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PHP之殇 : 一个IR设计缺陷引发的蝴蝶效应

0x01 IR设计中的问题

1.1 问题来源

鸟哥(Laruence) [1]是所有国内PHPer应该都知道的一个人。鸟哥的博客是我早期学习PHP内核的时候经常会去的地方。在2020年的时候，鸟哥发了一篇《深入理解PHP7内核之HashTable》的文章[2]，在文章的结尾提到了一个问题:

在实现zend_array替换HashTable中我们遇到了很多的问题，绝大部份它们都被解决了，但遗留了一个问题，因为现在arData是连续分配的，那么当数组增长大小到需要扩容到时候，我们只能重新realloc内存，但系统并不保证你realloc以后，地址不会发生变化，那么就有可能：

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<?php
$array = range(0, 7);
 
set_error_handler(function($err, $msg) {
    global $array;
    $array[] = 1; //force resize;
});
 
function crash() {
    global $array;
    $array[0] += $var; //undefined notice
}
 
crash();

比如上面的例子， 首先是一个全局数组，然后在函数crash中， 在+= opcode handler中，zend vm会首先获取array[0]的内容，然后+$var, 但var是undefined variable， 所以此时会触发一个未定义变量的notice，而同时我们设置了error_handler, 在其中我们给这个数组增加了一个元素， 因为PHP中的数组按照2^n的空间预先申请，此时数组满了，需要resize，于是发生了realloc，从error_handler返回以后，array[0]指向的内存就可能发生了变化，此时会出现内存读写错误，甚至segfault，有兴趣的同学，可以尝试用valgrind跑这个例子看看。

但这个问题的触发条件比较多，修复需要额外对数据结构，或者需要拆分add_assign对性能会有影响，另外绝大部分情况下因为数组的预先分配策略存在，以及其他大部分多opcode handler读写操作基本都很临近，这个问题其实很难被实际代码触发，所以这个问题一直悬停着。

直到今天这个问题还是悬停着。对于普通PHP开发者而言，这可能确实不算是一个很大的问题，但对于做安全的人来说，这里可能隐藏一个很严重的安全问题。因为它是我见过为数不多出现在PHP VM中的问题，而不是平时出现在各种PHP native libraries中的问题。一旦可以被利用，影响将非常之大。所以这个问题一直就放在了我的心上，它也一直以crash.php [3] 在我的PHP-exploit repo中放了4年. 特别地，只要你用PHP7或者8运行它就会出现segmentfault，也不知道有没有人去尝试过。

1.2 修复该问题的阻力

鸟哥出给的解释非常清晰明了，这里我试着用更加通俗的伪代码来进一步帮助不熟悉PHP内部的读者, 去理解PHP VM在第11行这里到底做了什么:

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// array = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
arr_base = get_base_addr_of(array)
elem_addr = get_addr_by_index(array_base, index)
elem = get_elem_from_addr(elem_addr)
// elem is ok
check_var(var)
// is elem ok?
res = add(elem, var)    
assign_var_to_elem(elem, res)

这里做了这样几件事:

  1. 首先我们获取这个array存储元素内存区域的起始地址;
  2. 根据index获取我们指定元素的内存地址;
  3. 从elem_addr读取元素到elem;
  4. 检查var的合法性, 更具体一点， 当var是一个PHP代码中显式变量(i.e., $a)的时候， 检查它是否被定义过。 如果var是一个未定义的PHP变量, 那么VM会将var的值初始化为null. 因为PHP VM不能直接将undefined (类似JS中的特殊值)，暴露给用户代码；
  5. 对elem和var做算术加法得到结果res;
  6. 最后将res赋值给elem。

而问题出现在第6行这里，check_var(var)可能会产生副作用(side-effects)，从而clobbering the world。这个词我是从JavaScriptCore (WebKit的JS引擎) 中学到的，副作用的出现可能会导致之前的计算结果变得的不可信，在这种不确定地情况下，我们是不能直接使用这些计算结果的。这里的elem是否还依然正确地指向待写入的目标元素呢？ 在第6行之后我们是不能确定的，因为它指向的内存地址可能已经被释放了，而正确的目标元素位置已经被搬到了其他内存上。

以上其实就是PHP opcode ZEND_ASSIGN_DIM_OP的大致解释过程，完整的解释过程你可以在[4]中找到。那么这个问题为什么一直没有被修复呢？ 好问题。我们从几个直觉上可行的简单修复方法开始，来讲一下修复的阻力在哪里。这里我用array->arData表示指向第1个元素的内存地址，其余array其他元素都顺序地落在其后.

