可证	自己的许可证，允许商业使用	BSD
API 风格	基于回调函数，更加面向底层	基于基本块(Basic Block)，更高级抽象
文档和社区支持	官方文档完善，但社区相对较小	文档相对较少，但社区活跃
性能	通常性能开销较小，但高度依赖于插桩工具	性能开销可能较高，但优化潜力也大

选择哪个框架取决于具体的需求和偏好。 Pin 通常在需要精细控制和较低开销的情况下更受欢迎，而DynamoRIO 则在需要更高级别的抽象和快速原型设计时更合适。

3. Pin 的基本使用

3.1 Pin 工具的结构

一个 Pin 工具通常包含以下几个部分：

包含头文件: 引入 Pin 相关的头文件 pin.H。
回调函数: 定义在特定事件发生时被调用的函数，例如 Fini (程序结束时)，Instruction (每条指令执行前/后)。
插桩逻辑: 在回调函数中编写插桩代码，例如读取/修改寄存器、内存、调用外部函数等。
Pin 初始化: 调用 Pin 的 API 来初始化 Pin 环境，注册回调函数，启动目标程序。

3.2 一个简单的 Pin 工具示例：统计指令执行次数

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

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

UINT64 icount = 0;

std::ofstream OutFile;

// This function is called before every instruction is executed
VOID docount() { icount++; }

// Pin calls this function every time a new instruction is encountered
VOID Instruction(INS ins, VOID *v)
{
    INS_InsertCall(ins, IPOINT_BEFORE, (AFUNPTR)docount, IARG_END);
}

KNOB<BOOL>   KnobNoSharedLibs(KNOB_MODE_WRITEONCE, "pintool",
    "no_shared_libs", "0", "Do not load shared libs");

// This function is called when the application exits
VOID Fini(INT32 code, VOID *v)
{
    OutFile.setf(std::ios::showbase);
    OutFile << "Count " << icount << endl;
    OutFile.close();
}

// argc, argv are the entire command line, including pin -t <toolname> -- ...
int main(int argc, char * argv[])
{
    // Initialize symbol table code, needed for level 2 and 3 tools
    PIN_InitSymbols();

    // Initialize pin
    if (PIN_Init(argc, argv))
    {
        std::cerr << "ERROR: could not initialize pin" << std::endl;
        return 1;
    }

    OutFile.open(KnobOutputFile.Value().c_str());

    // 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);

    // Never returns
    PIN_StartProgram();

    return 0;
}

代码解释：

包含头文件: pin.H 是 Pin 的核心头文件。
icount 变量: 用于保存指令执行次数。
docount() 函数: 每次被调用时，icount 加 1。
Instruction() 函数: 这是一个插桩函数，它会在每条指令被发现时被 Pin 调用。
- INS_InsertCall() 用于在指令执行前插入 docount() 函数的调用。
- IPOINT_BEFORE 表示在指令执行前插入。IARG_END 表示参数列表结束。
Fini() 函数: 这是一个程序退出时被调用的函数，用于将 icount 的值写入到文件中。
main() 函数:
- PIN_Init() 初始化 Pin。
- INS_AddInstrumentFunction() 注册 Instruction() 函数，使其在每条指令被发现时被调用。
- PIN_AddFiniFunction() 注册 Fini() 函数，使其在程序退出时被调用。
- PIN_StartProgram() 启动目标程序。

编译和运行：

设置 Pin 的环境变量: 确保 PIN_ROOT 环境变量指向 Pin 的安装目录。
编译 Pin 工具: 使用 Pin 提供的 makefile 或者手动编译。
```
make obj-intel64/inscount.so
```
运行目标程序: 使用 Pin 来启动目标程序，并指定要使用的 Pin 工具。
```
pin -t obj-intel64/inscount.so -- <target_program> [target_program_args]
```

