Math.abs JIT Optimization Bug in JSC

作者：360漏洞研究院戴建军
原文链接：https://vul.360.net/archives/397

2021年天府杯我们成功完成iPhone 13 pro RCE的目标，这篇文章将会详细介绍其中使用到的Safari JavaScriptCore(JSC) 漏洞，漏洞编号为CVE-2021-30953。

ArithNegate

在JSC的JIT FTL优化过程中，对于 -n 的表达式会生成ArithNegate opcode，且ArithNegate会伴随相应的ArithMode，ArithMode有如下几种定义：

enum Mode {
    NotSet, // Arithmetic mode is either not relevant because we're using doubles anyway or we are at a phase in compilation where we don't know what we're doing, yet. Should never see this after FixupPhase except for nodes that take doubles as inputs already.
    Unchecked, // Don't check anything and just do the direct hardware operation.
    CheckOverflow, // Check for overflow but don't bother with negative zero.
    CheckOverflowAndNegativeZero, // Check for both overflow and negative zero.
    DoOverflow // Up-convert to the smallest type that soundly represents all possible results after input type speculation.
};

相信从注释中大家也能明白他们的含义，这里我们主要关注Unchecked和CheckOverflow，顾名思义Unchecked表示不需要对ArithNegate操作做任何检查，CheckOverflow则需要检查是否产生溢出。那么 -n 操作为什么需要检查溢出呢？什么数据能导致 -n 操作产生溢出呢？

我们都知道在INT32类型中，有一个INT_MIN，它的实际值是-2147483648，在JSC中，-(-2147483648)的结果会是什么呢？我们来看一个例子：

n = -2147483648 (INT_MIN)

let y = -n;  // 2147483648 in 64bit value

let z = -n; // -2147483648 in 32 bit value, but overflow check normally

在JSC中，所有Number类型均采用64位浮点数表达，但是如果在JIT过程中n的类型是32位，则编译器会认为ArithNegate操作产生的结果也是32位的，且会附加上CheckOverflow的检查，所以当n=-2147483648时，-n的结果也会是-2147483648，如果此时ArithMode为CheckOverflow，则会发生bailout，如若ArithMode为Unchecked，则不会bailout。

我们来看看ArithNegate的JIT编译函数：

void compileArithNegate()
    {
        switch (m_node->child1().useKind()) {
        case Int32Use: {
            LValue value = lowInt32(m_node->child1());

            LValue result;
            if (!shouldCheckOverflow(m_node->arithMode()))
                result = m_out.neg(value);
            else if (!shouldCheckNegativeZero(m_node->arithMode())) {
                CheckValue* check = m_out.speculateSub(m_out.int32Zero, value);
                blessSpeculation(check, Overflow, noValue(), nullptr, m_origin);
                result = check;
            } else {
                speculate(Overflow, noValue(), nullptr, m_out.testIsZero32(value, m_out.constInt32(0x7fffffff)));
                result = m_out.neg(value);
            }

            setInt32(result);
            break;
        }

从代码中也能看出，CheckOverflow会产生溢出检查的汇编代码，Unchecked则直接产生 neg 汇编指令。

CheckInBounds

JSC中针对数组的访问，FTL SSALowering优化阶段会引入一个index范围检查的opcode: CheckInBounds，相应的代码如下：

case GetByVal: {
        lowerBoundsCheck(m_graph.varArgChild(m_node, 0), m_graph.varArgChild(m_node, 1), m_graph.varArgChild(m_node, 2));
        break;
    }

case PutByVal:
case PutByValDirect: {
    Edge base = m_graph.varArgChild(m_node, 0);
    Edge index = m_graph.varArgChild(m_node, 1);
    Edge storage = m_graph.varArgChild(m_node, 3);
    if (lowerBoundsCheck(base, index, storage))
        break;

...