简单方法1: 在第6行之后检查elem是否还落在array->arData相对位置上

这样做只能确保array->arData没有发生变化，但是你如何保证ABA问题 ? 比如array存储元素区域被释放了，然后被其他内存结构抢占了，然后又被释放了，再被布置为原本array存储元素区域的布局 (另外一个和它结构相同的array2把这块区域抢占了)。

简单方法2: 把check_var放在最前面

那么你考虑如下形式:

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$array['a']['b'] = $var;

这段代码会被翻译成类似如下的中间代码:

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L0 : V2 = FETCH_DIM_W CV0($array) string("a")
L1 : ASSIGN_DIM V2 string("b")
L2 : OP_DATA CV1($var)

这里我们考虑不带二元运算的ZEND_ASSIGN_DIM。以上代码等同于:

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V2 =& $array['a'];
V2['b'] = $var;

其中V2是指向$array中index为'a'元素的位置，所以这里我用=&来强调V2不是$array['a']。那么问题来了，如果第2行中的副作用导致在$array被resized了，那么这个V2就指向的位置就不对了。

这个问题注定了不能简单地被修复。

1.3 unset 和 reassign

你可以试着将前面的resize操作换成unset或者reassign，如下:

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<?php
$array = range(0, 7);

set_error_handler(function($err, $msg) {
 global $array;
 // $array = 2;
 unset($array);
});

function crash() {
 global $array;
 $array[0] += $var; //undefined notice
}

crash();

两个情况有些不太一样:

  1. unset($array)，只是将$array在当前function scope内给"清理"掉了，并不影响全局变量中的$array，所以这里没有问题。
  2. $array = 2会影响到所有引用到它的地方，因此这里产生了和resize一样的问题。

有趣地是，官方已经注意到这样的问题，比如它对undefined index (i.e., $arr[$undef_var] = 1)产生的副作用做出了检查。而对要写入的值没有做检查。

  1. 这里它首先让ht (HashTable是zend_array的别名) 引用计数加1，把这个array hold住。
  2. 等错误处理函数返回之后，再减去这个前面加上的引用计数，如果引用计数没有发生变化，说明array没有被释放。
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static zend_never_inline zend_uchar slow_index_convert(HashTable *ht, const zval *dim, zend_value *value EXECUTE_DATA_DC)
{
	switch (Z_TYPE_P(dim)) {
		case IS_UNDEF: {
			/* The array may be destroyed while throwing the notice.
			 * Temporarily increase the refcount to detect this situation. */
			 if (!(GC_FLAGS(ht) & IS_ARRAY_IMMUTABLE)) {
				GC_ADDREF(ht);
			}
			ZVAL_UNDEFINED_OP2();
			if (!(GC_FLAGS(ht) & IS_ARRAY_IMMUTABLE) && !GC_DELREF(ht)) {
				zend_array_destroy(ht);
				return IS_NULL;
			}
            // ...

1.4 可能的修复方法

将ZEND_ASSIGN_DIM或者ZEND_ASSIGN_DIM_OP (同时包括所有的array fetch操作) 改成支持multi-index, 是我觉得最直接的手法。比如前面的$array['a']['b'] = $var;会被翻译为

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L0 : V2 = FETCH_DIM_W CV0($array) string("a")
L1 : ASSIGN_DIM V2 string("b")
L2 : OP_DATA CV1($var)

那么现在直接翻译为

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L0 : ASSIGN_DIM CV0($array) [string("b"), string("b")]
L1 : OP_DATA CV1($var)

并且再此之前把所有的indexs和带待写入的var对应的表达式全部计算完成。注意这并不会改变现在PHP求值顺序. 考虑如下代码

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<?php

function func1() {
	echo "func1\n";
	return 1;
}

function func2() {
	echo "func2\n";
	return 2;
}

$a = [];
set_error_handler(function($err, $msg){echo $msg."\n";});
echo $a[func1()][func2()];
/* output at PHP 8.3.3:
func1
func2
Undefined array key 1
Trying to access array offset on null
*/

可以看到index也是全部是先计算完成的。

1.5 事情永远没有想的那么简单

我之前不打算为这个问题在PHP的repo上开一个issue, 因为我觉得这个问题PHP的核心开发者都知道。它第一次出现地方bug78598，nikic当时只注意到了undefined index，这发生在2019年。但我还是为此开了一个issue，因为借此机会提醒一下PHP开发者。从这个issue里面，我才知道了原来有人还在为此努力。我也才意识到上面给出的fix只能修复单纯的array assignment/fetch，因为我忘记了还有object assignment和fetch也有此类问题。Ilija Tovilo为此做出了两次努力:

first commit:

https://github.com/iluuu1994/php-src/commit/fa475eac27dd7ab23e3670a1b3f19e4ad914210d

second commit:

https://github.com/iluuu1994/php-src/commit/198b22ac63e4c25028bccf8a5e9168d1ff2f0443

很感谢lija，和他交流中得知了delayed error这个想法。这个想法和我前面的想法完全相反，我前面想法是希望尽可能地把errors抛出来，使得由此引发的副作用在fetch address of element之前早早的生效。而delayed error是希望将array assignement过程发生的error延迟到array assignment完成之后再处理。

delayed error handling实际和正常的exception handling有点像，不同的是在delayed error handling结束之后会调到触发它的next opcode继续执行。有点像functional programming里面的algebraic effects. 在实现delayed error handling的细节上还是有些问题的，比如如何在目前的PHP JIT中处理它，目前PHP中哪些地方需要这个机制，需要人为的去trigger它。更多的细节可以查看issue。

这问题比我当初想的还要复杂，lija称其为" fundamentally hard "。它大概在未来还会存在一段很长的时间...

