C语言函数指针详解

Introduction

上一个lab的主要内容为__data pointer__(指向数据的指针)可能在Linux系统中造成的__segmentation fault__。本次lab将考虑__function pointer__(指向函数/代码的指针)可能造成的错误：segfault或其他exceptions。

函数指针 Function Pointers

一个函数指针可以像函数一样被调用，包括传递参数和获得返回结果。函数指针的一些用途是用于编写泛型generic函数，有时是一种面向对象的样式，也用于实现回调。

在函数中，有物理内存地址可以赋值给指针，而一个函数的函数名就是一个指针，指向函数的代码；
一个函数的地址就是该函数的进入点，也是调用函数的地址；
函数的调用可以通过函数名，也可以通过指向函数的指针；
函数指针还允许将函数作为变元传递给其他函数；
没有括号和变量列表的函数名也可以表示函数的地址（数组中，不带下标的数组名表示数组的首地址）

定义形式

类型 (*指针变量名) (参数列表)；

如， int (*p)(int i, int j);

→ p是一个指针，它指向一个函数，该函数有两个整型参数，返回类型为int；p首先和*结合，表明p是一个指针，再与( )结合，表明它指向的是一个函数。

调用函数指针

(*p) (argument)

p (argument)

例子

				?

									#include <stdio.h>

									#define  GET_MAX    0

									#define  GET_MIN    1

									int get_max(int i,int j)

									{

									    return i>j?i:j;

									}

									int get_min(int i,int j)

									{

									    return i>j?j:i;

									}

									int compare(int i,int j,int flag)

									{

									    int ret;

									    //这里定义了一个函数指针，就可以根据传入的flag，灵活地决定其是指向求大数或求小数的函数

									    //便于方便灵活地调用各类函数

									    int (*p)(int,int);

									    if(flag == GET_MAX)

									        p = get_max;

									    else

									        p = get_min;

									    ret = p(i,j);

									    return ret;

									}

									int main()

									{

									    int i = 5,j = 10,ret;

									    ret = compare(i,j,GET_MAX);

									    printf("The MAX is %d\n",ret);

									    ret = compare(i,j,GET_MIN);

									    printf("The MIN is %d\n",ret);

									    return 0 ;

									}

				?

									#include <stdio.h>

									#include <string.h>

									void check(char *a,char *b,int (*cmp)(const char *,const char *));

									main()

									{

									    char s1[80],s2[80];

									    int (*p)(const char *,const char *);

									    //将库函数strcmp的地址赋值给函数指针p

									    p=strcmp;

									    printf("Enter two strings.\n");

									    gets(s1);

									    gets(s2);

									    check(s1,s2,p);

									}

									void check(char *a,char *b,int (*cmp)(const char *,const char *))

									{

									    printf("Testing for equality.\n");

									    //表达式(*cmp)(a,b)调用strcmp，由cmp指向库函数strcmp()，由a和b作调用strcmp()的参数。

									    //调用时，与声明的情况类似，必须在*cmp周围使用一对括号，使编译程序正确操作，

									    //同时这也是一种良好的编码风格，指示函数是通过指针调用的，而不是函数名。

									    if((*cmp)(a,b)==0)

									        printf("Equal\n");

									    else

									        printf("Not Equal\n");

									}

int *f(int i, int j);

int (*p)(int i, int j);

前者是返回值是指针的函数；后者是一个指向函数的指针。

注意本实验用到的技巧也将会在JIT编译器（如，浏览器中的JavaScript编译器）中出现，因为它们也是将数据转换为代码，然后再调用。请注意，试图执行代码的攻击可能会使用本实验室的变体。这个实验也说明了一个常见的错误，可能是不确定的。

Exercise 1：qsort中的函数指针

为什么 q s o r t ( ) qsort() qsort() 使用函数指针？
- q s o r t ( ) qsort() qsort() 是对任何类型的数组数据的通用排序例程(generic sorting routine )，因此，不同的数据类型需要不同的比较方法，这是由用户提供的比较函数 c o m p a r e ( ) compare() compare() 提供的。简单说就是对数组进行排序。
- 声明：

void qsort(void *base, size_t nitems, size_t size, int (*compar)(const void *, const void*))

参数：
- base – 指向要排序的数组的第一个元素的指针。
- nitems – 由 base 指向的数组中元素的个数。
- size – 数组中每个元素的大小，以字节为单位。
- compar – 用来比较两个元素的函数。如果 compar 返回值< 0，那么第一个参数p1 所指向元素会被排在第二个p2所指向元素的前面；如果 compar 返回值= 0，那么 p1 所指向元素与 p2 所指向元素的顺序不确定；如果 compar 返回值> 0，那么 p1 所指向元素会被排在 p2 所指向元素的后面。
- 返回值 – 无

代码

				?

