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1、错的关于windows平台下用户模式调试器的原理 所谓调试器实际上是一个很宽泛的概念，凡是能够以某种形式监控其他程序执行过程的程序，都可以泛称为调试器。在Windows平台上，根据调试器的实现原理大概可以将之分为三类：内核态调试器、用户态调试器和伪代码调试器。 内核态调试器直接工作在操作系统内核一级，在硬件与操作系统之间针对系统核心或驱动进行调试，常见的有SoftICE、WinDbg、WDEB386和i386KD等等；用户态调试器则通过操作系统提供的调试接口，在操作系统和用户态程序之间针对用户态程序进行调试，常见的有各种开发环境如VC/Delphi自带的调试器，OllyDbg等等；伪代码调试器
2、则使用目标系统自定义的调试接口，调试由用户态程序支持的脚本语言或虚拟机代码，常见的如JVM/CLR的调试工具、VB的pcode调试器、Active Script调试器等等。 因为伪代码调试器跟具体系统实现相关性太强，不具备原理层面的通用性，本系列文章尽量不涉及其内容，以后如果有机会可以再讨论一下JVM/CLR/Active Script提供的调试接口；用户态调试器应用最广泛，参考资料也较为完整，我会花较大精力和大家探讨；核心态调试器则跟操作系统结合较为紧密，加上我也不是太熟悉，只能尽力而为了，呵呵。欢迎大家提出批评指正意见和建议 此外强烈推荐John Robbins在MSDN的Bugslaye
3、r专栏，以及其所著的一书（中文版应用程序调试技术），此书中对调试器从原理到应用都有很全面的讲解。 1 用户态调试器结构初探 用户态调试器直接使用Win32 API提供的调试接口，遵循Win32的事件驱动的设计思想，其实现思路非常简单，基本框架伪代码如下： /启动要调试的进程或挂接调试器到已运行的进程上 CreateProcess(., DEBUG_PROCESS, .) or DebugActiveProcess(dwProcessId) DEBUG_EVENT de; BOOL bContinue = TRUE; DWORD dwContinueStatus; while(bContinue
4、) bContinue = WaitForDebugEvent(&de, INFINITE); switch(de.dwDebugEventCode) . default: dwContinueStatus = DBG_CONTINUE; break; ContinueDebugEvent(de.dwProcessId, de.dwThreadId, dwContinueStatus); 在调试器开始调试的时候，会启动被调试程序的新进程或者挂接(attach)到一个已运行进程上，此时Win32系统会启动调试接口的服务器端；然后调试器调用WaitForDebugEvent函数等待调试服务器端的调
5、试事件被引发；调试器根据调试事件进行相应的处理；最后调用ContinueDebugEvent函数请求调试服务器继续执行被调试进程，以等待并处理下一个调试事件。 首先我们大致看看调试接口的服务器端的实现思路：调试服务的服务器端接口实际上是存在于被调试进程的调试端口(Debug Port)，此核心对象实现上跟Win32的完成端口类似，都是通过一个核心队列实现的LPC端口。启动调试服务器实际上就是挂接Win32的调试子系统到被调试进程，并在被调试进程内构造调试端口。调试器通过调试端口与Win32的调试子系统通讯；调试子系统响应系统操作所引发的调试事件，并通过调试端口将调试事件分发给核心态/用户态调试
6、器。 建立被调试程序的新进程时，需要在CreateProcess函数的dwCreationFlags参数设置DEBUG_ONLY_THIS_PROCESS或DEBUG_PROCESS标志位，以表示新建的进程需要被调试。CreateProcess函数的调用路径如下 CreateProcessA/CreateProcessW (kernel32.dll) CreateProcessInternalW (kernel32.dll) NtCreateProcessEx (ntoskrnl.dll) PspCreateProcess (ntos/ps/create.c:969) CreateProces
7、sInternalW函数根据传入的dwCreationFlags参数，决定是否要构造端口核心对象用于调试端口，并设置PEB的相应调试标志；PspCreateProcess会根据传入参数的调试选项和端口对象句柄，选择是否创建目标进程的调试端口；如果要创建则将传入的端口句柄转换成内核对象引用，保存在被调试程序进程的EPROCESS-DebugPort字段里。 Win32 API提供的IsDebuggerPresent函数就是通过判断CreateProcessInternalW函数在PEB中设置的标志位来判断当前进程是否被调试的。IsDebuggerPresent函数伪代码如下： BOOL IsDe