0x02 三只蝴蝶 (butterfly)

TL;DR. 如果不想听故事可以跳过这一章节。

四年前，在知道了这个问题之后，我就开始了探索应该如何利用它。非常可惜，我不太聪明，四年都没有能想出个招。这四年，我的工作也和PHP紧密结合在一起，在PHP里面写了大概有40-50k行代码吧，以至于我近乎写出了一个全新的PHP解释器，很难想象这是一个做安全的人在做的事情。所以我对PHP要稍微了解那么多一点点。

我能完成这篇文章，是因为有三只蝴蝶。第一只蝴蝶，教会我了一些新的方法; 第二只蝴蝶，让我发现了新大陆; 第三只蝴蝶，带我走出了困境。

之前，我其实一直被困在一个误区里面。我的基本想法是:

  1. array会被resize。
  2. 然后我马上拿到array释放的内存，这样就可以造一个UAF出来。

这里没有问题。

这里贴一下前面的关于ZEND_ASSIGN_DIM_OP类似的ZEND_ASSIGN_DIM的伪代码:

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// array = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
arr_base = get_addr_of(array)
elem_addr = get_addr_of(array_base, index)
elem = get_elem_from_addr(elem_addr)
check_var(var)
assign_var_to_elem(elem, var)

但是问题来了，其中assign_var_to_elem只能像目标内存写一个特殊的null (前面提到var会被初始化为null)值, 并且过程中需要对elem进行检查。换句话说目标内存需要有比较苛刻的memory layout. 其次受鸟哥代码中的a[0] += $var影响，我觉得这个null只能在这块内存稍前的位置写入。这就是我的误区。结合以上原因一直让我找不到一个合适的structure来hold这块内存。

过去我逐渐地其实不太关注PHP里面的安全了，有时候写代码也会发现一些问题，但也觉得就那么回事。直到最近看见了关于LockBit的新闻，突然有了兴趣，才有了《CVE-2023-3824: 幸运的Off-by-one (two?)》[5] 一文。在文章写完后的几天，我又去逛逛了安全圈看看大家都在研究什么，在这过程中发现那三只蝴蝶。

首先发现了一篇《WebAssembly安全研究总结》[6]。 这篇文章中重要介绍了如何通过构造恶意的bytecode来攻击Wasm引擎，挺有趣的，也行PHP opcache中的也有类似的问题。我个人比较喜欢解释器和编译器上的一些安全研究，然后我就想去看看有没有关于Wasm更深入一点研究，搜索了一下作者其他的文章。

第一只蝴蝶

我又发现了作者有许多关于JavaScriptCore (jsc) 的研究，我之前是没有接触过jsc，只短暂接触过V8。感觉似乎挺有趣的，那就来感受一下吧。在文章[7]和系列文章[8]的帮助下，使得我的博客中又多了一篇《CVE-2018-4262: Apple Safari RegExp Match Type Confusion by JIT》。在这过程中积累了一点点关于jsc的姿势。特别地，里面的部分构造(box/unbox)让我大开眼界，可谓是相当之精彩，以至于后面在PHP的构造中我都想重现它。 jsc里面有一个用来作为存储JSObject的properties和elements特殊结构叫butterfly, 因为其内存结构像一只带翅膀的蝴蝶，顾名butterfly。ascii graph来自[9]

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--------------------------------------------------------
.. | propY | propX | length | elem0 | elem1 | elem2 | ..
--------------------------------------------------------
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                            |
            +---------------+
            |
  +-------------+
  | Some Object |
  +-------------+

在jsc的利用中都频繁地使用到了这个结构，包含我前面提到的box/unbox技术。这是第一只蝴蝶。

第二只蝴蝶

在看[9]的过程中，我又看到了saelo(前google project zero成员, 目前V8 JS引擎的安全负责人)的博客中《Pwning Lua through 'load'》[10]。 真苦恼，都是我喜欢读的东西，那就看吧。让我比较惊讶的Lua竟然没有bytecode verifier，文章内容和第一篇攻击Wasm引擎的内容比较相似。然后我又想看看Lua上的一些安全研究，搜索了到一系列来自bigshaq关于LuaJIT方面的安全研究[11]，在里面遇到了第二只蝴蝶。LuaJIT的jit complier会将收集到的trace翻译成的IR放在一个类似butterfly结构中。形如

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      |      |      |     |     |                 
      |const2|const1|inst1|inst2|                 
      |      |      |     |     |                 
--------------------▲-----------─---------        
                    │                             
                    │                             
   ┌──────┐         │                             
   │ ir_p ├─────────┘                             
   └──────┘

instructions在一边翅膀，而constants在另一边翅膀。在这短暂的LuaJIT之旅中，又积累了一些关于LuaJIT的知识，但是我觉得最后研究的安全问题太刻意，毕竟是CTF的题，可以理解嘛。不过利用JIT code中的guarded assertions来固定shellcode的技术确实不错。

