在之前的CTF中常常出现了对STL容器的逆向，而在网上的资料中并没有搜到详细的STL容器逆向的经验和文章，这里配合编译器一起来看看常见的STL容器的内存模型，最后根据最近N1CTF比赛中cppmaster来进行实战。

STL存在非常多种类的容器，但是多个容器之间的底层实现其实是类似的，例如set和map都采用的是rb_tree这个结构，因此我们从这种底层实现的数据结构来对STL容器分类，这里将要分析的容器分为分析四类：rb_tree,deque,hashtable,vector，顺带分析一下string的结构。

当然可能还存在许许多多的STL容器，但是大体的分析思路是类似的。这里采用LLVM辅助我们分析容器的内存结构。

对于一个Class而言，在LLVM IR种对应的为StructType，可以使用API访问其下的子Type，因此可以随便简单写个pass来dump出ir种的类的内存模型，从而辅助我们逆向分析各个容器的内存表示和实现。具体代码如下。

deque是queue，stack，deque等线性容器的底层实现，通过dump工具可以dump出具体的内存结构如下。不难发现在deque中，主要分为三个部分，第一个用于描述map的，其中包含map大小和map的指针，第二个则是指向deque中起始元素的Deque_iterator，第三个则是指向了deque中结束元素的Deque_iterator。

这里需要注意的是：deque对元素的保存采取了分块保存的机制。deque采用一块连续的内存保存了一系列的指针。其中map即指向这一块连续的内存，换句话说map是一个指针，指向一个指针数组。而这个指针数组中的指针指向的则是一篇连续的，用于实际保存数据的内存区域，我们称为data array(每个元素的大小取决于deque中的模板类型)，具体的内存示意图可以如下图所示。

而iterator的结构需要关注的是cur，他将直接指向数据数组中具体的元素，还有就是iterator下的map指针，这个元素则代表当前iterator指向的元素所在区块对应map中地址，last和first则指向data array的起始和结束。因此可以得知start和finish的map并不一定是相同的(即start迭代器指向元素不一定和finish迭代器指向元素处在同一个data array中)，所以iterator在进行迭代的时候是需要根据map跳跃到不同的data array中。

vector作为常见又方便的stl容器，其实现并不复杂，比上述的deque要简单得多。vector仅仅由三个指针构成：start,finish,end_of_storage。start用于指向数组的第一个元素，而finish指向结束的位置，即最后一个元素后面。而end_of_storage指向当前为vector分配的堆空间的结束地址。

为什么需要有一个end_of_storage呢，vector是一个动态的容器，他会根据元素数目分配固定内存，但是当有新的元素加入时，如果分配的固定内存不足以存放新的元素的话，则会进行扩容。因此，这个指针则用于对vector需要扩容时使用(需要注意的是元素的大小取决于模板类型type的大小，因此存在(finish-start)%sizeof(type)==0)。具体的内存示意图可以如下图所示。

rb_tree即红黑树，具体的定义可以去网上翻阅资料，这里并不讨论其具体的实现和算法，仅仅讨论其数据结构在内存中的表示。rb_tree分为两个部分，一个适用于比较的key_compare，另一个则是header。重点分析header，header中存在一个node，和node_count。node即这个红黑树的起始节点，而node_count则代表这颗红黑树拥有多少的节点。node中描述了当前节点的颜色，父亲节点，左儿子和右儿子节点。

这里需要注意的是，当红黑树中不存在节点时，header中node的parent是0，而left和right则指向node自身。当插入了结点之后，这个parent则会指向树的根节点，而left和right则指向红黑树的最左边的节点和最右边的节点。

