gcc常用的编译选项对代码的影响

测试环境 redhat 6.2

★ 前言

本文讨论gcc的一些常用编译选项对代码的影响。当然代码变了，
它的内存布局也就会变了，随之exploit也就要做相应的变动。
gcc的编译选项实在太多，本文检了几个最常用的选项。

★ 演示程序

[alert7@redhat62 alert7]$ cat > test.c
#include <stdio.h>
void hi(void)
{
printf("hi");
}

int main(int argc, char *argv[])
{
        hi();
        return 0;
}

★ 一般情况

[alert7@redhat62 alert7]$ gcc -o test test.c
[alert7@redhat62 alert7]$ wc -c test
  11773 test
[alert7@redhat62 alert7]$ gdb -q test
(gdb) disass main
Dump of assembler code for function main:
0x80483e4 <main>:       push   %ebp
0x80483e5 <main+1>:     mov    %esp,%ebp
0x80483e7 <main+3>:     call   0x80483d0 <hi>
0x80483ec <main+8>:     xor    %eax,%eax
0x80483ee <main+10>:    jmp    0x80483f0 <main+12>
0x80483f0 <main+12>:    leave
0x80483f1 <main+13>:    ret
....
End of assembler dump.
(gdb) disass hi
Dump of assembler code for function hi:
0x80483d0 <hi>:        push   %ebp
0x80483d1 <hi+1>:       mov    %esp,%ebp
0x80483d3 <hi+3>:       push   $0x8048450
0x80483d8 <hi+8>:       call   0x8048308 <printf>
0x80483dd <hi+13>:      add    $0x4,%esp
0x80483e0 <hi+16>:      leave
0x80483e1 <hi+17>:      ret
0x80483e2 <hi+18>:      mov    %esi,%esi
End of assembler dump.

来看看部分的内存映象
                   (内存高址)
                              +--------+
                              bffffbc4 argv的地址(即argv[0]的地址)
                   0xbffffb84 +--------+
                              00000001 argc的值
                   0xbffffb80 +--------+
                              400309cbmain的返回地址
                   0xbffffb7c +--------+ <-- 调用main函数前的esp
                              bffffb98 调用main函数前的ebp
                   0xbffffb78 +--------+ <-- main函数的ebp
                              080483ec hi()的返回地址
                   0xbffffb74 +--------+
                              bffffb78 调用hi()前的esp
                   0xbffffb70 +--------+ 
                              08048450 "hi"的地址
                   0xbffffb6c +--------+ 
                               ...... 
                   (内存低址)

leave    指令所做的操作相当于MOV ESP,EBP 然后 POP EBP 
ret    指令所做的操作相当于POP EIP

★ -O 编译选项

With `-O'', the compiler tries to reduce code size and execution time.
When you specify `-O'', the two options `-fthread-jumps'' and 
`-fdefer-pop'' are turned  on
优化，减少代码大小和执行的时间

[alert7@redhat62 alert7]$ gcc -O -o test test.c
[alert7@redhat62 alert7]$ wc -c test
  11757 test
[alert7@redhat62 alert7]$ gdb -q test
(gdb) disass main
Dump of assembler code for function main:
0x80483d8 <main>:       push   %ebp
0x80483d9 <main+1>:     mov    %esp,%ebp
0x80483db <main+3>:     call   0x80483c8 <hi>
0x80483e0 <main+8>:     xor    %eax,%eax
0x80483e2 <main+10>:    leave
0x80483e3 <main+11>:    ret
0x80483e4 <main+12>:    nop
...
End of assembler dump.
(gdb) disass hi
Dump of assembler code for function hi:
0x80483c8 <hi>:        push   %ebp
0x80483c9 <hi+1>:       mov    %esp,%ebp
0x80483cb <hi+3>:       push   $0x8048440
0x80483d0 <hi+8>:       call   0x8048308 <printf>
0x80483d5 <hi+13>:      leave
0x80483d6 <hi+14>:      ret
0x80483d7 <hi+15>:      nop
End of assembler dump.