最后一只蝴蝶

PHP 8中的JIT技术深受LuaJIT影响。以至于bigshaq博客在一篇关于PHP文章中，给PHP打了patch，就把LuaJIT上相关利用直接拿到PHP上。绕了一大圈我又回到了PHP，我突然发现Dmitry整出了一套JIT Compilation Framework [11]，名字就叫IR。Dmitry是那个一个人写了PHP中几乎全部optimizers的男人，我对其从心里佩服。听闻IR之后，让我内心久久不能平静，依托IR的全新JIT compiler已经merge到了PHP-src的主线上，令人抓狂的DynAsm终于不见了。我又马上看了一眼Dmitry对其的介绍[13]，未来我终于有机会不用在PHP bytecode上做优化了。我看到了类似V8 TurboFan中的Sea of Nodes，及其各种补全的优化算法。这一刻，我打算以后为它也做点什么。因为Dmitry写的那些optimizers曾经陪伴我了很多时候。

我又想到文中这个IR缺陷，我觉得它应该结束了。我又开始了审视它，目光又重新对准了PHP中zend_array，它那里不恰好也有一只蝴蝶吗？ 下面ascii来自[14]:

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/*
 * HashTable Data Layout
 * =====================
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 *                 +=============================+
 *                 | HT_HASH(ht, ht->nTableMask) |                   +=============================+
 *                 | ...                         |                   | HT_INVALID_IDX              |
 *                 | HT_HASH(ht, -1)             |                   | HT_INVALID_IDX              |
 *                 +-----------------------------+                   +-----------------------------+
 * ht->arData ---> | Bucket[0]                   | ht->arPacked ---> | ZVAL[0]                     |
 *                 | ...                         |                   | ...                         |
 *                 | Bucket[ht->nTableSize-1]    |                   | ZVAL[ht->nTableSize-1]      |
 *                 +=============================+                   +=============================+
 */

PHP中有两种特殊的数组，packed array和mixed array，我在考虑它们的时候，突然想起了这只蝴蝶。原来不用在内存稍前的位置写入那个null，完全可以在内存的中间写入这个null. 甚至我都忘记了可以通过拨动index来控制写入这个null的位置，这一错就是四年。原来那只蝴蝶一直都在那里，都在那个我能看得见的枝头。

0x03 PHP前置知识

之前我写PHP内核相关内容的时候，几乎不会去写相关的前置知识，因为我不太想复制粘贴大量的代码，观感不是很好。 但是这次我希望更多的人，能从这个文章中学到一些东西。这篇文章用到的前置知识不会太多，不用担心。如果有不懂的地方，都可以发我邮件问我，但我不能保证及时地回复。

3.1 zval 结构

PHP中的变量都是以zval 的形式出现的，它是一个tagged union形式:

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// Zend/zend_types.h
typedef union _zend_value {
	zend_long         lval;				/* long value */
	double            dval;				/* double value */
	zend_refcounted  *counted;
	zend_string      *str;
	zend_array       *arr;
	zend_object      *obj;
	zend_resource    *res;
	zend_reference   *ref;
	zend_ast_ref     *ast;
	zval             *zv;
	void             *ptr;
	zend_class_entry *ce;
	zend_function    *func;
	struct {
		uint32_t w1;
		uint32_t w2;
	} ww;
} zend_value;

struct _zval_struct {
    zend_value        value;			/* value */
    union {
        uint32_t type_info;
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_3(
                zend_uchar    type,			/* active type */
                zend_uchar    type_flags,
                union {
                    uint16_t  extra;        /* not further specified */
                } u)
        } v;
    } u1;
    union {
        ...
    } u2;
};

这在编程语言设计中非常常见，比如JavaScriptCore里面对应的变量表示形式JSValue。所以在了解编程语言内部的时候，你需要提早关注它里面的变量表示形式。其中zval.value会存储变量对应的真正值，而zval.u1.type_info会存储变量对应的类型信息。

3.2 PHP基本类型

PHP中基本类型有

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// Zend/zend_types.h
#define IS_UNDEF					0
#define IS_NULL						1
#define IS_FALSE					2
#define IS_TRUE						3
#define IS_LONG						4
#define IS_DOUBLE					5
#define IS_STRING					6
#define IS_ARRAY					7
#define IS_OBJECT					8
#define IS_RESOURCE					9
#define IS_REFERENCE				10
#define IS_CONSTANT_AST				11 /* Constant expressions */

它们出现在zval.u1.v.type中。

  1. undefined， null， false 和 true 可以直接用类型信息区分;
  2. long 和 double直接以primitive value存储在zval.value.lval和zval.value.dval中;
  3. string， array， object， resource， reference和constant_ast都有对应的具体结构，其地址将以指针的形式存放在zval.value.str, zval.value.arr ... 中。

3.3 zend_string结构

zend_string用于描述上面提到的string类型。其结构如下:

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typedef struct _zend_refcounted_h {
    uint32_t         refcount;			/* reference counter 32-bit */
    union {
        uint32_t type_info;
    } u;
} zend_refcounted_h;

struct _zend_string {
    zend_refcounted_h gc;
    zend_ulong        h;                /* hash value */
    size_t            len;
    char              val[1];
};

其中:

  1. zend_string.gc : 我通常叫它gc_info，里面有一个比较重要是zend_string.gc.refcount表示引用计数;
  2. zend_string.h : 用于缓存对该string计算过的hash值;
  3. zend_string.len : 用于表示该string表示字符串长度;
  4. zend_string.val: 用于表示string表示字符串具体内容，而字符串内容位于zend_string结构其后的连续内存上。