									#include <stdlib.h>

									#include <string.h>

									#include <strings.h>

									#include <stdio.h>

									// example of qsort using function pointer for comparison function (*compar)()

									// see man qsort

									char *num[] = {

									    "000000001",

									    "1", 

									    "1000", 

									    "  100 ", 

									    "1     ", 

									};

									// compare p1 & p2 as strings

									// call with the address of the array element, e.g. &(char *) = char **

									int string_comp(const void *p1, const void *p2) 

									{

									    // be careful that address of element is passed so there is an

									    // extra * needed here given that it is already (char *)

									    // return strcmp((char *) p1, (char *) p2); /* a bug as needs deref */

									    return strcmp(*((char **) p1), *((char **) p2));

									}

									// compare p1 & p2 as integers

									int int_comp(const void *p1, const void *p2) 

									{

									    int i1, i2;

									    // i1 = atoi((char *) p1); /* bug: same reason as line in string_comp() */

									    i1 = atoi(*((char **) p1)); /* correct */

									    // i2 = atoi((char *) p2); /* bug: same reason as line in string_comp() */

									    i2 = atoi(*((char **) p2)); /* correct */

									    // printf("comp(%s,%s)\n", p1, p2); /* bug: for debugging */

									    // printf("comp(\"%s\", \"%s\")\n", *(char **) p1, *(char **) p2); /* correct: for debugging */

									    if (i1 < i2) return -1;

									    else if (i1 == i2) return 0;

									    else return 1;

									}

									void print_array(char *a[], int n)

									{

									    int i;

									    for (i=0; i < n; i++)

									        printf("\"%s\" ", a[i]);

									}

									int main()

									{

									    printf("Original array\n"); print_array(num, 5); printf("\n");

									    qsort(num, 5, sizeof(char *), int_comp);

									    printf("sorted array as int\n"); print_array(num, 5); printf("\n");

									    qsort(&num, 5, sizeof(char *), string_comp);

									    printf("sorted array as string\n"); print_array(num, 5); printf("\n");

									    return(0);

									}

一般形式：strcmp(字符串1，字符串2)

说明：当s1<s2时，返回为负数注意不是-1

当s1==s2时，返回值= 0

当s1>s2时，返回正数注意不是1

即：两个字符串自左向右逐个字符相比（按ASCII值大小相比较），直到出现不同的字符或遇'\0'为止。如：

“A”<“B” “a”>“A” “computer”>“compare”

特别注意：strcmp(const char *s1,const char * s2)这里面只能比较字符串，不能比较数字等其他形式的参数。

Exercise 2：

代码：

				?

									#include <stdio.h>

									#include <string.h>

									#include <strings.h>

									#include <errno.h>

									#include <sys/mman.h>

									#define L (32)

									int addnum(int a)

									{

									    return a+255;

									}

									int main(int argc, char *argv[], char *envp[])

									{

									    int a, (*f)(int), *code_buf;

									    char *p, data[]={0x0f, 0x0b};

									    /* Try uncommenting out */

									    /*

									    f = NULL;

									    a = f(10);

									    printf("0: f(10)=%d f=%p\n\n", a, f);

									    */

									    f = addnum;

									    a = f(10); // LINE1

									    printf("1: f(10)=%d f=%p\n\n", a, f);

									    code_buf = (int *) mmap(0, 4096, PROT_EXEC|PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

									    /* Try swapping the two mmap lines */

									    // code_buf = (int *) mmap(0, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

									    printf("code_buf %p\n", code_buf);

									    memcpy(code_buf, addnum, L);

									    f = (int (*)(int)) code_buf;

									    a = f(10); // LINE2

									    printf("2: f(10)=%d f=%p\n\n", a, f);

									    p = index((char *) code_buf, 0xff);

									    printf("before *p=%hhx\n", *p);

									    *p = 100;

									    printf("after *p=%hhx\n", *p);

									    a = f(10); // LINE3

									    printf("3: f(10)=%d\n\n", a);

									    *((char *) code_buf) = 0xc3;

									    a = f(10); // LINE4

									    printf("4: f(10)=%d\n\n", a);

									    memcpy(code_buf, data, 2);

									    printf("before last call\n");

									    a = f(10); // LINE5

									    return 0;