Node* length = m_insertionSet.insertNode(
    m_nodeIndex, SpecInt32Only, op, m_node->origin,
    OpInfo(m_node->arrayMode().asWord()), Edge(base.node(), KnownCellUse), storage);
checkInBounds = m_insertionSet.insertNode(
    m_nodeIndex, SpecInt32Only, CheckInBounds, m_node->origin,
    index, Edge(length, KnownInt32Use));

编译 CheckInBounds 的函数如下：

void compileCheckInBounds()
    {
        speculate(
            OutOfBounds, noValue(), nullptr,
            m_out.aboveOrEqual(lowInt32(m_node->child1()), lowInt32(m_node->child2())));

从代码中也可以看出，CheckInBounds实际就是检查 index>= 0 && index < array.length。

DFGIntegerRangeOptimization

JSC FTL优化的 DFGIntegerRangeOptimization阶段，会删除一些它认为冗余的溢出和范围检查，例如下面的代码：

for (var i = 0; i < array.length; ++i) array[i];

运行到该阶段之前，循环体内相应的主要opcode如下：

CheckInBounds
GetByVal

很显然从JS代码中可以看出，i 的范围是[0, array.length)，所以DFGIntegerRangeOptimization认为CheckInBounds是可以删除掉的，经该阶段优化之后，循环体内的opcode只剩GetByVal。

GetByVal

DFGIntegerRangeOptimization通过for (var i = 0; i < array.length; ++i)建立两个关系：Relationship(i >=0)和Relationship(i < array.length)，而这两个关系刚好满足优化CheckInBounds的条件，相关代码如下：

78de4e01-2833-4309-981c-86cf1edf7611.png-w331s

根据 (1) && (2) 优化CheckInBounds(3)。从上述代码中可以总结出这样一个结论：要想优化CheckInBounds，必须建立两个Relationships：index >=0 和 index < array.length。

The Bug

DFGIntegerRangeOptimization会通过如下代码给 i = ArithAbs(n) 建立 i >= 0的关系：

case ArithAbs: {
    if (node->child1().useKind() != Int32Use)
        break;
    setRelationship(Relationship(node, m_zero, Relationship::GreaterThan, -1));
    break;

当 n < 0 且 Math.abs(n) 不会产生溢出的时候，DFGIntegerRangeOptimization会将 Math.abs(n)转化成 ArithNegate(n)，且 ArithMode 为 Unchecked，相关代码如下：

case ArithAbs: {
    if (node->child1().useKind() != Int32Use)
        break;
    ...

    executeNode(block->at(nodeIndex));

    if (minValue >= 0) {
        node->convertToIdentityOn(node->child1().node());
        changed = true;
        break;
    }
    bool absIsUnchecked = !shouldCheckOverflow(node->arithMode());         // (1)
    if (maxValue < 0 || (absIsUnchecked && maxValue <= 0)) {
        node->convertToArithNegate();                                      // (2)
        if (absIsUnchecked || minValue > std::numeric_limits<int>::min())
            node->setArithMode(Arith::Unchecked);                          // (3)
        changed = true;
        break;
    }

结合上述两段代码，如下实例代码会产生关系 i >= 0，且 Math.abs(n) 转换成 -n，但此时 ArithMode 为 CheckOverflow。

if(n < -1){
    let i = Math.abs(n); // => (-n), CheckOverflow, i>=0;
}

那么关键问题就在于：要想 -int_min 操作不会被检查CheckOverflow，即 ArithNegate 的 ArithMode被设置成Arith::Unchecked(3)，则 ArithAbs 的 ArithMode也必须为 Arith::Unchecked。

此时问题转化成如何将 ArithAbs 的 ArithMode 设置成 Arith::Unchecked。

在Fixup阶段会设置 ArithAbs 的 ArithMode：

case ArithAbs: {
    if (node->child1()->shouldSpeculateInt32OrBoolean()
        && node->canSpeculateInt32(FixupPass)) {
        fixIntOrBooleanEdge(node->child1());
        if (bytecodeCanTruncateInteger(node->arithNodeFlags()))    // (1)
            node->setArithMode(Arith::Unchecked);
        else
            node->setArithMode(Arith::CheckOverflow);
        node->clearFlags(NodeMustGenerate);
        node->setResult(NodeResultInt32);
        break;
    }

如果满足条件(1)，则会将 ArithMode 设置成 Unchecked。bytecodeCanTruncateInteger函数代码如下：

static inline bool bytecodeUsesAsNumber(NodeFlags flags)
{
    return !!(flags & NodeBytecodeUsesAsNumber);
}

static inline bool bytecodeCanTruncateInteger(NodeFlags flags)
{
    return !bytecodeUsesAsNumber(flags);
}