在main()中，把一条jmp指令优化掉了，很显然，这条指令是可以不需要的。
在hi()中，把add    $0x4,%esp优化掉了，这会不会使stack不平衡呢？
来看看部分的内存映象
                   (内存高址)
                              +--------+
                              bffffbc4 argv的地址(即argv[0]的地址)
                   0xbffffb84 +--------+
                              00000001 argc的值
                   0xbffffb80 +--------+
                              400309cbmain的返回地址
                   0xbffffb7c +--------+ <-- 调用main函数前的esp
                              bffffb98 调用main函数前的ebp
                   0xbffffb78 +--------+ <-- main函数的ebp
                              080483e0 hi()的返回地址
                   0xbffffb74 +--------+
                              bffffb78 调用hi()前的esp
                   0xbffffb70 +--------+ 
                              08048440 "hi"的地址
                   0xbffffb6c +--------+ 
                               ...... 
                   (内存低址)

leave    指令所做的操作相当于把MOV ESP,EBP 然后 POP EBP  
看到leave指令操作了没有，先把ebp-->esp，再pop ebp，这样即使
在过程内堆栈的esp,ebp是不平衡的，但只要返回时候碰到leave指令
就会平衡了，所以把add    $0x4,%esp优化掉也是没有问题的。

★ -O2 编译选项

-O2    Optimize  even more.  Nearly all supported optimizations that do 
    not involve a space-speed tradeoff are performed.  Loop unrolling
    and function inlining are not done, for example.  As compared to -O,
        this option increases both compilation time and the performance of
    the generated code.

[alert7@redhat62 alert7]$ gcc -O2 -o test test.c
[alert7@redhat62 alert7]$ wc -c test
  11757 test
[alert7@redhat62 alert7]$ gdb -q test
(gdb) disass main
Dump of assembler code for function main:
0x80483d8 <main>:       push   %ebp
0x80483d9 <main+1>:     mov    %esp,%ebp
0x80483db <main+3>:     call   0x80483c8 <hi>
0x80483e0 <main+8>:     xor    %eax,%eax
0x80483e2 <main+10>:    leave
0x80483e3 <main+11>:    ret
...
0x80483ef <main+23>:    nop
End of assembler dump.
(gdb) disass hi
Dump of assembler code for function hi:
0x80483c8 <hi>:        push   %ebp
0x80483c9 <hi+1>:       mov    %esp,%ebp
0x80483cb <hi+3>:       push   $0x8048440
0x80483d0 <hi+8>:       call   0x8048308 <printf>
0x80483d5 <hi+13>:      leave
0x80483d6 <hi+14>:      ret
0x80483d7 <hi+15>:      nop
End of assembler dump.

由于程序比较简单，再优化也没有好优化的了，所以跟-O出来的一样。

★ -fomit-frame-pointer 编译选项

-fomit-frame-pointer
              Don''t keep the frame pointer in a register for functions 
          that don''t need one.  This avoids the  instructions to save, 
          set up and restore frame pointers; it also makes an extra 
          register available in many functions.  It also makes 
          debugging impossible on most machines.

忽略帧指针。这样在程序就不需要保存，安装，和恢复ebp了。这样ebp也就是一个
free的register了，在函数中就可以随便使用了。

[alert7@redhat62 alert7]$ gcc -fomit-frame-pointer -o test test.c
[alert7@redhat62 alert7]$ wc -c test
  11773 test
[alert7@redhat62 alert7]$ gdb -q test
(gdb) disass main
Dump of assembler code for function main:
0x80483e0 <main>:       call   0x80483d0 <hi>
0x80483e5 <main+5>:     xor    %eax,%eax
0x80483e7 <main+7>:     jmp    0x80483f0 <main+16>
0x80483e9 <main+9>:     lea    0x0(%esi,1),%esi
0x80483f0 <main+16>:    ret
....
End of assembler dump.
(gdb) disass hi
Dump of assembler code for function hi:
0x80483d0 <hi>:        push   $0x8048450
0x80483d5 <hi+5>:       call   0x8048308 <printf>
0x80483da <hi+10>:      add    $0x4,%esp
0x80483dd <hi+13>:      ret
0x80483de <hi+14>:      mov    %esi,%esi
End of assembler dump.

