iOS汇编入门教程之ARM64汇编基础教程

前言

对于应用层开发人员而言，仅仅掌握Objective-C和系统框架即可较好的完成开发，但在涉及到应用加固、逆向分析等内容时仅有应用层开发技能就会显得非常的无力，因此掌握汇编对于突破iOS开发水平的瓶颈十分有效。

一个例子

以反调试为例，我们知道，通过调用ptrace函数可以阻止调试器依附。

ptrace(31, 0, 0, 0)

这种方式能够被函数hook轻易破解，例如使用facebook的fishhook。为了防止函数被hook，我们可以将函数调用转为通过汇编发起系统调用，即使用下面的代码。

mov x0, #31
mov x1, #0
mov x2, #0
mov x3, #0
mov x16, #26
svc #0x80

其中x0-x3存储的为函数入参，x16存储的为函数编号，通过Apple提供的System Call Table 可以查出ptrace的编号为26，最后一句指令发起了系统调用。通过使用_asm_指令能够将汇编代码嵌入我们的函数中，构成反调试方法。

// 使用inline方式将函数在调用处强制展开，防止被hook和追踪符号
static __attribute__((always_inline)) void anti_debug() {
// 判断是否是ARM64处理器指令集
#ifdef __arm64__
 // volatile修饰符能够防止汇编指令被编译器忽略
 __asm__ __volatile__(
  "mov x0, #31\n"
  "mov x1, #0\n"
  "mov x2, #0\n"
  "mov x3, #0\n"
  "mov x16, #26\n"
  "svc #0x80\n"
  );
#endif
}

虽然上面的反调试机制并不完善，但是比直接调用ptrace要好上很多倍，从这一点来看，掌握汇编技能对于iOS应用安全和底层研究非常有利。

入门攻略

iOS设备主要使用的为ARM64汇编，因此本文主要介绍ARM64汇编的入门技巧。汇编入门最难的地方在于对栈的理解，汇编的所有指令操作都是围绕栈实现的，在汇编中，没有变量的概念，只有寄存器和内存。

栈

汇编中的栈是由高地址向低地址生长的数据结构，sp指针永远指向栈顶，需要记住的是，在某位置进行存储时，是向高地址进行的，下面以一个简单的例子讲解汇编的栈操作。我们以一段简单的C代码为例。

// hello.c
#include <stdio.h>
 
int test(int a, int b) {
 int res = a + b;
 return res;
}
 
int main() {
 int res = test(1, 2);
 return 0;
}

使用clang可以将其编译为特定指令集的汇编代码，这里我们将其编译为ARM64指令集的汇编代码。

clang -S -arch arm64 -isysroot `xcrun --sdk iphoneos --show-sdk-path` hello.c

完整的汇编代码如下。

.section	__TEXT,__text,regular,pure_instructions
	.ios_version_min 11, 2
	.globl	_test
	.p2align	2
_test:   ; @test
; BB#0:
	sub	sp, sp, #16 ; =16
	str	w0, [sp, #12]
	str	w1, [sp, #8]
	ldr	w0, [sp, #12]
	ldr	w1, [sp, #8]
	add		w0, w0, w1
	str	w0, [sp, #4]
	ldr	w0, [sp, #4]
	add	sp, sp, #16 ; =16
	ret
 
	.globl	_main
	.p2align	2
_main:   ; @main
; BB#0:
	sub	sp, sp, #32 ; =32
	stp	x29, x30, [sp, #16] ; 8-byte Folded Spill
	add	x29, sp, #16 ; =16
	orr	w0, wzr, #0x1
	orr	w1, wzr, #0x2
	stur	wzr, [x29, #-4]
	bl	_test
	mov	w1, #0
	str	w0, [sp, #8]
	mov	 x0, x1
	ldp	x29, x30, [sp, #16] ; 8-byte Folded Reload
	add	sp, sp, #32 ; =32
	ret
.subsections_via_symbols

本节我们只讨论栈操作，因此忽略main函数和printf调用部分，我们只看对test函数的调用，节选这一段汇编代码如下。

sub	sp, sp, #16 ; =16
	str	w0, [sp, #12]
	str	w1, [sp, #8]
	ldr	w0, [sp, #12]
	ldr	w1, [sp, #8]
	add w0, w0, w1
	str	w0, [sp, #4]
	ldr	w0, [sp, #4]
	add	sp, sp, #16 ; =16
	ret

