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WinDBG詳解程序初始化dll是如何載入的

2022-11-09 15:01:49

一：背景

1.講故事

有朋友諮詢個問題，他每次在偵錯 WinDbg 的時候，程序初始化斷點之前都會有一些 dll 載入到程序中，比如下面這樣：


Microsoft (R) Windows Debugger Version 10.0.25200.1003 X86
Copyright (c) Microsoft Corporation. All rights reserved.

CommandLine: D:\net6\ConsoleApp1\Debug\ConsoleApplication3.exe

************* Path validation summary **************
Response                         Time (ms)     Location
Deferred                                       srv*c:\mysymbols*https://msdl.microsoft.com/download/symbols
Symbol search path is: srv*c:\mysymbols*https://msdl.microsoft.com/download/symbols
Executable search path is: 
ModLoad: 00400000 0041f000   ConsoleApplication3.exe
ModLoad: 774b0000 77653000   ntdll.dll
ModLoad: 753a0000 75490000   C:\Windows\SysWOW64\KERNEL32.DLL
ModLoad: 75900000 75b14000   C:\Windows\SysWOW64\KERNELBASE.dll
ModLoad: 79bc0000 79d36000   C:\Windows\SysWOW64\ucrtbased.dll
ModLoad: 79ba0000 79bbe000   C:\Windows\SysWOW64\VCRUNTIME140D.dll
(44c.4b0c): Break instruction exception - code 80000003 (first chance)
eax=00000000 ebx=00000000 ecx=afe00000 edx=00000000 esi=774c1ff4 edi=774c25bc
eip=77561a42 esp=0019fa20 ebp=0019fa4c iopl=0         nv up ei pl zr na pe nc
cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000246
ntdll!LdrpDoDebuggerBreak+0x2b:
77561a42 cc              int     3

問是否可以用 WinDbg 解讀下內部運作原理，哈哈，其實要了解運作原理，一定要熟知 PE 頭，那這篇就安排上。

二：理解 PE 頭結構

1. 測試程式碼

為了方便講述，先上一段測試程式碼，這裡故意載入 combase.dll 是為了提取 PE 中的某些資料結構，程式碼如下：


#include <iostream>
#include <Windows.h>

int main(int argc, char* argv[]) {

	LoadLibrary(L"combase.dll");

	getchar();
}

其實你仔細想一想也能知道，既然能做到初始化載入，必然在 PE 頭上藏了什麼東西，這些東西讓 Windows 載入器可以順利載入諸如 ntdll.dll, KERNEL32.dll 等等，接下來一起觀察下。

2. 視覺化觀察 PE 頭

要想視覺化觀察 PE 頭，工具有很多，這裡使用 PPEE 工具，截圖如下：

從圖中可以看到，其實初始化載入什麼，由可選頭中的 DIRECTORY_ENTRY_IMPORT 資料目錄項決定，哪這裡包含了哪些初始化 dll 呢？ 可以選中右邊的 DIRECTORY_ENTRY_IMPORT 項即可，如下圖所示：

肯定有朋友說，WinDbg 上顯示的是 5 個，你這裡才 3 個，還有 2 個為什麼沒有？ 很簡單，多餘的 ntdll.dll 和 KERNELBASE.dll 必然是依賴項哈。

3. 用 WinDbg 深入探究

玩 WinDbg 都喜歡刨根問底，拿視覺化 PPEE 肯定忽悠不過去，那好吧，我們用 C 中的結構體去解剖它。

  1. DOS Header 節

這一塊資訊在原始碼中是用 ntdll!_IMAGE_DOS_HEADER 結構來承載的，可以用 dt 輸出，起始點就是我們的 ConsoleApplication3.dll 在程序的首位置，即： 0x400000。


0:000> dt 0x400000 _IMAGE_DOS_HEADER 
ConsoleApplication3!_IMAGE_DOS_HEADER
   +0x000 e_magic          : 0x5a4d
   +0x002 e_cblp           : 0x90
   +0x004 e_cp             : 3
   ...
   +0x024 e_oemid          : 0
   +0x026 e_oeminfo        : 0
   +0x028 e_res2           : [10] 0
   +0x03c e_lfanew         : 0n232
  1. NT Header 節