在main()和hi()中都去掉了以下指令
push   %ebp
mov    %esp,%ebp//这两条指令安装
leave//这条指令恢复
来看看部分的内存映象
                   (内存高址)
                              +--------+
                              bffffbc4 argv的地址(即argv[0]的地址)
                   0xbffffb84 +--------+
                              00000001 argc的值
                   0xbffffb80 +--------+
                              400309cbmain的返回地址
                   0xbffffb7c +--------+ 
                              080483e5 hi()的返回地址
                   0xbffffb78 +--------+
                              08048450  "hi"字符串的地址
                   0xbffffb74 +--------+ 
                               ...... 
                   (内存低址)
没有保存上层执行环境的ebp.

★ -fomit-frame-pointer && -O2 

-fomit-frame-pointer编译选项去掉了
push   %ebp
mov    %esp,%ebp//这两条指令安装
leave//这条指令恢复
-O2编译选项去掉了
add    $0x4,%esp

两个加起来会不会这四条指令一起去掉，从而使stack不平衡呢？

[alert7@redhat62 alert7]$ gcc -fomit-frame-pointer -O2 -o test test.c
[alert7@redhat62 alert7]$ wc -c test
  11741 test
[alert7@redhat62 alert7]$ gdb -q test
(gdb) disass main
Dump of assembler code for function main:
0x80483d8 <main>:       call   0x80483c8 <hi>
0x80483dd <main+5>:     xor    %eax,%eax
0x80483df <main+7>:     ret
End of assembler dump.
(gdb) disass hi
Dump of assembler code for function hi:
0x80483c8 <hi>:        push   $0x8048430
0x80483cd <hi+5>:       call   0x8048308 <printf>
0x80483d2 <hi+10>:      add    $0x4,%esp
0x80483d5 <hi+13>:      ret
0x80483d6 <hi+14>:      mov    %esi,%esi
End of assembler dump.
来看看部分的内存映象
                   (内存高址)
                              +--------+
                              bffffbc4 argv的地址(即argv[0]的地址)
                   0xbffffb84 +--------+
                              00000001 argc的值
                   0xbffffb80 +--------+
                              400309cbmain的返回地址
                   0xbffffb7c +--------+ 
                              080483dd hi()的返回地址
                   0xbffffb78 +--------+
                              08048430  "hi"字符串的地址
                   0xbffffb74 +--------+ 
                               ...... 
                   (内存低址)

此时就没有把add    $0x4,%esp优化掉，如果优化掉的话，整个stack就
会变的不平衡，从而会导致程序出错。

★ -fPIC 编译选项

-fPIC    If  supported for the target machine, emit position-independent
    code, suitable for dynamic linking,even if branches need large 
    displacements.
产生位置无关代码（PIC），一般创建共享库时用到。
在x86上，PIC的代码的符号引用都是通过ebx进行操作的。