此时问题转化成如何将 ArithAbs 的 NodeFlags设置成 ~NodeBytecodeUsesAsNumber。

而 NodeFlags 的设置操作发生在 BackwardsPropagation阶段：

case ArithBitOr:    //(1)
case ArithBitXor:
case ValueBitAnd:
case ValueBitOr:
case ValueBitXor:
case ValueBitLShift:
case ArithBitLShift:
case ArithBitRShift:
case ValueBitRShift:
case BitURShift:
case ArithIMul: {
    flags |= NodeBytecodeUsesAsInt;
    flags &= ~(NodeBytecodeUsesAsNumber | NodeBytecodeNeedsNegZero | NodeBytecodeUsesAsOther);
    flags &= ~NodeBytecodeUsesAsArrayIndex;
    node->child1()->mergeFlags(flags); // (2)
    node->child2()->mergeFlags(flags);
    break;
}

ArithBitOr 的操作会将 ArithBitOr->child1->flags 设置成 ~NodeBytecodeUsesAsNumber。

结合BackwardsPropagation阶段的代码来看看如下实例：

if(n < -1){
    let i = Math.abs(n) | 0; 
}

此时 ArithBitOr->child1() 即是 ArithAbs(n)，那么ArithAbs(n)->flags 会 merge( ~NodeBytecodeUsesAsNumber)，将 ArithAbs 的 NodeFlags设置成 ~NodeBytecodeUsesAsNumber。然而 DFGIntegerRangeOptimization 阶段并没有 ArithBitOr 的优化处理，则 Math.abs(n)>= 0 的关系并不会传递到 i 。

此时问题转化成如何将 Math.abs(n) | 0 转换成 Math.abs(n)。

StrengthReduction 阶段解决了该问题：

case ArithBitOr:
    handleCommutativity();

    if (m_node->child1().useKind() != UntypedUse && m_node->child2()->isInt32Constant() && !m_node->child2()->asInt32()) {
        convertToIdentityOverChild1(); // (1)
        break;
    }
    break;

当 ArithBitOr->child2() 等于0时，ArithBitOr 被转换成 child1()，从而 Math.abs(n) | 0 转换成 Math.abs(n)。

把上述涉及到的几个优化阶段串联起来：

02c4971e-2c73-468d-955a-ffa7c6e147c5.png-w331s

结合上述的优化流程，如下实例代码则成功优化 CheckInBounds：

function jit(arr, n) {
    // Force n to be a 32bit integer
    n |= 0;
    if (n < -1) {
        let i = Math.abs(n)|0;                  // (1) i >= 0, Unchecked
        if (i < arr.length) {                   // (2) i < array.length
                arr[i] = 1.04380972981885e-310; // (3) remove CheckInBounds
        }
    }
}

代码(1)建立关系 i >= 0；代码(2)建立关系 i < arr.length，则代码(3)处的 CheckInBounds会被优化。

再结合文章开始分析的，当 n = -2147483648 时，i = -n = -2147483648，整数溢出不会被检查，而此时 arr[i] 也没有CheckInBounds检查，则发生越界写。

Exploit

漏洞利用采用比较常规的方法，通过越界写完成addrOf 和 fakeObj 两个原语，再结合 Samuel Gro?介绍的方法完成任意地址读写。JSC公开的利用方法有很多，在这里就不详细介绍了。

Patch

938774c0-444e-4d8b-a3ba-ba5d7fdb94d9.png-w331s

DFGIntegerRangeOptimization 在创建 ArithAbs >= 0关系时，增加了对 ArithMode 和最小值的检查。

Conclusion

本文对CVE-2021-30953的成因进行了分析，详细介绍了漏洞涉及到的全部优化过程，文章最后简单介绍了漏洞利用方法和漏洞修复方法。

Paper 本文由 Seebug Paper 发布，如需转载请注明来源。本文地址：https://paper.seebug.org/1917/

ArithNegate

CheckInBounds

DFGIntegerRangeOptimization

The Bug

Exploit

Patch

Conclusion

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