tinybin

実行環境

$ uname -srvp
Linux 3.13.0-49-generic #83-Ubuntu SMP Fri Apr 10 20:11:33 UTC 2015 x86_64
$ cat /proc/cpuinfo | grep 'model name'
model name      : Intel(R) Core(TM) i5-4200U CPU @ 1.60GHz
model name      : Intel(R) Core(TM) i5-4200U CPU @ 1.60GHz
model name      : Intel(R) Core(TM) i5-4200U CPU @ 1.60GHz
model name      : Intel(R) Core(TM) i5-4200U CPU @ 1.60GHz

やったこと

1. デフォルト

import std.stdio;

void main()
{
  "Hello!".writeln;
}

$ dub build

$ ls -l tinybin
-rwxrwxr-x 1 kubo39 kubo39 1584546  5月  2 16:31 tinybin

2. -releaseオプション

$dub build --build=release

$ ls -l tinybin
-rwxrwxr-x 1 kubo39 kubo39 700884  5月  2 16:35 tinybin

3. stdioをやめる

$ git clone git://github.com/kubo39/syscall.d
$ dub add-local syscall.d ~master

dub.json の dependencies に syscall.d を追加する.

{
	"name": "tinybin",
	"description": "A minimal D application.",
	"copyright": "Copyright © 2015, kubo39",
	"authors": ["kubo39"],
	"dependencies": {
        "syscall.d": {"version": "~master", "path": "../syscall.d"}
	}
}

app.d を syscall.d を使ったコードに変更

import syscall : syscall, WRITE;

void main()
{
  auto hello = "Hello!\n";
  size_t stdout = 1;
  syscall(WRITE, stdout, cast(size_t) hello.ptr, hello.length);
}

dub build --build=release でビルド.

$ ls -l tinybin
-rwxrwxr-x 1 kubo39 kubo39 429067  5月  2 16:56 tinybin

4. string型から固定長にする

import syscall : syscall, WRITE;

void main()
{
  immutable(char)[7] hello = "Hello!\n";
  size_t stdout = 1;
  syscall(WRITE, stdout, cast(size_t) hello.ptr, 7);
}

dub build --build=release でビルド.

$ ls -l tinybin
-rwxrwxr-x 1 kubo39 kubo39 429037  5月  2 17:02 tinybin

5. 生成したバイナリにstripをかける

$ strip tinybin
$ wc -c < tinybin
285536

6. dd使ってsection headerを削る

readelf -h tinybin でセクションヘッダの開始位置を調べる.

$ dd if=tinybin of=tinybin_nosectionhdr count=283487 bs=1
$ chmod +x tinybin_nosectionhdr
$ wc -c < tinybin_nosectionhdr
283487

7. dub路線に見切りをつけてlink周りをいじる

syscall.d の syscall 呼び出し部分を直接コードに書く.

@system:

void write(size_t p, size_t len)
{
  synchronized asm
  {
    mov RAX, 1;    // WRITE
    mov RDI, 1;    // STDOUT
    mov RSI, p[RBP];
    mov RDX, len[RBP];
    syscall;
  }
}


void main()
{
  immutable(char)[7] hello = "Hello!\n";
  write(cast(size_t) hello.ptr, 7);
}

こういう build.sh を用意.

#!/bin/bash

set -e

for d in dmd; do
    which $d >/dev/null || (echo "Can't find $d, needed to build"; exit 1)
done

dmd | head -1
echo

set -x

dmd -c -noboundscheck -release source/app.d
gcc app.o -o tinybin -s -m64 -L/usr/lib/x86_64-linux-gnu -Xlinker -l:libphobos2.a -lpthread

ビルドする.

$ ./build.sh
DMD64 D Compiler v2.067.1

+ dmd -c -noboundscheck -release source/app.d
+ gcc app.o -o tinybin -s -m64 -L/usr/lib/x86_64-linux-gnu -Xlinker -l:libphobos2.a -lpthread
$ ./tinybin
Hello!
$ wc -c < tinybin
170848

6 のとこででやったように dd 使って削る.

$ dd if=tinybin of=tinybin_nosectionhdr count=168799 bs=1
$ chmod +x tinybin_nosectionhdr
$ ./tinybin_nosectionhdr
Hello!
$ wc -c < tinybin_nosectionhdr
168799

8. synchronizedを外してcritical sectionのオーバヘッドを削減

この程度のプログラムで特にチェックする必要はなさそう.

@system:

void write(size_t p, size_t len)
{
  asm
  {
    mov RAX, 1;    // WRITE
    mov RDI, 1;    // STDOUT
    mov RSI, p[RBP];
    mov RDX, len[RBP];
    syscall;
  }
}


void main()
{
  immutable(char)[7] hello = "Hello!\n";
  write(cast(size_t) hello.ptr, 7);
}

ビルドする.

$ wc -c < tinybin
170760
$ dd if=tinybin of=tinybin_nosectionhdr count=168711 bs=1
$ chmod +x tinybin_nosectionhdr
$ wc -c < tinybin_nosectionhdr
168711
$ ./tinybin_nosectionhdr
Hello!