3.3 Pin 的常用 API

API	描述
`INS_AddInstrumentFunction(func, arg)`	注册一个插桩函数，使其在每条指令被发现时被调用。
`INS_InsertCall(ins, point, func, ...)`	在指令 `ins` 的指定位置 `point` 插入函数 `func` 的调用。
`IPOINT_BEFORE`	指令执行前
`IPOINT_AFTER`	指令执行后
`IARG_REG_VALUE`	传递寄存器的值作为参数
`IARG_MEMORYREAD_EA`	传递内存读取的有效地址作为参数
`IARG_MEMORYWRITE_EA`	传递内存写入的有效地址作为参数
`IARG_BRANCH_TARGET`	传递分支指令的目标地址作为参数
`REG_EAX`, `REG_RIP` 等	寄存器常量
`PIN_GetPid()`	获取目标程序的进程 ID
`IMG_AddInstrumentFunction(func, arg)`	注册一个插桩函数，使其在每个镜像（例如动态链接库）被加载时被调用。
`RTN_AddInstrumentFunction(func, arg)`	注册一个插桩函数，使其在每个例程（函数）被发现时被调用。
`RTN_Name(rtn)`	获取例程的名称

4. DynamoRIO 的基本使用

4.1 DynamoRIO 工具的结构

DynamoRIO 工具也包含回调函数和插桩逻辑，但它使用一种基于基本块（Basic Block）的抽象。基本块是指一个单入口单出口的代码序列。

包含头文件: 引入 DynamoRIO 相关的头文件 dr_api.h。
dr_init() 函数: 工具的初始化函数，在程序启动时被调用。
事件处理函数: 注册各种事件处理函数，例如 event_basic_block() (每个基本块被创建时)，event_exit() (程序退出时)。
插桩逻辑: 在事件处理函数中编写插桩代码，例如在基本块中插入指令，修改程序行为。
dr_register_exit_event() 函数: 注册程序退出事件处理函数。
dr_close() 函数: 工具的清理函数，在程序退出时被调用。

4.2 一个简单的 DynamoRIO 工具示例：统计基本块执行次数

#include "dr_api.h"
#include <iostream>
#include <fstream>

static std::ofstream OutFile;

static int bb_count = 0;

// This function is called every time a basic block is created
static dr_emit_flags_t event_basic_block(void *drcontext, void *tag, instrlist_t *bb,
                                         bool for_trace, bool translating)
{
    instr_t *instr;
    /* Insert instrumentation at the end of the basic block */
    for (instr = instrlist_first(bb); instr != NULL; instr = instr_get_next(instr)) {
        if (instr_is_app(instr)) {
            break;
        }
    }

    if (instr == NULL)
        return DR_EMIT_DEFAULT;

    /* dr_insert_clean_call 原型：
       dr_insert_clean_call(drcontext, bb, instr, (void *)function_pointer, false, num_args);
    */
    dr_insert_clean_call(drcontext, bb, instr, (void *) (void (*)(void)) [](){ bb_count++; },
                         false, 0);
    return DR_EMIT_DEFAULT;
}

static void event_exit(void)
{
    OutFile.setf(std::ios::showbase);
    OutFile << "Basic Block Count: " << bb_count << std::endl;
    OutFile.close();
    dr_unregister_exit_event(event_exit);
}

DR_EXPORT void dr_init(client_id_t id)
{
    dr_register_bb_event(event_basic_block);
    dr_register_exit_event(event_exit);

    const char *output_file_name = "bbcount.out";
    OutFile.open(output_file_name);

    if (!OutFile.is_open()) {
        dr_fprintf(STDERR, "Error opening output file %sn", output_file_name);
        dr_exit();
    }

    dr_log(NULL, DR_LOG_ALL, 1, "Basic Block Counter is runningn");
    dr_fprintf(STDERR, "Basic Block Counter is runningn");
}