8、buggerPresent(void) return NtCurrentTeb()-ProcessEnvironmentBlock-BeingDebugged; TEB和PEB的结构可在 不过此种方法很容易被调试器直接修改PEB内存结构所欺骗，故而有另外一种直接通过检查EPROCESS-DebugPort字段是否被使用，来判断此进程是否正在被调试的方法。以前水木上也有过几次讨论，如blowfish的检测debugger的方法补遗一文给出的代码。Windows XP/2003开始由Win32 API提供的 CheckRemoteDebuggerPresent 函数也是使用相同的思路，通过调用 N
9、tQueryInformationProcess 函数查询调试端口实现的，伪代码如下： BOOL CheckRemoteDebuggerPresent(HANDLE hProcess, PBOOL pbDebuggerPresent) enum PROCESS_INFO_CLASS ProcessDebugPort = 7 ; if(hProcess & pbDebuggerPresent) HANDLE hPort; *pbDebuggerPresent = NT_SUCCESS(NtQueryInformationProcess(hProcess, ProcessDebugPort, &h
10、Port, sizeof(hPort), NULL) ? TRUE : FALSE; return *pbDebuggerPresent; return FALSE; 与直接创建被调试程序的新进程不同，调试已启动进程的 DebugActiveProcess 函数首先连接到Win32 系统调试服务器的端口上，然后激活当前正在运行的被调试进程的调试端口。DebugActiveProcess的伪代码如下： BOOL DebugActiveProcess(DWORD dwProcessId) if(DbgUiConnectToDbg() HANDLE hProcess = ProcessIdToHan
11、dle(dwProcessId); if(hProcess) DbgUiDebugActiveProcess(hProcess); NtClose(hProcess); return FALSE; DbgUiConnectToDbg函数(ntos/dll/dlluistb.c:27)尝试连接核心提供的调试子系统端口(名为/DbgUiApiPort)，如果成功连接会获得一个端口对象(保存在DbgUiApiPort NtCurrentTeb()-DbgSsReserved1)，和一个调试状态转换的信号灯句柄(保存在DbgStateChangeSemaphore NtCurrentTeb()-Dbg
12、SsReserved0)用于等待调试事件。伪代码如下： #define DbgStateChangeSemaphore (NtCurrentTeb()-DbgSsReserved0) #define DbgUiApiPort (NtCurrentTeb()-DbgSsReserved1) NTSTATUS DbgUiConnectToDbg( VOID ) NTSTATUS st = NtConnectPort(&DbgUiApiPort, L/DbgUiApiPort, ., &DbgStateChangeSemaphore); if(NT_SUCCESS(st) NtRegisterThr
13、eadTerminatePort(DbgUiApiPort); else DbgUiApiPort = NULL; return st; 如果连接调试子系统成功，则调用NtRegisterThreadTerminatePort函数(ntos/ps/psdelete.c:1202)将调试端口加入到当前线程控制块的终止端口列表(ETHREAD-TerminationPortList)中。在线程结束的之前，会激活此列表中的端口，给调试器一个清理的机会。 DbgUiDebugActiveProcess函数完成具体的激活被调试进程的调试服务器的功能。伪代码如下： #define DbgUiApiPort
14、 (NtCurrentTeb()-DbgSsReserved1) void DbgUiDebugActiveProcess(HANDLE hProcess) return NtDebugActiveProcess(DbgUiApiPort) & DbgUiIssueRemoteBreakin(hProcess) &DbgUiStopDebugging(hProcess); 至于这几个函数的具体实现，等后面章节详细分析Win32调试子系统时再详细讲解，呵呵 在被调试进程启动了调试支持后，调试器调用WaitForDebugEvent函数等待调试事件的发生。此函数实际上是对DbgUiWaitStat
15、eChange函数(ntos/dll/dlluistb.c:93)的一个简单包装，通过等待DbgUiConnectToDbg函数获得的调试事件信号灯来完成实际功能。如果成功获得调试事件，还会通过NtRequestWaitReplyPort函数(ntos/lpc/lpcsend.c:717)向调试服务器通报DbgUiWaitStateChangeApi消息。 在处理完调试事件后，调试器调用的ContinueDebugEvent函数是DbgUiContinue函数的一个简单包装，也是使用NtRequestWaitReplyPort函数向调试服务器通报DbgUiContinueApi消息。 在完成调