首先介绍一下基本指令和指令的学习方式，要查询某个指令如何使用，最好的方式是去查询ARM公司提供的官方文档，在官方文档页面可以直接搜索指令并查看用法和例程，本文会简单讲解上面的汇编代码中出现的指令。

sub用于对寄存器实施减法， suba,b,c等价于 a=b-c，在ARM汇编中，目的操作数一般出现最前方，例如 mov ra,rb 代表将rb寄存器的值复制到ra寄存器。add和sub同理，只是将减法变成了加法。

str和ldr是一对指令，str的全称是store register，即将寄存器的值存储到内存中，ldr的全称是load register，即将内存中的值读到寄存器，因此他们的第一个参数都是寄存器，第二个参数都是内存地址。[sp,#12] 代表 sp+12 这个地址，同理 [sp,#-12] 代表 sp-12 这个地址。注意这里的数字都是以字节为单位的偏移量，以 str w0,[sp,#12] 为例，w是4字节的寄存器，这个指令代表将w0寄存器的值存储在sp+12这个地址上，由于w0有4个字节，所以存储后会占据 sp+12~sp+16这个内存区域。

下面将分段讲解这段汇编代码，在编译器生成汇编时，首先会计算需要的栈空间大小，并利用sp指针向低地址开辟相应的空间，我们再来看一下test函数。

int test(int a, int b) {
 int res = a + b;
 return res;
}

这里涉及了3个int变量，分别是a、b、res，int变量占据4个字节，因此一共需要12个字节，但ARM64汇编为了提高访问效率要求按照16字节进行对齐，因此需要16byte的空间，也就是需要在栈上开辟16字节的空间，我们来看汇编的第一句，正是将sp指针下移16字节。

sub	sp, sp, #16

sp下移16后，留下了4个4字节的内存空格，共计16字节，我们继续看下面的句子。

这两句的含义是将w0存储在sp+12的格子中，w1存储在sp+8的格子中，上面的例子中提到 x0, x1等寄存器将顺序存放函数的入参，x0和w0是同一个寄存器的不同大小体现，x0为8字节，w0为x0的前4个字节，因此w0是函数的第一个入参a，w1是函数的第二个入参b，由于存储是从低地址到高地址的，所以a将占据 sp+12~sp+16，同理b将占据 sp+8~sp+12，则栈的结构变为下图。

str	w0, [sp, #12]
str	w1, [sp, #8]

按照“上帝视角”，接下来test函数应该将a和b相加，需要注意的是，只有寄存器才能参与运算，因此接下来的汇编代码又将变量的值从内存中读出，进行相加运算。

ldr	w0, [sp, #12]
	ldr	w1, [sp, #8]
	add w0, w0, w1

由此可见先存储再读取后运算其实是多余的，这是没有进行编译优化的结果，学习不进行编译优化的汇编更能让我们理解其工作机制。

接下来的代码将w0存入了sp+4，也就是res变量的内存区域。

str	w0, [sp, #4]

接下来就要进行返回了，在例子中我们提到，函数的返回值一般存储在x0寄存器中返回，因此我们需要将res的值载入x0寄存器。

ldr	w0, [sp, #4]

这里之所以使用w寄存器，是因为int为4字节，这也就是类型转换时带来信息丢失的原因，例如从long到int的转换就类似于将x寄存器的值以w的形式进行存储。最后的代码为将栈还原，并返回到函数调用处继续向下执行。

add	sp, sp, #16
ret

显然，经过这样的操作，栈被完全还原到了函数调用以前的样子，需要注意的细节是，栈空间中的内存单元并未被清空，这也就导致下一次使用低地址的栈时，未初始化单元的值是不确定的，这也就是局部变量不初始化值随机的根本原因。

通过上面的例子，我们对栈有了基本的认识，汇编的操作基本都是对栈进行的，只要理解了栈机制，只需要学习各种指令，即可掌握足够使用的汇编技能。

深入

在了解了栈以后，就可以看一些较为复杂的汇编片段来进行学习了，初级阶段可以尝试看着函数写汇编代码，高级阶段要求能够看着汇编还原成函数逻辑，本文仅仅介绍入门基础，下面推荐一些大牛的博客供大家深入学习汇编技能。

1.知兵的知乎专栏

2.刘坤的汇编入门文章

总结

掌握ARM汇编能够帮助开发者更好地了解编译器和CPU的工作原理，除了能够指导编码外，还能够扩宽视野，通过反编译分析一些闭源代码的逻辑或是进行一些安全加固，因此在汇编上付出时间是十分值得的。

参考资料

1.知兵. iOS调试进阶 https://zhuanlan.zhihu.com/c_142064221

2.ARM官方文档 http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.dui0802a/STUR_fpsimd.html

3.反调试和绕过 http://jmpews.github.io/2017/08/09/darwin/反调试及绕过

以上所述是小编给大家介绍的iOS汇编入门教程之ARM64汇编基础，希望对大家有所帮助！

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