SP - 7.3 Library Interpositioning

hyeok's Log·2022년 6월 19일
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Library Interpositioning

  Interposition은 '중간에 끼워넣음'이라는 의미로, Intercept와 유사한 뉘앙스라고 생각하면 된다.

Library Interpositioning : 임의의 Function에 대한 호출을 프로그래머가 Intercept할 수 있는 Linking Technique

Compile / Link / Load / Run Time에 수행할 수 있다.

  • Compile Time : Source Code가 컴파일될 때 Interpositioning을 할 수 있다.

  • Link Time : Relocatable Object File이 Static하게 Link되어 Executable Object File이 될 때 Interpositioning을 할 수 있다.

  • Load / Run Time : Executable Object File이 Memory에 올라가고 Dynamic하게 Link되며 Execute될 때 Interpositioning을 할 수 있다.


  • Interpositioning의 용도 : 보안, 디버깅, 모니터링, 프로파일링 등을 위해 Interpositioning을 할 수 있다.

    • 보안 : Sandboxing, 부호화(Encryption)에 사용할 수 있다.

    • 디버깅 : 기존 라이브러리 함수에 특정 코드를 추가해 디버깅할 수 있다.

    • 모니터링 & 프로파일링 : 함수가 몇 번 호출되었는지, 호출된 영역과 Argument들은 무엇인지 등을 확인할 때 사용할 수 있다.

      • malloc Tracing이 대표적이다.
        • malloc의 호출 상황을 Tracing하는 것이다. 메모리 누수를 감지하고, 할당 주소를 확인하는 용도로 말이다. ★

Interpositioning의 용도 : 기존 Library Function의 Code에 간단한 추가 코드를 입혀 자신의 목적을 달성할 수 있다. ★


Simple Example

  프로그램을 분해하거나 Source Code를 변화시키지 않는 선에서 Dynamic하게 Allocate되고 Free되는 Block들의 사이즈와 주소를 Tracing해보는 간단한 프로그램이다.

/* Main Program */
#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

int main(void) {
	int *p = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p);
    
	return(0);
}

~> 위의 코드는 아주 간단한 동적할당 프로그램이다. 이 프로그램에 세 가지 방식으로 Interpositioning을 적용해보자.


Compile-Time

Compile Time에 malloc과 free 함수를 User-defined Functions로 대체해, malloc과 free의 동작 상태를 Tracing한다.

이때, malloc과 free 함수 자체의 Source Code에는 아무런 변화가 없다. ★

// 아래 코드를 mymalloc.c File 내부에 설치한다. ★★★
#ifdef COMPILETIME
#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

/* malloc에 대한 Wrapper Function */
void *mymalloc(size_t size) {		// 내가 짠 코드. 기존 malloc의 Wrapper로 사용!
	void *ptr = malloc(size);		// mymalloc 내부에서 '찐 malloc'을 호출한다.

	printf("malloc(%d)=%p\n", (int)size, ptr);		// 할당 Size를 Tracing한다.
    
	return ptr;
}

/* free에 대한 Wrapper Function */
void myfree(void *ptr) {
	free(ptr);						// myfree 내부에서 '찐 free'를 호출한다.
	printf("free(%p)\n", ptr);		// 역시나 Tracing!
}
#endif
// 위 코드를 mymalloc.c File 내부에 설치한다. ★★★

// 아래 코드를 기존 malloc.h File 내부에 설치한다. ★★★
#define malloc(size) mymalloc(size)
#define free(ptr) myfree(ptr)

void *mymalloc(size_t size);		// Prototyping
void myfree(void *ptr);	
// 위 코드를 기존 malloc.h File 내부에 설치한다. ★★★

  위와 같이 새로운 소스 코드 파일 mymalloc.c와 기존 malloc.h 파일에 추가 코드를 설치한 후, Linux Shell에서 아래와 같이 명령을 입력해보자.

linux> make exp_c
gcc -Wall -DCOMPILETIME -c mymalloc.c
gcc -Wall -l. -o example example.c mymalloc.o

linux> make run_c
./example
malloc(32)=0x1edc010
free(0x12edc010)

linux>

~> malloc과 free의 진행 상황(할당 주소와 사이즈)을 Tracing할 수 있게 되었다.


  • Compile Time Library Interpositioning의 특징
    • malloc/free에 대한 호출을 mymalloc/myfree로 '사실상 Macro-Expansion'하는 것이다. 즉, 코드가 복붙되는 것이다. ★★

Link Time에 malloc과 free 함수를 User-defined Functions로 대체해, malloc과 free의 동작 상태를 Tracing한다.

