1. Control Flow Flattening算法
图(a)为原始代码，图(b)为经过control flow flattening的代码，图(c)为原始代码的控制流图，图(d)为经过control flow flattening的代码的控制流图。[1]
2. IR层Control Flow Flattening的源码分析
2.1 IR层简介
其中IR(intermediate representation)是前端语言生成的中间代码，也是Pass操作的对象，它主要包含四个部分：
- Module：比如一个.c或.cpp文件
- Function：代表文件中的一个函数
- BasicBlock：每个函数会被划分为一些block，它的划分标准是：一个block只有一个入口和一个出口。
-
Instruction：具体的指令。
它们之间的关系可以用下图来表示：
IR中各部分的关系
2.2 源码分析
使用一个简单的例子来测试Control Flow Flattening的处理流程，测试代码如下：
int func1(int a,int b)
{
int result;
if(a>0){
result=a+b;
}
else{
result=a-b;
}
return result;
}
这段测试代码生成的IR代码如下图2所示：
2.2.1 入口函数runOnFunction
Control Flow Flattening Pass处理的对象是函数，所以重载函数runOnFunction，如果Pass处理的的对象时Module，可以重载runOnModule。
bool runOnFunction(Function &F) override {
Function *tmp = &F;
// Do we obfuscate
if (flatten(tmp)) {
//++Flattened;
}
return false;
}
2.2.2 处理函数flatten
将函数中的所有BasicBlock保存到vector容器originBB中，当originBB的数量小于等于1时，返回false。
// f为flatten参数： Function *f
// vector<BasicBlock *> origBB;
// Save all original BB
for (Function::iterator i = f->begin(); i != f->end(); ++i) {
BasicBlock *tmp = &*i;
origBB.push_back(tmp);
BasicBlock *bb = &*i;
if (isa<InvokeInst>(bb->getTerminator())) {
return false;
}
}
// Nothing to flatten
if (origBB.size() <= 1) {
return false;
}
将originBB中的第一个BasicBlock删除掉，并通过f->begin()获取函数的第一个BasicBlock；如果第一个BasicBlock的最后一条指令是否是跳转指令，如果是跳转指令的话转换为跳转类型指令。
// Remove first BB
origBB.erase(origBB.begin());
// Get a pointer on the first BB
Function::iterator tmp = f->begin(); //++tmp;
BasicBlock *insert = &*tmp;
// If main begin with an if
BranchInst *br = NULL;
if (isa<BranchInst>(insert->getTerminator())) {
br = cast<BranchInst>(insert->getTerminator());
}
如果是跳转指令是条件跳转，或者是第一个BasicBlock的后继BaseBlock大于1个(非条件跳转指令的后继BasicBlock为1个，条件跳转指令的后继BasicBlock为2个，return指令的后继BasicBlock为0个)。获取跳转指令的地址，然后通过splitBasicBlock将第一个BasicBlock一分为2，后边划分出来的BasicBlock起名叫"first"，然后将"first"插入到originBB的起始位置。
这样做是为了将变量声明部分与控制流部分分割开，因为first部分是要放进switch-case分支中的，防止变量作用域错误。
if ((br != NULL && br->isConditional()) ||
insert->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1) {
BasicBlock::iterator i = insert->end();
--i;
if (insert->size() > 1) {
--i;
}
BasicBlock *tmpBB = insert->splitBasicBlock(i, "first");
origBB.insert(origBB.begin(), tmpBB);
}
此时的IR图如下所示：
接着将第一个BasicBlock(即entry BB)与其下一个BasicBlock(即first)的跳转关系解除：
// Remove jump
insert->getTerminator()->eraseFromParent();
解除之后的IR图如下所示：
然后在第一个BasicBlock创建switchVar变量，并赋一个随机的值。
// AllocaInst *switchVar;
// Create switch variable and set as it
switchVar =
new AllocaInst(Type::getInt32Ty(f->getContext()), 0, "switchVar", insert);
new StoreInst(
ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(f->getContext()),
llvm::cryptoutils->scramble32(0, scrambling_key)),
switchVar, insert);
接着创建while循环需要的"loopEntry"和"loopEnd"2个BasicBlock，在loopEntry中读取switchVar的值：
// Create main loop
loopEntry = BasicBlock::Create(f->getContext(), "loopEntry", f, insert);
loopEnd = BasicBlock::Create(f->getContext(), "loopEnd", f, insert);
load = new LoadInst(switchVar, "switchVar", loopEntry);
将第一个BasicBlock(即entry，也就是insert)放在loopEntry之前，并设置第一个BasicBlock的最后一条指令跳转loopEntry。
设置loopEnd的最后一条指令跳转loopEntry。
// Move first BB on top // insert现在是entry basicblock，将entry BB放在loopEntry BB之前。