実行もできてる.

9. さよなら _Dmain && _d_run_main

@system:

extern(C)
{
  void write(size_t p, size_t len)
  {
    asm
    {
      mov RAX, 1;      // WRITE
      mov RDI, 1;      // STDOUT
      mov RSI, p[RBP];
      mov RDX, len[RBP];
      syscall;
    }
  }

  int main()
  {
    immutable(char)[7] buf = "Hello!\n";
    write(cast(size_t)buf.ptr, 7);
    return 0;
  }
}

$ ./tinybin
Hello!
$ wc -c < tinybin
134872
$ dd if=tinybin of=tinybin_nosectionhdr count=132887 bs=1
$ wc -c < tinybin_nosectionhdr
132887

10. エントリポイントをmainに差し替えて、不要なsectionを削除

リンカのオプションに -e main -Xlinker --gc-section 追加.

#!/bin/bash

set -e

for d in dmd; do
    which $d >/dev/null || (echo "Can't find $d, needed to build"; exit 1)
done

dmd | head -1
echo

set -x

dmd -c -noboundscheck -release source/app.d
gcc app.o -o tinybin -e main -s -Xlinker --gc-section -l:libphobos2.a -lpthread

exit(2) 呼び出しを追加. (segv対策)

@system:

extern(C)
{
  void write(size_t p, size_t len)
  {
    asm
    {
      mov RAX, 1;      // WRITE
      mov RDI, 1;      // STDOUT
      mov RSI, p[RBP];
      mov RDX, len[RBP];
      syscall;
    }
  }

  void exit()
  {
    asm{
      mov RAX, 60;  // EIXT
      mov RDI, 0;
      syscall;
    }
  }

  int main()
  {
    immutable(char)[7] buf = "Hello!\n";
    write(cast(size_t)buf.ptr, 7);
    exit();
    return 0;
  }
}

ビルド.

$ ./build.sh
DMD64 D Compiler v2.067.1

+ dmd -c -noboundscheck -release source/app.d
+ gcc app.o -o tinybin -e main -s -Xlinker --gc-section -l:libphobos2.a -lpthread
$ ./tinybin
Hello!
$ wc -c < tinybin
77352

さらにsection headerを削った場合.

$ dd if=tinybin of=tinybin_nosectionhdr count=75495 bs=1
$ ./tinybin_nosectionhdr
Hello!
$ wc -c < tinybin_nosectionhdr
75495

11. エントリポイントを _Dmain に差し替えてコードを修正

@system:

void write(size_t p, size_t len)
{
  asm
  {
    mov RAX, 1;  // WRITE
    mov RDI, 1;  // STDOUT
    mov RSI, p[RBP];
    mov RDX, len[RBP];
    syscall;
  }
}

void exit()
{
  asm
  {
    mov RAX, 60;  // EXIT
    mov RDI, 0;
    syscall;
  }
}


void main()
{
  immutable(char)[7] buf = "Hello!\n";
  write(cast(size_t) buf.ptr, 7);
  exit();
}

エントリポイントを差し替えてビルド.

 $ ./build.sh
 DMD64 D Compiler v2.067.1

+ dmd -c -noboundscheck -release source/app.d
+ gcc app.o -o tinybin -e _Dmain -s -Xlinker --gc-section -l:libphobos2.a -lpthread
$ ./tinybin
Hello!
$ wc -c < tinybin
77336

dd版.

$ dd if=tinybin of=tinybin_nosectionhdr count=75479 bs=1
$ wc -c < tinybin_nosectionhdr
75479

12. final !!!

sectionをひとまとめにしてalignmentをなくすlinker scriptを書く.

SECTIONS {
    . = 0x400078;

    combined . : AT(0x400078) ALIGN(1) SUBALIGN(1) {
        *(.text*)
        *(.data*)
        *(.rodata*)
        *(.bss*)
    }
}

0x400078 は用意したカスタムヘッダの最後に積まれるアドレス.

ld が _Dmain をファイルのどこに置くかわからないので、別々にバイナリを生成する必要がある.

_Dmain の置かれるアドレス領域は payload を生成するタイミングで決定する.

objdump の -j オプションを使って script.ld の combined section のみを抽出したバイナリ payload.bin を作成する.

用意したカスタムELFヘッダ(一切の命令が入ってなくてdata filedのみある)を使って、生成した payload.bin とくっつける.

その際に _Dmain のエントリポイント(プログラムの開始位置)を教えてやる.

最終的にこうなる.

$ ./build.sh
DMD64 D Compiler v2.067.1

+ dmd -c -noboundscheck -release source/app.d
+ gcc app.o -o payload -e _Dmain -T script.ld -s -Xlinker --gc-section -l:libphobos2.a -lpthread
+ objcopy -j combined -O binary payload payload.bin
++ nm -f posix payload
++ grep _Dmain
++ awk '{print $3}'
+ ENTRY=00000000004000c8
+ nasm -f bin -o tinybin -D entry=0x00000000004000c8 elf.s
$ ./tinybin
Hello!
$ wc -c < tinybin
296

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