16、试功能后，WinXP/2003还提供了DebugActiveProcessStop函数停止调试。伪代码如下： BOOL DebugActiveProcessStop(DWORD dwProcessId) HANDLE hProcess = ProcessIdToHandle(dwProcessId); if(hProcess) CloseAllProcessHandles(dwProcessId); DbgUiStopDebugging(hProcess); if(NtClose(hProcess) return TRUE; return FALSE; DbgUiStopDebugging函数
17、(ntdll.dll)调用ZwRemoveProcessDebug函数(ntoskrnl.exe)关闭指定进程的调试端口，实现上是传入端口句柄和进程句柄，调用0xC7号系统服务完成最终功能。这个暂时就不深入讨论了，就此打住 在了解这些后，对用户态调试器的实现应该就有了一个框架性的了解：其结构就是一个基于事件的模型，然后通过向调试子系统请求调试事件并完成具体操作。 2 调试事件 前面说到 Win32 下的用户态调试器实际上就是一个while循环，循环体内先等待一个调试事件，然后处理之，最后将控制权交还给调试服务器，就好像一个窗口消息循环一样。调试事件的核心实际上就是一个DEBUG_EVENT结构
18、，在WinBase.h文件中定义如下： typedef struct _DEBUG_EVENT DWORD dwDebugEventCode; DWORD dwProcessId; DWORD dwThreadId; union EXCEPTION_DEBUG_INFO Exception; CREATE_THREAD_DEBUG_INFO CreateThread; CREATE_PROCESS_DEBUG_INFO CreateProcessInfo; EXIT_THREAD_DEBUG_INFO ExitThread; EXIT_PROCESS_DEBUG_INFO ExitProces
19、s; LOAD_DLL_DEBUG_INFO LoadDll; UNLOAD_DLL_DEBUG_INFO UnloadDll; OUTPUT_DEBUG_STRING_INFO DebugString; RIP_INFO RipInfo; u; DEBUG_EVENT, *LPDEBUG_EVENT; dwDebugEventCode字段给出此调试事件的类型，dwProcessId和dwThreadId字段分别给出调试事件发生的进程和线程ID号。 调试事件一般有以下几类： #define EXCEPTION_DEBUG_EVENT 1 #define CREATE_THREAD_DEBUG_
20、EVENT 2 #define CREATE_PROCESS_DEBUG_EVENT 3 #define EXIT_THREAD_DEBUG_EVENT 4 #define EXIT_PROCESS_DEBUG_EVENT 5 #define LOAD_DLL_DEBUG_EVENT 6 #define UNLOAD_DLL_DEBUG_EVENT 7 #define OUTPUT_DEBUG_STRING_EVENT 8 #define RIP_EVENT 9 CREATE_PROCESS_DEBUG_EVENT事件在创建一个新的进程的第一个线程时被引发；相应的EXIT_PROCESS_DE
21、BUG_EVENT事件在被调试的进程结束最后一个线程运行时被引发；每次新建/退出一个线程时会有CREATE_THREAD_DEBUG_EVENT/EXIT_THREAD_DEBUG_EVENT事件被引发；每次载入/卸载一个DLL时会有LOAD_DLL_DEBUG_EVENT/UNLOAD_DLL_DEBUG_EVENT事件被引发；被调试程序使用OutputDebugString函数输出一个调试字符串时调试器会接受到一个OUTPUT_DEBUG_STRING_EVENT事件；异常被引发时调试器会接受到一个第一时间的EXCEPTION_DEBUG_EVENT事件，如果调试器不处理此异常，则进入被调
22、试程序的正常SEH调用链，如果被调试进程也不处理，则会再次引发此事件；RIP_EVENT则一般用于报告错误事件。 一般来说程序的调试事件按照如下顺序被引发： CREATE_PROCESS_DEBUG_EVENT LOAD_DLL_DEBUG_EVENT x n / 静态载入的DLL CREATE_THREAD_DEBUG_EVENT & EXIT_THREAD_DEBUG_EVENT / 多线程程序中成对出现 LOAD_DLL_DEBUG_EVENT & UNLOAD_DLL_DEBUG_EVENT / 动态载入 DLL 时成对出现 EXCEPTION_DEBUG_EVENT x n / 随机
23、出现 OUTPUT_DEBUG_STRING_EVENT x n / 程序写调试信息时出现 EXIT_PROCESS_DEBUG_EVENT 接下来我们详细分析每种调试事件被引发的原因和时机。具体的调试事件内容这里就不罗嗦了，有兴趣写调试器的朋友可以参考MSDN和中相关内容。 首先是建立进程的CREATE_PROCESS_DEBUG_EVENT事件和建立线程的CREATE_THREAD_DEBUG_EVENT事件。这两个事件都是由DbgkCreateThread函数(ntos/dbgk/dbgkproc.h:211)引发的。此函数首先检查当前线程是否是具有调试端口的活动线程；然后检查当前线程是