insert->moveBefore(loopEntry);
BranchInst::Create(loopEntry, insert); // entry bb的最后一个指令为br loopEntry
// loopEnd jump to loopEntry
BranchInst::Create(loopEntry, loopEnd); // loopEnd bb的最后一个指令为br loopEntry
接着创建switch-case中的default跳转对应的BasicBlock swDefault，swDefault在loopEnd之前，并在swDefault中添加一条跳转loopEnd的指令。
// 创建switch-case的default分支BB，default分支的指令只有br loopEnd
BasicBlock *swDefault =
BasicBlock::Create(f->getContext(), "switchDefault", f, loopEnd);
BranchInst::Create(loopEnd, swDefault);
然后在loopEntry中创建了switch-case的指令，指定default block为swDefault，并设置switch-case的变量switchVar。
// Create switch instruction itself and set condition
// 在loopEntry中创建switch-case，并设置条件值
switchI = SwitchInst::Create(&*f->begin(), swDefault, 0, loopEntry);
switchI->setCondition(load);
然后将第一个BasicBlock的最后跳转指令设置为跳转loopEntry：
// Remove branch jump from 1st BB and make a jump to the while
f->begin()->getTerminator()->eraseFromParent();
// 函数的第一个bb，也就是entry bb，的最后一条指令为br loopEntry
BranchInst::Create(loopEntry, &*f->begin());
上述流程创建了while循环相关的2个BasicBlock，switch-case指令，和其对应的switchDefault BasicBlock，并修改各个BasicBlock之间的跳转关系，如下图所示：
接下来需要将所有保存在容器originBB中的BasicBlock添加到switch-case中，每一个BasicBlock对应一个case，并且每个case的值都是一个随机值。代码如下：
// Put all BB in the switch
for (vector<BasicBlock *>::iterator b = origBB.begin(); b != origBB.end();
++b) {
BasicBlock *i = *b;
ConstantInt *numCase = NULL;
// Move the BB inside the switch (only visual, no code logic)
i->moveBefore(loopEnd);
// Add case to switch
numCase = cast<ConstantInt>(ConstantInt::get(
switchI->getCondition()->getType(),
llvm::cryptoutils->scramble32(switchI->getNumCases(), scrambling_key)));
switchI->addCase(numCase, i);
}
此时的IR图如下所示：
添加了全部的BasicBlock之后，需要修改switch-case层级的BasicBlock之间的跳转关系，使得每个BasicBlock执行完毕之后，会重新设置switchVar值，然后通过while循环再次进入switch-case中的下一个case中，知道程序执行完毕。
如果BasicBlock的最后指令的后继BB数量为0(
return语句的指令后继BB只有0个)，不需要处理；如果BasicBlock的最后指令的后继BB数量为1，找到后继BB，从switch-case指令中找到该BB对应的case号码，将其赋值给switchVar，然后将最后的指令替换为跳转loopEnd。
// Recalculate switchVar
for (vector<BasicBlock *>::iterator b = origBB.begin(); b != origBB.end();
++b) {
BasicBlock *i = *b;
ConstantInt *numCase = NULL;
// getNumSuccessors是获取后续BB的个数，Ret BB后继BB为0个，...
// Ret BB, Ret BB的最后不用加br loopEnd
if (i->getTerminator()->getNumSuccessors() == 0) {
continue;
}
// If it's a non-conditional jump
if (i->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1) {
// Get successor and delete terminator
BasicBlock *succ = i->getTerminator()->getSuccessor(0);
i->getTerminator()->eraseFromParent();
// Get next case
numCase = switchI->findCaseDest(succ);
// If next case == default case (switchDefault)
if (numCase == NULL) {
numCase = cast<ConstantInt>(
ConstantInt::get(switchI->getCondition()->getType(),
llvm::cryptoutils->scramble32(
switchI->getNumCases() - 1, scrambling_key)));
}
// Update switchVar and jump to the end of loop，BB结尾跳转loopEnd
new StoreInst(numCase, load->getPointerOperand(), i);
BranchInst::Create(loopEnd, i);
continue;
}
// If it's a conditional jump
if (i->getTerminator()->getNumSuccessors() == 2) {
...
}
}
设置完跳转关系的IR图如下所示：
参考文献
[1]: OBFUSCATING C++ PROGRAMS VIA CONTROL FLOW FLATTENING
[2]: Obfuscator-llvm源码分析
