IOS内核堆风水布局解读
这篇文章主要是讨论ios内核堆的分配特性，辟谣下：zalloc内存分配器并没有在释放内存时将object随机的插入到freelist链表里。xnu内核没有单独设计这个特性，这个只是zalloc架构特性导致的，无意中让风水的布局变困难了些。笔者分析过windows、linux、bsd这些os的内存分配器都没有发现释放随机化的安全特性， 因为只有保持内存分配器fifo的特性，才能加快分配速度，任何一个内存分配器的设计值都不会违背这个原则。
下面将仔细探讨下xnu的zalloc特性， 在xnu-4903内核中，一个zone有四条队列：
struct zone {struct {queue_head_t any_free_foreign;queue_head_t all_free;queue_head_t intermediate;queue_head_t all_used;} pages;}
半满外围队列any_free_foreign，全空队列all_free，半满半空队列intermediate，全满队列all_used。我们先讨论下zcache关闭的情况下，在try_alloc_from_zone分配一个object内存时有如下调用：
static inline vm_offset_ttry_alloc_from_zone(zone_t zone,vm_tag_t tag __unused,boolean_t* check_poison){if (zone->allows_foreign && !queue_empty(&zone->pages.any_free_foreign))page_meta = (struct zone_page_metadata *)queue_first(&zone->pages.any_free_foreign);else if (!queue_empty(&zone->pages.intermediate))page_meta = (struct zone_page_metadata *)queue_first(&zone->pages.intermediate);else if (!queue_empty(&zone->pages.all_free)) {page_meta = (struct zone_page_metadata *)queue_first(&zone->pages.all_free);assert(zone->count_all_free_pages >= page_meta->page_count);zone->count_all_free_pages -= page_meta->page_count;} else {return 0;}}
如果zone开启了allows_foreign并且any_free_foreign队列不为空，则从此队列取出队列头节点page_meta，从这个meta里分配内存，如果条件不符合，那么依次从intermediate半满半空队列里取meta，如果还是不符合，那么在从all_free队列里选meta。一个zone是否支持allows_foreign，是通过调用zone_change函数设置的，笔者搜索了整个xnu源码文件，发现只有vm自身的几个zone才会使用此标志，因此jailbreaker关心的zone，比如ipc_port都没有使用，这将简化exploit程序对堆风水布局的处理。当选取完meta后，通过page_metadata_get_freelist获取了meta上的第一个空闲节点，然后要通过page_metadata_set_freelist重新设置新的空闲节点，满足下次的分配需求。最后还要重新布局下当前meta所在的队列。try_alloc_from_zone函数最后有如下代码：
static inline vm_offset_ttry_alloc_from_zone(zone_t zone,vm_tag_t tag __unused,boolean_t* check_poison){if (page_meta->free_count == 0) {[1]re_queue_tail(&zone->pages.all_used, &(page_meta->pages));} else {if (!zone->allows_foreign || from_zone_map(element, zone->elem_size)) {if (get_metadata_alloc_count(page_meta) == page_meta->free_count + 1) {[2]re_queue_tail(&zone->pages.intermediate, &(page_meta->pages));}}}}
[1] 当这个meta在分配完一个空闲节点后， 如果free_count为0，说明meta已经没有空闲的节点了，那么就要将这个meta节点转移到all_used队列。 [2]处的判断meta是否为一个全空的队列，当它分配一个空闲节点后，就变成半满的状态了，因此需要转移到半满队列intermediate。转移队列的操作函数为re_queue_tail：
re_queue_tail(queue_t que, queue_entry_t elt){queue_entry_t n_elt, p_elt;/* remqueue */n_elt = elt->next;[1]p_elt = elt->prev;n_elt->prev = p_elt;p_elt->next = n_elt;/* enqueue_tail */p_elt = que->prev;[2]elt->next = que;elt->prev = p_elt;p_elt->next = elt;que->prev = elt;}