代码解释：

包含头文件: dr_api.h 是 DynamoRIO 的核心头文件。
bb_count 变量: 用于保存基本块执行次数。
event_basic_block() 函数: 这是一个事件处理函数，它会在每个基本块被创建时被 DynamoRIO 调用。
- dr_insert_clean_call() 用于在基本块的末尾插入一个 "clean call"，也就是调用一个不会修改任何程序状态的函数。
- 在这里，我们插入一个 lambda 表达式，每次被调用时，bb_count 加 1。
event_exit() 函数: 这是一个程序退出时被调用的函数，用于将 bb_count 的值写入到文件中。
dr_init() 函数:
- dr_register_bb_event() 注册 event_basic_block() 函数，使其在每个基本块被创建时被调用。
- dr_register_exit_event() 注册 event_exit() 函数，使其在程序退出时被调用。

编译和运行：

设置 DynamoRIO 的环境变量: 确保 DYNAMORIO_HOME 环境变量指向 DynamoRIO 的安装目录。
编译 DynamoRIO 工具: 使用 DynamoRIO 提供的 makefile 或者手动编译。
```
cmake .
make
```
运行目标程序: 使用 DynamoRIO 来启动目标程序，并指定要使用的 DynamoRIO 工具。
```
./bin64/drrun -c bbcount.so -- <target_program> [target_program_args]
```

4.3 DynamoRIO 的常用 API

API	描述
`dr_register_bb_event(func)`	注册一个基本块事件处理函数，使其在每个基本块被创建时被调用。
`dr_insert_clean_call(drcontext, bb, instr, func, save_fpstate, num_args)`	在基本块 `bb` 中的指令 `instr` 前插入一个 "clean call"，也就是调用一个不会修改任何程序状态的函数 `func`。
`dr_get_tls_field(drcontext)`	获取线程本地存储 (TLS) 字段，用于存储每个线程的私有数据。
`dr_register_exit_event(func)`	注册一个程序退出事件处理函数，使其在程序退出时被调用。
`dr_memory_alloc(size)`	分配内存
`dr_memory_free(ptr, size)`	释放内存
`instrlist_meta_append(instrlist, instr)`	向指令列表 `instrlist` 中添加一个元指令 `instr`。
`instr_create(drcontext, opcode)`	创建一个指令

5. 高级技巧与注意事项

性能优化: 动态插桩会带来性能开销，因此需要仔细设计插桩逻辑，避免不必要的开销。
- 减少插桩代码的执行频率: 只在必要的指令或函数上进行插桩。
- 使用高效的数据结构: 避免使用低效的数据结构，例如链表。
- 避免频繁的内存分配和释放: 尽量使用预分配的内存池。
线程安全: 如果目标程序是多线程的，需要确保插桩代码是线程安全的。
- 使用锁: 使用互斥锁 (mutex) 来保护共享数据。
- 使用线程本地存储 (TLS): 为每个线程分配私有的数据存储空间。
处理异常: 插桩代码可能会引发异常，需要确保异常能够被正确处理，避免程序崩溃。
避免死锁: 在使用锁时，需要注意避免死锁。
符号解析: 在进行函数级别的插桩时，需要进行符号解析，将函数名称转换为函数地址。Pin 和 DynamoRIO 都提供了相应的 API 来进行符号解析。

6. 一个更复杂的例子：使用 Pin 进行内存访问监控

这个例子展示了如何使用 Pin 来监控目标程序的内存访问，并记录访问的地址和类型 (读/写)。

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

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

std::ofstream OutFile;

// This function is called before every memory read
VOID RecordMemRead(VOID * ip, VOID * addr)
{
    OutFile << "R " << ip << " " << addr << endl;
}

// This function is called before every memory write
VOID RecordMemWrite(VOID * ip, VOID * addr)
{
    OutFile << "W " << ip << " " << addr << endl;
}

// Pin calls this function every time a new instruction is encountered
VOID Instruction(INS ins, VOID *v)
{
    // Instruments memory reads
    if (INS_IsMemoryRead(ins))
    {
        INS_InsertCall(ins, IPOINT_BEFORE, (AFUNPTR)RecordMemRead,
                       IARG_INST_PTR,
                       IARG_MEMORYREAD_EA,
                       IARG_END);
    }