3.4 Packed and Mixed Array

PHP中两种类型的数组:

  1. packed array : 用整数作为index连续存放的数组 i.e., $arr = [1,2,3,4];
  2. mixed array: 混合了以字符串以index作为的数组 i.e., $arr = [1, 'key1' => 'val1'];

我们来介绍一下在array中的butterfly. 首先是packed array:

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                  +=============================+
                  | HT_INVALID_IDX              |
                  | HT_INVALID_IDX              |
                  +-----------------------------+
ht->arPacked ---> | ZVAL[0]                     |
                  | ...                         |
                  | ZVAL[ht->nTableSize-1]      |
                  +=============================+

其中zend_array.arData 实际指向存储的第1个元素，注意到它并不是指向当前申请的内存起始位置，前面还有两个index cells (一个cell大小为4字节)，我们称其为index table. 可以看到在其上都存放着HT_INVALID_IDX (值为-1)。因为packed array, 不需要对index做hash, 直接根据index在arData上取值即可。那这两个invalid index在这里是干啥呢？为了照顾在整数/非整数 index上的数组统一操作。我之前就困在packed array之上。

再一个就是mixed array:

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                +=============================+
                | HT_HASH(ht, ht->nTableMask) |
                | ...                         |
                | HT_HASH(ht, -1)             |
                +-----------------------------+
ht->arData ---> | Bucket[0]                   |
                | ...                         |
                | Bucket[ht->nTableSize-1]    |
                +=============================+

mixed array中的元素也是顺序存储的, 位于一块连续的内存上 (ht->arData)。为了解决hash冲突，PHP会通过一张隐式的链表将hash冲突的元素连接起来。为了在mixed array中根据index找到正确的元素，会做这样以下操作:

  1. 对index做hash, 得到值h;
  2. 根据h计算它落在index table的位置 h | ht->nTableMask。每一个index cell中都存储目标元素所在链表的头结点与ht->arData的offset;
  3. 因此会从ht->arData[h | ht->nTableMask]开始遍历链表，比照index，找到目标元素。

在mixed array中，index table中index cells的个数是这个array可存储元素容量的2倍。在array扩容的过程中依然会保持这个关系，例如如果array可以存储8个元素，那么就有16 index cells。它们总计大小，即是对应butterfly区域内存大小。

无论是packed array或者mixed array它们的容量最小都是8个元素，而每次扩容都是double。特别地是，PHP数组存储单个元素的结构为Bucket, 其定义如下:

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typedef struct _Bucket {
    zval              val;
    zend_ulong        h;                /* hash value (or numeric index)   */
    zend_string      *key;              /* string key or NULL for numerics */
} Bucket;
  1. Bucket.val 存放元素对应的value;
  2. Bucket.h 存放整型的index;
  3. Bucket.key 存放元素对应的key。

3.5 Variable Assignment

这里讲一下两个zval *var, *val之间的赋值过程，它对应Zend/zend_execute.h中两个函数zend_assign_to_variable 和 zend_copy_to_variabl部分过程 。我用伪代码表示，因为适合突出一些重要的东西，并省略一些不太重要的信息。

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// assign val to var
if var is refcouted:
    var_value = get_value_from_zval(var);
    copy_zval(var, val)
    if (get_refcount(var_value) == 1) 
        free_value(var_value)
else
    copy_zval(var, val)

它对应的两个函数明显会比我给出的伪代码复杂，但是我们不需要关注里面大多数cases。其中我们说一个zval是refcounted，意味它对应值需要额外分配内存，比如string， array和 object这些都是，而null，false， true，long 和double它们不是refcounted，因为它们的值是直接保存在zval中的。这里赋值过程的核心逻辑是我们特别需要注意var原本的值。

我来解释一下这里在做什么:

  1. 当var是refcounted时，我们做以下操作:
    1. 首先我们用var_value记录了var的原值;
    2. 我们直接通过copy_zval将val拷贝到var上;
    3. 判断var的原值的引用计数是否为1，如果是1则释放掉var的原值。
  2. 反之，我们直接通过copy_zval将val拷贝到var。

在1.3中var的原值的引用计数为1，意味着这个值只有var来用，当var被赋予新值之后，它的原值就没人用了，那么是可以释放掉的。其中copy_zval做了两件事情:

  1. 将val的值直接拷贝到var上;
  2. 按情况调整val所指向值的引用计数。

这里我们暂时不讨论是什么情况会调整引用计数。

3.6 Copy on Write

它的中文名叫写时复制，是一种比较常见的优化。考虑如下代码

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$a = 'aaaa';
$b = $a;
echo $b;
$b .= 'b';
echo $b;

在第二行这里并不会直接复制字符串'aaaa' 给变量$b，而是把$a指向的string上引用计数加1. 在第4行这里才会将前面的字符串重新复制一份，用于连接字符串b，再将新的结果写入$b. 那么写时复制是如何判断的呢？ 很简单，你只需要判断你指向的值的引用计数是否大于1.