이때, malloc과 free 함수 자체의 Source Code에는 아무런 변화가 없다. ★

// 아래 코드를 mymalloc.c File 내부에 설치한다. ★★★
#ifdef LINKTIME
#include <stdio.h>
void *__real_malloc(size_t size);
void __real_free(void *ptr);

/* malloc에 대한 Wrapper Function */
void *__wrap_malloc(size_t size) {
	void *ptr = __real_malloc(size); 		// '찐 malloc'을 호출한다.
	printf("malloc(%d) = %p\n", (int)size, ptr);
	return ptr;
}

/* free에 대한 Wrapper Function */
void __wrap_free(void *ptr) {
	__real_free(ptr); 						// '찐 free'를 호출한다.
	printf("free(%p)\n", ptr);
}
#endif
// 위 코드를 mymalloc.c File 내부에 설치한다. ★★★

// Link Time의 경우, malloc.h는 수정할 필요가 없다. ★★★★★

  위와 같이 새로운 소스 코드 파일 mymalloc.c 파일에 위 코드를 설치한 후, Linux Shell에서 아래와 같이 명령을 입력해보자.

linux> make exp_l
gcc -Wall -DLINKTIME -c mymalloc.c
gcc -Wall -c example.c
gcc -Wall -Wl,--wrap,malloc -Wl,--wrap,free -o example example.o mymalloc.o

linux> make run_l
./example
malloc(32)=0x1edc010
free(0x12edc010)

linux>

  • '-Wl' Flag는 Linker에 Argument를 넘기는 역할을 수행한다. ★

    • '-Wl' 뒤에 오는 ','를 공백으로 대체한다.

  • '--wrap,malloc' Argument는 Linker가 Reference를 특수하게 Resolve하도록 이끈다.

    • 'malloc'에 대한 Reference를 '__wrap_malloc'으로 대체한다. ★
    • '__real_malloc'에 대한 Reference는 'malloc'으로 대체한다. ★

Compile Time Interpositioning과 Link Time Interpositioning의 차이가 보이는가? Compile Time은 Intercept를 위한 .c를 만들고, Intercept 대상의 기존 .h 코드에 수정을 가해야하는 반면, Link Time은 Intercept를 위한 .c 코드만 만들면 된다. ★★★


  • Link Time Library Interpositioning의 특징
    • Linker를 사용해 malloc을 __wrap_malloc으로 대체
    • Linker를 사용해 __real_malloc을 malloc으로 대체

Load / Run-Time

Load / Run Time에 malloc과 free 함수를 User-defined Functions로 대체해, malloc과 free의 동작 상태를 Tracing한다.

이때, malloc과 free 함수 자체의 Source Code에는 아무런 변화가 없다. ★

// 아래 코드를 mymalloc.c File 내부에 설치한다. ★★★
#ifdef RUNTIME
#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <dlfcn.h>

/* malloc에 대한 Wrapper Function */
void *malloc(size_t size) {				// 기존 함수명과 동일명으로 작성(필수는x)
	void *(*mallocp)(size_t size);
	char *error;
    
	// libc malloc 함수 코드에 대한 포인터를 dlsym을 통해 받아온다. ★★★
	mallocp = dlsym(RTLD_NEXT, "malloc"); 
	if ((error = dlerror()) != NULL) 
    	unix_error(error);
    
	char *ptr = mallocp(size); 			// '찐 malloc'을 호출한다.
	printf("malloc(%d) = %p\n", (int)size, ptr);	// Tracing

	return ptr;
}

/* free에 대한 Wrapper Function */
void free(void *ptr) {
	void (*freep)(void *) = NULL;
	char *error;

	if (!ptr) return;

	freep = dlsym(RTLD_NEXT, "free"); 	// Get address of libc free ★
	if ((error = dlerror()) != NULL)
    	unix_error(error);
        
	freep(ptr); 						// '찐 free'를 호출한다.
	printf("free(%p)\n", ptr);
}
#endif
// 아래 코드를 mymalloc.c File 내부에 설치한다. ★★★

~> 위 코드는 동적으로 Interpositioning을 수행한다.

  위와 같이 새로운 소스 코드 파일 mymalloc.c 파일에 위 코드를 설치한 후, Linux Shell에서 아래와 같이 명령을 입력해보자.

linux> make exp_r
gcc -Wall -DRUNTIME -shared -fpic -o mymalloc.so mymalloc.c -ldl
gcc -Wall -o example example.c

linux> make run_r
(LD_PRELOAD="./mymalloc.so" ./example)
malloc(32)=0x1edc010
free(0x12edc010)

linux>

  • LD_PRELOAD Environment Variable : 환경 변수로, Dynamic Linker에게 Unresolved Reference를 mymalloc.so에서 먼저 찾아보라고 요청하는 기능을 수행한다. ★★
    • '동적으로 Run하는 그 순간에!'

  • Load/Run Time Library Interpositioning의 특징
    • 따로 컴파일할 필요 없이, 동적으로 malloc을 '내 함수'로 Intercept한다. ★

※ 일반적으로 Compile Time과 Load/Run Time Library Interpositioning이 자주 사용된다. 그리고, 이러한 Interpositioning은 앞으로 어떤 프로젝트를 수행하던 간에 함수 추적에 아주 큰 도움이 될 것이다. 잘 기억하도록 하자.


  Linking은 여기까지이다. 이제 남은 Chapter는 Virtual Memory에 대한 내용으로, 이번 System Programming 연재의 마지막 개념이 될 것이다. 정말 많은 길을 달려왔다. 조금 더 힘을 내보자!

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