同时需要分清楚rb_tree变量本身和树本身。rb_tree变量中的node是不携带具体数据元素的，而树本身的节点在其node_base结构体结束后的内存区域则是数据元素。具体的内存示意图如下图所示。

map和set的实现皆是基于rb_tree，而唯一不同之处在于set直接在node中存储数据，而map在node中存储的是键值对，是一个pair，而pair<a,b>在内存中的表示则是直接a后存放b。

unordered_map和unordered_set的底层是由hashtable实现的。Prime_rehash_policy结构体适用于hashtable的rehash操作的不做分析，这里我们主要需要关注的是buckets，这个指针指向了一个_Hash_node_base*数组，如果指针为null则无效，这些指针数组中的指针指向的是一个链表，可以通过不断的访问next遍历链表中的所有node。bucket_count则表示buckets的大小，而element_count指的当前hashtable中所有的节点数目。默认的hashtable采用取模的方式找到对应的bucket，bucket_count一般为13。

因此需要遍历一个hashtable只需要遍历其bucket找到有效的list，并遍历各个list就能找到所有的数据了，类似rb_tree，元素的数据存储与链表结构_Hash_node_base的后面。具体的内存模型如下图所示。

string的结构比较简单。主要由一个指针ptr和字符串长度string_length构成。除此之外还会存在一个联合体，当字符串的长度小于8时会直接存储与这个缓冲区中，此时ptr指针将指向这个local_buf，大于这个local_buf将会在堆上另外分配内存，此时这个union转而用于存储分配堆的大小。

这样设计的目的是方便字符串大小变化的适应，便于实现字符串拼接等工作，且小字符串不用在堆上分配，对速度有少量提升。具体的内存示意图如下图所示，左边的是长度小于8的string。

该题给与了一个ELF文件，并给出了hint.txt:Recursive stl containers ( > 3 ), Identify and traverse these containers
不难知道这个题目与STL容器密切相关，配合traverse不难猜测肯定是使用stl容器套容器的操作，先打开ida看看实现，找到main函数。

经过动调，可以定位到代码输入函数所在位置，在main中给他命名为input_check。而他上面的函数明显初始化了一个deque的数据结构，第一行对应map，第二行对应map_size，接下来是两个iterator，四个qword一组。

点开每个iterator的cur，也就是cur，可以看到其中存储了两个元素。

如果理解了上述的数据结构内存模型，很容易看出来其实是rb_tree，第一个qword是compare_key，第二个qword是color，第三个qword代表parent，第四个和第五个是left和right，第六个qword则代表node_count，因此其实就是deque<rb_tree<>>这种嵌套方式。

随意点开rb_tree中的一个node，分析一下rb_tree对应的模板类型，可以看到他存储的其实是std::pair<int,hashtable>，所以其实是deque<map<int,hashtable<>>>，为什么我会知道是int呢，因为后文分析输入流时输入的都是数字，并通过数字从容器中访问内部数据。

继续查看一下hash_table的buckets。

随意点开一个bucket，里面存储的是个链表，链表节点数据中存储的也是一个std::pair<int,deque>，因此这其实是一个unordered_map<int,deque>

到这里我们对该变量有了大体的认识，大概率是不断地stl容器嵌套，接下来继续去分析输入和这些容器之间的关系。input_check函数通过input_num输入一个数字，并且返回该容器对应元素。这个明显是deque的取元素操作。

然后通过step1跳转到下一层，下一层和input_check逻辑其实是差不多的，也是输入一个数字，然后获取map中对应的元素。

然后通过step2跳转到下一层，持续同样的操作，只不过这一层是unordered_map罢了。

这样的顺序刚好和我们之前分析的数据类型嵌套的顺序相符，所以我们需要根据这些函数来反推出这些数据结构的嵌套顺序。不难发现unordered_map的代码明显存在一个取mod的操作，而map存在std::rebalanced的操作。因此可以写出如下脚本来分析出容器的嵌套类型。、

然后根据上述的出的容器嵌套顺序和对应容器的内存模型dump出对应的数据结构。

最后得到如下数据文件，是一个dict的嵌套，最后保存的是字符串。

最后main函数通过对比字符串，来判断我们输入的一系列数字是否能够访问到对应的字符串，从而判断数字是否正确。

最后根据dump出的dict从而写出dfs查找出对应的数字序列，从而获得flag。

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