    // Instruments memory writes
    if (INS_IsMemoryWrite(ins))
    {
        INS_InsertCall(ins, IPOINT_BEFORE, (AFUNPTR)RecordMemWrite,
                       IARG_INST_PTR,
                       IARG_MEMORYWRITE_EA,
                       IARG_END);
    }
}

// This function is called when the application exits
VOID Fini(INT32 code, VOID *v)
{
    OutFile.close();
}

// argc, argv are the entire command line, including pin -t <toolname> -- ...
int main(int argc, char * argv[])
{
    // Initialize pin
    if (PIN_Init(argc, argv))
    {
        std::cerr << "ERROR: could not initialize pin" << std::endl;
        return 1;
    }

    OutFile.open(KnobOutputFile.Value().c_str());

    // 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);

    // Never returns
    PIN_StartProgram();

    return 0;
}

代码解释：

RecordMemRead() 和 RecordMemWrite() 函数: 分别记录内存读取和写入的地址。
Instruction() 函数:
- INS_IsMemoryRead() 和 INS_IsMemoryWrite() 判断指令是否是内存读取或写入指令。
- IARG_INST_PTR 传递指令的地址作为参数。
- IARG_MEMORYREAD_EA 和 IARG_MEMORYWRITE_EA 分别传递内存读取和写入的有效地址作为参数。

7. 动态插桩的局限性

动态插桩技术虽然强大，但也存在一些局限性：

性能开销: 动态插桩会带来性能开销，尤其是在需要频繁进行插桩的情况下。
复杂性: 编写和调试插桩工具需要一定的经验和技巧。
兼容性: 插桩工具可能会与目标程序或其他工具产生冲突。
安全性: 插桩工具可能会被恶意利用，例如用于窃取敏感信息或篡改程序行为。

8. 工具选择与适用场景

工具	适用场景	优点	缺点
Pin	需要精细控制，性能要求高，对底层细节有较高要求的场景，例如性能分析，漏洞检测。	性能开销通常较小，API 更加面向底层，文档完善。	社区相对较小，学习曲线较陡峭。
DynamoRIO	需要更高级别的抽象，快速原型设计，例如程序行为分析，代码覆盖率测试。	API 更加高级，易于使用，社区活跃，支持动态代码生成和修改。	性能开销可能较高，文档相对较少。

9. 进一步学习的资源

Pin 官方网站: https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/articles/pin-a-dynamic-binary-instrumentation-tool.html
DynamoRIO 官方网站: https://dynamorio.org/
Pin 和 DynamoRIO 的示例代码: Pin 和 DynamoRIO 的安装目录中都包含大量的示例代码，可以作为学习的参考。

10. 动态插桩的应用与未来

动态插桩技术在安全、性能分析、调试等领域扮演着重要角色。随着软件系统日益复杂，动态插桩技术的需求将持续增长。未来的发展方向可能包括：

自动化插桩: 开发更智能的插桩工具，能够自动分析程序行为，并根据需要进行插桩。
低开销插桩: 研究更高效的插桩技术，降低性能开销。
安全增强: 利用动态插桩技术来增强软件的安全性，例如防止恶意代码攻击。

对动态插桩技术的认识，工具的选择，与应用场景的理解，决定了实际使用中的效果。

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C++ 动态插桩：Pin/DynamoRIO 工具实战

1. 动态插桩的概念与应用场景

2. Pin 和 DynamoRIO：两个主流的动态插桩框架

3. Pin 的基本使用

3.1 Pin 工具的结构

3.2 一个简单的 Pin 工具示例：统计指令执行次数

3.3 Pin 的常用 API

4. DynamoRIO 的基本使用

4.1 DynamoRIO 工具的结构

4.2 一个简单的 DynamoRIO 工具示例：统计基本块执行次数

4.3 DynamoRIO 的常用 API

5. 高级技巧与注意事项

6. 一个更复杂的例子：使用 Pin 进行内存访问监控

7. 动态插桩的局限性

8. 工具选择与适用场景

9. 进一步学习的资源

10. 动态插桩的应用与未来

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