[alert7@redhat62 alert7]$ gcc -fPIC -o test test.c
[alert7@redhat62 alert7]$ wc -c test
  11805 test
[alert7@redhat62 alert7]$ gdb -q test
(gdb) disass main
Dump of assembler code for function main:
0x80483f8 <main>:       push   %ebp
0x80483f9 <main+1>:     mov    %esp,%ebp
0x80483fb <main+3>:     push   %ebx
0x80483fc <main+4>:     call   0x8048401 <main+9>
0x8048401 <main+9>:     pop    %ebx//取得该指令的地址
0x8048402 <main+10>:    add    $0x1093,%ebx//此时ebx里面存放着是GOT表的地址
0x8048408 <main+16>:    call   0x80483d0 <hi>
0x804840d <main+21>:    xor    %eax,%eax
0x804840f <main+23>:    jmp    0x8048411 <main+25>
0x8048411 <main+25>:    mov    0xfffffffc(%ebp),%ebx
0x8048414 <main+28>:    leave
0x8048415 <main+29>:    ret
...
End of assembler dump.
(gdb) disass hi
Dump of assembler code for function hi:
0x80483d0 <hi>:        push   %ebp
0x80483d1 <hi+1>:       mov    %esp,%ebp
0x80483d3 <hi+3>:       push   %ebx
0x80483d4 <hi+4>:       call   0x80483d9 <hi+9>
0x80483d9 <hi+9>:       pop    %ebx
0x80483da <hi+10>:      add    $0x10bb,%ebx
0x80483e0 <hi+16>:      lea    0xffffefdc(%ebx),%edx
0x80483e6 <hi+22>:      mov    %edx,%eax
0x80483e8 <hi+24>:      push   %eax
0x80483e9 <hi+25>:      call   0x8048308 <printf>
0x80483ee <hi+30>:      add    $0x4,%esp
0x80483f1 <hi+33>:      mov    0xfffffffc(%ebp),%ebx
0x80483f4 <hi+36>:      leave
0x80483f5 <hi+37>:      ret
0x80483f6 <hi+38>:      mov    %esi,%esi
End of assembler dump.
来看看部分的内存映象
  
    (内存高址)
              +--------+
              bffffbc4 argv的地址(即argv[0]的地址)
   0xbffffb84 +--------+
              00000001 argc的值
   0xbffffb80 +--------+
              400309cbmain的返回地址
   0xbffffb7c +--------+ <-- 调用main函数前的esp
              bffffb98 调用main函数前的ebp
   0xbffffb78 +--------+ <-- main函数的ebp
              401081ec 保存的ebx
   0xbffffb74 +--------+
              0804840d （存放过call 0x8048401的下一条指令地址）
   0xbffffb70 +--------+ 
              bffffb78 调用hi()前的esp
   0xbffffb6c +--------+ 
              08049494 GOT表地址
   0xbffffb68 +--------+ 
              08048470（存放过call 0x80483d9的下一条指令地址） 
   0xbffffb64 +--------+ 
               ...... 
     (内存低址)

★ -static 编译选项

-static
    On systems that support dynamic linking, this prevents 
    linking with the shared libraries.  On other  systems, 
    this option has no effect.
把一些函数都静态的编译到程序中，而无需动态链接了。

[alert7@redhat62 alert7]$ gcc -o test -static test.c
[alert7@redhat62 alert7]$ wc -c test
962808 test
[alert7@redhat62 alert7]$ gdb -q test
(gdb) disass main
Dump of assembler code for function main:
0x80481b4 <main>:       push   %ebp
0x80481b5 <main+1>:     mov    %esp,%ebp
0x80481b7 <main+3>:     call   0x80481a0 <hi>
0x80481bc <main+8>:     xor    %eax,%eax
0x80481be <main+10>:    jmp    0x80481c0 <main+12>
0x80481c0 <main+12>:    leave
0x80481c1 <main+13>:    ret
...
End of assembler dump.
(gdb) disass hi
Dump of assembler code for function hi:
0x80481a0 <hi>:        push   %ebp
0x80481a1 <hi+1>:       mov    %esp,%ebp
0x80481a3 <hi+3>:       push   $0x8071528
0x80481a8 <hi+8>:       call   0x804865c <printf>
0x80481ad <hi+13>:      add    $0x4,%esp
0x80481b0 <hi+16>:      leave
0x80481b1 <hi+17>:      ret
0x80481b2 <hi+18>:      mov    %esi,%esi
End of assembler dump.
[alert7@redhat62 alert7]$ ldd test
        not a dynamic executable
-static出来的代码已经没有PLT了，GOT虽然有，已经全部为0了。

★ 小节

抛砖引玉般简单的实例描述了下gcc常用的编译选项对代码的影响。
不正之处，还请斧正。谢谢。