24、否是进程的创建的第一个线程；如果不是第一个线程，或者调试器是挂接(attach)到一个活动进程上（判断依据是此进程是否占用过用户态的CPU时间），则向调试子系统的调试服务器引发CREATE_THREAD_DEBUG_EVENT事件；否则转而报告CREATE_PROCESS_DEBUG_EVENT事件。 DbgkCreateThread函数伪代码如下： VOID DbgkCreateThread(PVOID StartAddress) if(!PsGetCurrentProcess()-DebugPort | PsGetCurrentThread()-DeadThread) return; Ps
25、LockProcess(Process,KernelMode,PsLockWaitForever); / 锁定进程中所有线程 if(PsGetCurrentProcess()-Pcb.UserTime & PsGetCurrentProcess()-CreateProcessReported = FALSE) PsGetCurrentProcess()-CreateProcessReported = TRUE; / 引发 CREATE_PROCESS_DEBUG_EVENT 事件 else / 引发 CREATE_THREAD_DEBUG_EVENT 事件 PsUnlockProcess(Ps
26、GetCurrentProcess(); Win32在创建用户态线程的时候，大致流程如下： CreateThread (kernel32.dll) CreateRemoteThread (kernel32.dll) NtCreateThread (ntoskrnl.exe) PspCreateThread (ntos/ps/create.c:237) PspCreateThread函数在创建用户态线程时，使用PspUserThreadStartup函数(ntos/ps/create.c:1639)作为线程入口函数，因此线程被创建后直接进入此函数。PspUserThreadStartup函数对非
27、僵死线程和没有结束的线程初始化其APC；然后调用DbgkCreateThread函数通知调试器采取相应动作；最后将进程的用户态CPU时间设置为1，以标示此进程已启动。对一种特殊线程，非僵死线程但线程启动时已经停止，则直接调用DbgkCreateThread然后立刻调用PspExitThread，以通知调试器采取相应动作。PspUserThreadStartup函数伪代码如下： VOID PspUserThreadStartup(IN PKSTART_ROUTINE StartRoutine, IN PVOID StartContext) if(!PsGetCurrentThread()-Dea
28、dThread & !PsGetCurrentThread()-HasTerminated) / 初始化线程 APC Else if(!PsGetCurrentThread()-DeadThread) DbgkCreateThread(StartContext); PspExitThread(STATUS_THREAD_IS_TERMINATING); DbgkCreateThread(StartContext); if(PsGetCurrentProcess()-Pcb.UserTime = 0) PsGetCurrentProcess()-Pcb.UserTime = 1; 与DbgkCr
29、eateThread函数对应的是DbgkExitThread函数(ntos/dbgk/dbgkproc.c:384)和DbgkExitProcess函数(ntos/dbgk/dbgkproc.c:439)，分别向调试服务器引发EXIT_THREAD_DEBUG_EVENT和EXIT_PROCESS_DEBUG_EVENT事件。 这两个函数由系统内核退出线程的PspExitThread函数(ntos/ps/psdelete.c:622)在合适的时候调用。PspExitThread函数检测当前进程PCB的线程列表是否只有当前线程一个线程，如果没有其他线程则调用DbgkExitProcess函数，否
30、则调用DbgkExitThread函数。 Win32 系统中载入和卸载DLL，实际的函数调用流程如下： LoadLibrary (kernel32.dll) LoadLibraryEx (kernel32.dll) BasepLoadLibraryAsDataFile (kernel32.dll) NtMapViewOfSection (ntos/mm/mapview.c:204) MmMapViewOfSection (ntos/mm/mapview.c:699) NtMapViewOfSection函数在调用MmMapViewOfSection函数(ntos/mm/mapview.c:69