以上就是这里我们需要知道的所有PHP里面的知识。

0x04 利用简述

我们的大致路线是:

  1. 构造fakeZval原语;
  2. 泄露堆上某个地址;
  3. 构造addressOf原语;
  4. 构造第一阶段有条件的读/写原语;
  5. 构造第二阶段稳定的任意读/写原语。

参考jsc中经常会fakeObj和addressOf原语， 我们来构造PHP中独特的fakeZval和addressOf。这篇文章不讨论后续利用，因为相关利用方式比较模板化，常规PHP漏洞利用中都有提到，不再累述，节省篇幅。

0x05 构造fake zval

这个技术的灵感来于jsc利用里面的fakeobj源语。

回忆一下，我们之前的想法

  1. 触发array的resize, 让array的butterfly被释放掉;
  2. 我们马上抢占这块butterfly对应的内存;
  3. 让null写在我们抢占这块内存所使用的结构上。

这里我们先搞清楚两个问题:

  1. null会写在butterfly的哪里？

  2. 结合我们前面理解的两个zval直接的赋值过程，如何让写null这个操作顺利执行？

第1个问题，毫无意义，null写在你通过index指定的元素上. 例如我定义一个mixed array (这里的构造方式是为了防止PHP compiler将其优化成一个常量数组)如下:

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$a1_str = 'eeee'
$victim_arr = array(
    'a1' => $a1_str,
    'a2' => 1,
    'a3' => 1,
    'a4' => 1,
    'a5' => 1,
    'a6' => 1,
    'a7' => 1,
    'a8' => 1, 
);

它对应的memory layout如下(我们前面提到过，8个元素对应16个index cells):

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                          ┌───────────────┐       
                          │ index_cell15  │ │     
                          ├───────────────┤ │     
                          │   ...         │ │     
                          ├───────────────┤ │     
                          │ index_cell1   │ │     
                          ├───────────────┤ │     
                          │ index_cell0   │ │ addr
$victim_arr['a1']──────►  |───────────────┤ │     
                          │   bucket0     │ │     
                          ├───────────────┤ │     
                          │   bucket1     │ │     
                          ├───────────────┤ ▼     
                          │   ...         │       
                          ├───────────────┤       
                          │   bucket7     │       
                          └───────────────┘

如果要写这个数组的第1个元素 $a['a1'] = $undef_var，那么写入的位置相对于这块butterfly的其实地址的offset应该为4 * 16 = 64。

第二问题，当上面的butterfly区域被释放后，我们马上构造一个大小合适的string来把它抢占。例如:

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$zend_array_burket_size = 0x20;
$zend_table_index_size = 0x4;
$zend_string_size = 0x20;

$user_str_length = 16 * $zend_table_index_size + 8 * $zend_array_burket_size - $zend_string_size;
set_error_handler(function() {
	$victim_arr['a9'] = 1;
    $user_str = str_repeat('b', $user_str_length);
})

对于一个string, 它的前0x18字节属于header, 具体来说:

  1. +0x0 : 引用计数;
  2. +0x4 : gc信息;
  3. +0x08 : hash值缓存，如果对这个string做过hash，得到的hash会放在这个地方;
  4. +0x16 : 字符串长度;
  5. 其余部分存储字符串内容。

那么很显然要写的地方0x40落在了我们可控的字符串内容上。那么可以伪造一个zval，来满足前面提到过的赋值过程中的check，让null顺利的写到这个fake zval上。

0x06 泄露某个地址

绕过ASLR，或者是读写指定地址的内容，我们都需要先泄露一些地址，才能准确定位我们需要的地址。这里的过程比较trick，我们借助了PHP的弱类型转换。考虑如下代码:

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$victim_arr['a1'] = true;
$victim_arr['a1'] .= null;
var_dump($victim_arr['a1']); 
// output: string(1) "1"

在第3行这里，有一个string concact操作，会把$a['a1']和null连接起来。但是它们都不是string，所以这里会经历一个弱转，true会被转成字符串"1"，而null会被转成empty string。 最后值为"1"的string写到$a['a1']上，所以$a['a1']会保存这个string的指针。通过前面UAF， $a['a1']实际位于我们可以控制的内存 (即$user_str)上，它对应我们使用fakeZval构造的zval。通过读取$user_str，我们就拿到了这个string的地址。

此时$user_str内存布局应该为

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                              ┌──────────────┐                                 
                              │              │                                 
                              │ string_header│                                 
                              │              │                                 
                              ├──────────────┤0x18                             
                              │              │                                 
                              │    ...       │                                 
                              │              │                     string: '1' 
fake_zval_with_null──────────►├──────────────┤0x40 ◄─────────────┬────────────┐
            │  zval_value     │    0x0       │                   │  gc_header │
            ├────────────────►├──────────────┤0x48               ├────────────┤
            │  zval_type      │    0x3       │                   │  hash      │
            └────────────────►├──────────────┤                   ├────────────┤
                              │              │                   │  len       │
                              │              │                   ├────────────┤
                              │              │                   │  content   │
                              └──────────────┘                   └────────────┘

注意里面的0x3表示是这个fake zval是一个true。因为这个fake zval作为一个待赋值的zval，它只是一个null，非前面我们提到的refcounted类型的值。所以这里的赋值过程非常简单:

  1. 将string : "1"的地址复制到fake zval的zval.value.str中;
  2. 将fake zval类型修改为 is_string。

注意这里有一个小问题，你会发现上述泄露出来的string地址不在PHP自己管理的堆上，用于存放各种PHP运行时结构。而是在glibc通过malloc/free管理的堆上。这是因为PHP对于字符串的一个小优化，PHP会将常见的字符串对应的string事先分配，如果在运行时，有碰到这些字符串，直接返回之前分配好的就行，避免频繁分配。而这些字符串在PHP是以persistent string出现的， 它们内存都是通过malloc分配的。

true弱转对应的当个字符"1"恰好就是这已知字符串中的一个，并且它在这里连接是一个empty string。使得最后结果依然这个已知的string。如果我们想到得到PHP自己堆上的一个地址，我们就必须绕过它。很简单，我们可以用int或者double来作为fake zval的值就行。

这里我使用的是int : (100)，最后我们就得到了string : "100"的地址。为什么使用100，后面会提到。

0x07 获取一块内存

目前我们有string : "100"的地址str100_addr，我们先来看一下string : "100"的memory layout:

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                    string : "100"             
              ┌────────────────────────┐       
              │   0x0000001600000001   │gc_info
fake_string──►├────────────────────────┤       
              │   0x0000000000000000   │hash   
              ├────────────────────────┤       
              │   0x0000000000000003   │len    
              ├────────────────────────┤       
fake_len─────►│   0x00007fff00303031   │content
              ├────────────────────────┤       
              │                        │       
              └────────────────────────┘

在content这里的0x303031其实对应字符串"100"。试想，我们如果利用fakeZval原语构造一个zval， 让它的类型为string，让它的值指向str100_addr + 0x8，即上图的fake_string处的位置。从fake_string开始，我们构造了一个新的string， 它的长度为0x00007fff00303031。其中出现的7fff是堆上的一些随机数据，这里的0x303031它是大于一个PHP中memory chunk的容量0x200000的，以至于这个fake_string能盖住整个memory chunk，这就是我之前用int : (100)的原因。

我们的想法是，我能不能利用这个fake_string读到内存后面的内容？ 那么我需要拿到这个fake_string，如下:

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reset_victim_arr_and_user_str();

set_error_handler(function() {	
	// resize
    global $victim_arr;
    global $user_str_length;
    global $user_str;
    global $first_elem_offset;
    global $zend_string_header;
    
    global $str100_addr;
    
	$victim_arr['a9'] = 1;
    $user_str = str_repeat('b', $user_str_length);
    
    // construct fake zval that contains a fake zend_string;
    // 1. zval.value.str <= $leak_addr + 0x8;
    // 2. zval.u1.type_info <= is_string_ex == (6 | (1 << 8));
    writestr64($user_str, $first_elem_offset - $zend_string_header, $str100_addr + 0x8);
    writestr64($user_str, $first_elem_offset - $zend_string_header + 0x8, (6 | (1 << 8)));
});

$heap = $victim_arr['a1'] .= $undef_var;
  • 第1行 reset_victim_arr_and_user_str() 表示重置$victim_arr 和 $user_str，以保证后面UAF的触发;
  • 在error_handler里面我们构造了一个fake zval, 指向我们的fake_string;
  • 注意第15行这里，我们用$heap hold了后面这个array assign的计算结果。后面array assign的计算结果是fake_string拼接一个empty string，那么这意味着$heap就是fake_string。

我们可以通过读取$heap来漫游PHP堆上的内容。这不算完，我们还可以修改$heap对应fake_string的内容，但不会触发copy-on-write。不会触发copy-on-write是这里最关键的。按道理，$heap hold了array assign的计算结果，即为fake_string，那么fake_string的引用计数是需要加1的，如果fake_string的引用计数大于1，在我们修改$heap的时候，就会发生copy-on-write，造成我们根本修改不到fake_string上的内容。再退一步说，我们可能会在copy-on-write的时候会导致PHP直接结束，因为fake_string的size可能会很大，你要拷贝一份fake_string显然就会失败，比如参考前面的0x00007fff00303031。

那么这里为什么不会发生copy-on-write，我们看fake_string的gc_info，它的值是原来string : "100"的hash，即为0x00。而PHP检查一个值是不是refcounted，就会检查gc_info是不是不为0x00。这就意味着PHP认为fake_string不是refcounted，即不是gc关注的对象。意味着array assign计算结果也不是refcounted，那么这里根本就不存在什么copy-on-write。因为copy-on-write只针对refcounted values。

0x08 构造addressOf

现在我们就有一个可读可写，并且我们知道它位置的内存。实际做到一步，我们已经可以停手了。比如像[5]中的利用方式一样:

  1. 在堆上喷射大量我们想要读取的内存结构，拿到我们想要的地址。
  2. 在堆上喷射大量我们想要写入的内容结构，写入我们希望的值。

在第一版exploitation我是这样的利用的。但是这里还是有很多不确定性，比如我们喷射的内存结构不在我们可以漫游的memory chunk中，就可能会失败。这时候我们需要重新调整fake_string的位置，比如先喷射大量的string : "100"，让我们迁移到全新的memory chunk上。