[1] 处先从当前队列删除自身，然后[2]处将其挂载到新队列的末尾。注意这个操作是挂接到队尾，那么当出现一些极端状况发生队列转移时，如果新的队列节点不为空，就要等待前面所有的节点都被用完或发生队列迁移时，这个节点才会被调用到，这就发生了不是fifo的情况，对于jailbreaker的风水布局就会产生影响，这个状态被一些人误以为是ios提供了新的安全特性，在释放时”随机”的将object插入到freelist链表中。
然后有个很有意思的事情发生了， 在最新的xnu-7195.81.3内核中，笔者发现meta队列转移的操作不是挂接到队列末尾，而是队列头部，将队列变成fifo的链表了！
__header_always_inline voidzone_meta_queue_push(zone_t z, zone_pva_t *headp,struct zone_page_metadata *meta, zone_addr_kind_t kind){zone_pva_t head = *headp;zone_pva_t queue_pva = zone_queue_encode(headp); [1]struct zone_page_metadata *tmp;meta->zm_page_next = head; [2]if (!zone_pva_is_null(head)) {tmp = zone_pva_to_meta(head, kind);if (!zone_pva_is_equal(tmp->zm_page_prev, queue_pva)) { [3]zone_page_metadata_list_corruption(z, meta);}tmp->zm_page_prev = zone_pva_from_meta(meta, kind); [4]}meta->zm_page_prev = queue_pva; [5]*headp = zone_pva_from_meta(meta, kind); [6]}
新内核的struct zone_page_metadata结构多了两个成员：
struct zone_page_metadata {zone_pva_t zm_page_next;zone_pva_t zm_page_prev;}
在zone中的队列头也使用zone_pva_t重新定义：
typedef struct zone_packed_virtual_address {uint32_t packed_address;} zone_pva_tstruct zone {zone_pva_t pages_any_free_foreign;zone_pva_t pages_all_used_foreign;zone_pva_t pages_all_free;zone_pva_t pages_intermediate;zone_pva_t pages_all_used;zone_pva_t pages_sequester;}
从四条队列变为了六条队列，每个队列头的地址是被编码起来保存的，通过zone_pva_from_meta函数将一个meta进行转化编码为队列地址，其实就是meta地址在meta base中的偏移。每个meta结构通过双向链链表起来，如果meta是队列中的第一个节点，则它的zm_page_prev指向的是一个”特殊地址”, 这个地址通过zone_queue_encode进行编码，主要原理是把当前队列的地址转为为在zone_array中的索引进行保存。当以后队列节点不为空时，通过[3]处的比较可以确定当前队列的头节点是否被破坏了。如果meta不是队列中的第一个节点，则指向前一个带有正确编码的队列地址。[6]处的操作将meta节点挂载到了最队列的头部，所以这是一个fifo的队列。
在队列取节点时，也是从队列头取出，而不是队列末尾。
__header_always_inline struct zone_page_metadata *zone_meta_queue_pop(zone_t z, zone_pva_t *headp, zone_addr_kind_t kind,vm_offset_t *page_addrp){zone_pva_t head = *headp;struct zone_page_metadata *meta = zone_pva_to_meta(head, kind);vm_offset_t page_addr = zone_pva_to_addr(head);struct zone_page_metadata *tmp;if (kind == ZONE_ADDR_NATIVE && !from_native_meta_map(meta)) {zone_page_metadata_native_queue_corruption(z, headp);}if (kind == ZONE_ADDR_FOREIGN && from_zone_map(meta, sizeof(*meta))) {zone_page_metadata_foreign_queue_corruption(z, headp);}if (!zone_pva_is_null(meta->zm_page_next)) {tmp = zone_pva_to_meta(meta->zm_page_next, kind);if (!zone_pva_is_equal(tmp->zm_page_prev, head)) {zone_page_metadata_list_corruption(z, meta);}tmp->zm_page_prev = meta->zm_page_prev;}*headp = meta->zm_page_next;*page_addrp = page_addr;return meta;}
那么在新内核里，对于布局堆的风水其实是更加便利了！