									}

mmap() 函数:
- 用途：
  - 将一个普通文件映射到内存中，通常在需要对文件进行频繁读写时使用，这样用内存读写取代I/O读写，以获得较高的性能；
  - 将特殊文件进行匿名内存映射，可以为关联进程提供共享内存空间；
  - 为无关联的进程提供共享内存空间，一般也是将一个普通文件映射到内存中。
- 头文件：#include <sys/mman.h>
- 原型：void *mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offsize);
- 参数说明：
  - start：指向欲映射的内存起始地址，通常设为 NULL，代表让系统自动选定地址，映射成功后返回该地址。
  - length：代表将文件中多大的部分映射到内存。
  - prot：映射区域的保护方式。可以为以下几种方式的组合：
    - PROT_EXEC 映射区域可被执行
    - PROT_READ 映射区域可被读取
    - PROT_WRITE 映射区域可被写入
    - PROT_NONE 映射区域不能存取
  - flags：影响映射区域的各种特性。在调用mmap()时必须要指定MAP_SHARED 或MAP_PRIVATE。
    - MAP_FIXED：如果参数start所指的地址无法成功建立映射时，则放弃映射，不对地址做修正。通常不鼓励用此旗标。
    - MAP_SHARED：对映射区域的写入数据会复制回文件内，而且允许其他映射该文件的进程共享。
    - MAP_PRIVATE：对映射区域的写入操作会产生一个映射文件的复制，即私人的“写入时复制”（copy on write）对此区域作的任何修改都不会写回原来的文件内容。
    - MAP_ANONYMOUS：建立匿名映射。此时会忽略参数fd，不涉及文件，而且映射区域无法和其他进程共享。
    - MAP_DENYWRITE：只允许对映射区域的写入操作，其他对文件直接写入的操作将会被拒绝。
    - MAP_LOCKED：将映射区域锁定住，这表示该区域不会被置换（swap）。

fd：要映射到内存中的文件描述符。如果使用匿名内存映射时，即flags中设置了MAP_ANONYMOUS，fd设为-1。

offset：文件映射的偏移量，通常设置为0，代表从文件最前方开始对应，offset必须是分页大小的整数倍。

返回值：若映射成功则__返回映射区的内存起始地址__，否则返回MAP_FAILED(－1)，错误原因存于errno 中。

错误代码：

EBADF 参数fd 不是有效的文件描述词

EACCES 存取权限有误。如果是M

P_PRIVATE 情况下文件必须可读，使用MAP_SHARED则要有PROT_WRITE以及该文件要能写入。

EINVAL 参数start、length 或offset有一个不合法。

EAGAIN 文件被锁住，或是有太多内存被锁住。

ENOMEM 内存不足。

memcpy() 函数：
- 用途：内存复制。
- 原型：void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);
- 功能：从src的开始位置拷贝n个字节的数据到dest。如果dest存在数据，将会被覆盖。
- 返回值：dest的指针。
- 头文件：string.h
index() 函数：
- 用途：找地址。
- 原型：char * index(const char *s, int c);
- 功能：用来找出参数s 字符串中第一个出现的参数c 地址，然后将该字符出现的地址返回。字符串结束字符(NULL)也视为字符串一部分。返回值：如果找到指定的字符则返回该字符所在地址，否则返回0。
- 头文件：#include <string.h> Exercise 3

代码：

				?

									#include <stdio.h>

									#include <string.h>

									#include <strings.h>

									#include <errno.h>

									#include <sys/mman.h>

									int encrypt(int a) // simple encryption with a (secret) constant

									{

									    return a ^ 255;

									}

									int main(int argc, char *argv[], char *envp[])

									{

									    int (*f)(int);

									    int secret, x, y;

									    // test encrypt

									    f = encrypt;

									    printf("1: enter test data\n");

									    scanf("%d", &x);

									    y = f(x);

									    printf("1: test original encrypt(): f(%x)=%x\n", x, y);

									    printf("enter new key\n");

									    scanf("%d", &secret);

									    // create a new function by using encrypt's code-bytes as a template

									    // which is similar to encrypt() except that it is xor with the secret

									    // key which has been input

									    // let f point to the new function created by the code below

									    // LINE1

									    /* your code goes here */

									    // LINE2

									    secret = 255; // erase secret, set it back to the original key 

									    // test if it works

									    printf("2: value to encrypt\n");

									    scanf("%d", &x);

									    y = f(x); // should use the input secret key above

									    printf("2: f(): f(%x)=%x\n", x, y);

									    printf("erased secret %d\n", secret);

									    // test if f() is modifiable

									    *((int *)f) = 0; // LINE3: must segfault here

									    return 0;

									}

要求：
- 加密方法只是让数据XOR亦或整常数密码(key,secret)。原始密码已知，为255。
- 目标：从源代码中移除密码的依赖性，尽管有人知道源代码也无法知道密码（只考虑整数）。
- 只修改LINE1和LINE2之间的代码。
限制：
- 不能使用新函数或者新包。
- 需要在运行时，动态地创建f()所指向的新代码。（f是随输入变化的）
- 新函数实现了与encrypt()相同的功能，除了常量来自输入(读入为secret)。
- 加密是密码的异或，采用(a ^ c)形式，其中c是常数而不是c变量。
- 此外，尽管f()是在运行时动态创建的，但在使用时不应该修改。在LINE3测试，即出现segfault。 hint：看看mprotect，它补充了mmap