31、9)完成实际的内存文件映射之后，会根据映射节的标记位以及目标进程是否是当前进程，判断是否要调用DbgkMapViewOfSection函数(ntos/dbgk/dbgkproc.c:495)，通知调试服务器有新的映象文件被加载。与之对应MmUnmapViewOfSection函数(ntos/mm/umapview.c:88)也在判断标志位和目标进程是否是当前进程后，在函数末尾调用DbgkUnMapViewOfSection函数(ntos/dbgk/dbgkproc.c:567)通知调试服务器有映象文件被卸载。 与前面的几种事件不同，OutputDebugString函数(kernel32.dl
32、l)实际上是通过异常实现的。而且有趣的是，这个函数是为数不多的W后缀Unicode版本实现上转而调用A后缀Ansi版本，完成实际功能的例子。OutputDebugStringA函数(kernel32.dll)实际上使用RaiseException函数引发了一个异常号为0x40010006的软件异常，并将字符串的指针和长度作为异常参数传递。 DbgkForwardException函数(ntos/dbgk/dbgkport.c:96)作为实际引发EXCEPTION_DEBUG_EVENT调试事件的函数，在系统的异常分发KiDispatchException函数(ntos/ke/i386/exce
33、ptn.c:797)中被调用。KiDispatchException函数根据异常被引发时的状态，分别完成核心和用户态的异常处理工作。 对核心态异常，首先给核心调试程序一个处理机会，然后试图分发到基于帧的SEH异常链去，没有被处理的话则再给核心调试程序一个机会，如果还是没被处理，就只能调用KeBugCheckEx函数(ntos/ke/bugcheck.c:157)蓝屏了，呵呵。 对用户态异常，还是首先试图让核心调试器处理，如果不行才调用DbgkForwardException函数分发，没有被处理的话则多次尝试，如果还是没被处理，就停止线程并报告异常给用户。KiDispatchException函
34、数伪代码如下： VOID KiDispatchException (IN PEXCEPTION_RECORD ExceptionRecord, IN PKEXCEPTION_FRAME ExceptionFrame, IN PKTRAP_FRAME TrapFrame, IN KPROCESSOR_MODE PreviousMode, IN BOOLEAN FirstChance) CONTEXT ContextFrame; KeContextFromKframes(TrapFrame, ExceptionFrame, &ContextFrame); / 从核心异常帧(Frame)构造异常上下
35、文(Context) if (ExceptionRecord-ExceptionCode = STATUS_BREAKPOINT) / 处理调试断点 int 3 ContextFrame.Eip-; if (PreviousMode = KernelMode) if (FirstChance = TRUE) if (KiDebugRoutine & KiDebugRoutine(., FALSE) != FALSE) goto Handle1 if(RtlDispatchException(ExceptionRecord, &ContextFrame) = TRUE) goto Handled
36、1; if (KiDebugRoutine & KiDebugRoutine(., TRUE) != FALSE) goto Handle1 KeBugCheckEx(.); / 核心错误，以可控方式崩溃 -_-b 说白了就是Deadth Blue Screen，呵呵 else / PreviousMode = UserMode if (FirstChance = TRUE) if (KiDebugRoutine & KiDebugRoutine(., FALSE) != FALSE) goto Handle1 if (DbgkForwardException(ExceptionRecord,
37、 TRUE, FALSE) goto Handled2; / 将异常信息转换到用户模式，并尝试分发 if (DbgkForwardException(ExceptionRecord, TRUE, TRUE) goto Handled2; else if (DbgkForwardException(ExceptionRecord, FALSE, TRUE) goto Handled2; else ZwTerminateThread(NtCurrentThread(), ExceptionRecord-ExceptionCode); KeBugCheckEx(.); Handled1: KeContextToKframes(TrapFrame, ExceptionFrame, &ContextFrame, ContextFrame.ContextFlags, PreviousMode); Handled2: DbgkForwardException函数分别针对DebugException和SecondChance参数的三种组合被调用。DebugException为True时向调试端口发送信息，否则向异常端口发送。 至此，我们对几种常见的调试事件的引发机制就大概有了一个了解，下一节将介绍将这些调试事件和最终用户态调试器关联起来的Win32中调试子系统的实现思路。