没人喜欢不确定性，我也一样。这里我们来构造一个更加稳定的addressOf来帮助我们定位想要的内存结构位置。比如

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$num = 1111;
$num_value = addressOf($num);
$str = "aaaaaaa";
$str_addr = addressOf($func);
$obj = new stdClass();
$obj_addr = addressOf($obj);

它有如下功能 :

  • 对于不是refcounted的值，我们直接可以通过addressOf来获取它的immediate value。比如上面的$num。
  • 对于refcounted的值，我们可以通过addressOf来获取它的地址。比如上面的$str和$obj。

我们的想法是在前面这块内存上布置一个array : [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]。如下

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array : [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]                     
┌───────────────┐                                    
│packed_arr_flag│                     butterfly      
├───────────────┤                  ┌────────────────┐
│   ...         │                  │    invalid_idx │
│   ...         │                  ├────────────────┤
├───────────────┤                  │    invalid_idx │
│  arData       ├─────────────────►├────────────────┤
├───────────────┤                  │     bucket0    │
│   ...         │                  ├────────────────┤
│   ...         │                  │     ...        │
│               │                  ├────────────────┤
│               │                  │     bucket7    │
│               │                  └────────────────┘
└───────────────┘

我们的想法:

  1. 控制这个fake array的引用计数为1;
  2. 使用fakeZval原语包装这个fake_array;
  3. 触发前面的UAF，fake_array被释放，我们马上申请一个相同的array $hax，拿到这块内存;
  4. 假设你要读取的值为$val， 那么使得$hax[0] = $val ;
  5. 那么我们再去$heap指定位置读butterfly上第一个元素的内容，即可获得我们想要的。

需要注意的是，在free一个小内存的时候，PHP是先定位它所在page，来判定它属于什么size的bin，再投放正确的到free_list上。所以你构造fake array的位置要确定好。如果你想绕过这个限制，你可以申请一块超大内存，来自己伪造memory chunk，具体可以参考[16]。

0x09 任意读/写原语

我目光对准了php://memory[15]，PHP运行我们以文件操作的形式操作一块内存。控制这块内存大小的结构为，

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typedef struct {
	char        *data;
	size_t      fpos;
	size_t      fsize;
	size_t      smax;
	int			mode;
} php_stream_memory_data;

我们的想法:

  1. 在$heap上布置和sizeof(php_stream_memory_data)大小的string;
  2. 利用UAF释放掉这个string，确保fopen("php://memory")在创建php_stream拿到;
  3. 修改上面的data指针和fpos以及fsize来读写任意的区域。

同样地，要注意释放string所在的page。

0x0A 完整的利用

暂时不提供，因为影响比较大，且没有修复。

0x0B 总结

我们分析了PHP IR中存在的问题，以及为什么长时间没有被修复，最后提出了一个修复建议。写下了我在探索这个问题时，给过我帮助的3只蝴蝶。最后给大家分享了我的利用方式，将JS引擎利用中的常见原语尝试搬到了PHP上。当走出了误区之后，在构造exploitation过程中诞生了许多ideas，实际这不是一个特别难的利用，只是我比较笨而已。我觉得不同解释器或者编译器的利用中都有很多相同点，可以相互借鉴学习，也许能帮你找到更多的思路。

最后，题目中的"PHP之殇"，更多是对过去的一种告别，未来我会更多关注PHP中可能马上会release的新的JIT complier，希望在未来给大家带来我关于它的一些有趣的故事。

0x0C 引用

  1. 风雪之隅, https://www.laruence.com/
  2. 深入理解PHP7内核之HashTable, https://www.laruence.com/2020/02/25/3182.html
  3. crash.php, https://github.com/m4p1e/php-exploit/blob/master/crash.php
  4. zend_assign_dim_op, https://github.com/php/php-src/blob/master/Zend/zend_vm_def.h#L1151
  5. CVE-2023-3824: 幸运的Off-by-one (two?), https://m4p1e.com/2024/03/01/CVE-2023-3824/
  6. WebAssembly安全研究总结, https://mp.weixin.qq.com/s/cPUaDQaCWpZiBEgZqbqvPg
  7. JavaScript engine exploit（二）,https://www.anquanke.com/post/id/183805
  8. Browser Exploitation, https://liveoverflow.com/topic/browser-exploitation/
  9. Attacking JavaScript Engine, http://www.phrack.org/issues/70/3.html
  10. Pwning Lua through 'load', https://saelo.github.io/posts/pwning-lua-through-load.html
  11. LuaJIT Internals: Intro, https://0xbigshaq.github.io/2022/08/22/lua-jit-intro/
  12. dstogov/ir, https://github.com/dstogov/ir
  13. https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP
  14. Zend/zend_types.h, https://github.com/php/php-src/blob/master/Zend/zend_types.h
  15. PHP memory wrapper https://www.php.net/manual/en/wrappers.php.php#wrappers.php.memory
  16. RWCTF2021 Mop 0day Writeup, https://m4p1e.com/2021/01/13/rwctf2021-master-of-php/