接下來就是 NT Header 節，它在原始碼中是由 _IMAGE_NT_HEADERS 結構來承載的，起始位置的偏移已經儲存在上面的 e_lfanew 欄位中，即 0n232。


0:000> dt 0x400000+0n232 _IMAGE_NT_HEADERS
ConsoleApplication3!_IMAGE_NT_HEADERS
   +0x000 Signature        : 0x4550
   +0x004 FileHeader       : _IMAGE_FILE_HEADER
   +0x018 OptionalHeader   : _IMAGE_OPTIONAL_HEADER
  1. _IMAGE_DATA_DIRECTORY

在 PPEE 的第一張截圖中，我們檢視的是 Data Directorys 陣列中的第二項 DIRECTORY_ENTRY_IMPORT 內容，它裡面定義了我們需要初始化匯入的 dll，我們可以用 dt r3 展開一下，然後一直點點點就好了，簡化後如下：


0:000> dt -r3 0x400000+0n232 _IMAGE_NT_HEADERS
ConsoleApplication3!_IMAGE_NT_HEADERS
   +0x000 Signature        : 0x4550
   +0x004 FileHeader       : _IMAGE_FILE_HEADER
      +0x000 Machine          : 0x14c
      ...
      +0x012 Characteristics  : 0x103
   +0x018 OptionalHeader   : _IMAGE_OPTIONAL_HEADER
      +0x000 Magic            : 0x10b
      +0x002 MajorLinkerVersion : 0xe ''
      ...
      +0x05c NumberOfRvaAndSizes : 0x10
      +0x060 DataDirectory    : [16] _IMAGE_DATA_DIRECTORY
         +0x000 VirtualAddress   : 0
         +0x004 Size             : 0
0:000> dx -r1 (*((ConsoleApplication3!_IMAGE_DATA_DIRECTORY (*)[16])0x400160))
(*((ConsoleApplication3!_IMAGE_DATA_DIRECTORY (*)[16])0x400160))                 [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY [16]]
    [0]              [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY]
    [1]              [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY]
    [2]              [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY]
    ...
    [15]             [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY]

0:000> dx -r1 (*((ConsoleApplication3!_IMAGE_DATA_DIRECTORY *)0x400168))
(*((ConsoleApplication3!_IMAGE_DATA_DIRECTORY *)0x400168))                 [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY]
    [+0x000] VirtualAddress   : 0x1b1cc [Type: unsigned long]
    [+0x004] Size             : 0x50 [Type: unsigned long]

從輸出的 VirtualAddress=0x1b1cc 中可以看到，我們 PPEE 截圖二中的 DIRECTORY_ENTRY_IMPORT 真實內容是在偏移 0x1b1cc 處，它是一個 combase!_IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR 結構體，輸出如下：


0:005> dt 0x400000+0x1b1cc combase!_IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR
   +0x000 Characteristics  : 0x1b21c
   +0x000 OriginalFirstThunk : 0x1b21c
   +0x004 TimeDateStamp    : 0
   +0x008 ForwarderChain   : 0
   +0x00c Name             : 0x1b40c
   +0x010 FirstThunk       : 0x1b000

到這裡就很關鍵了，涉及到如下幾點資訊：

  • 載入的 dll 名字是什麼?

可以從 Name 欄位提取，參考如下程式碼：


0:005> da 0x400000+0x1b40c
0041b40c  "KERNEL32.dll"
  • 載入的 方法名 是什麼？

這需要提取 OriginalFirstThunk 欄位，這裡是一個 _IMAGE_IMPORT_BY_NAME型別的指標陣列，程式碼如下：


0:005> dp 0x400000+0x1b21c
0041b21c  0001b3e8 0001b3fc 0001b954 0001b942
0041b22c  0001b934 0001b924 0001b912 0001b906
0041b23c  0001b8fa 0001b8ea 0001b8d6 0001b8ba
...

0:005> dt 0x400000+0x0001b3e8 combase!_IMAGE_IMPORT_BY_NAME
   +0x000 Hint             : 0x382
   +0x002 Name             : [1]  "I"

0:005> da 0x400000+0x0001b3e8+0x2
0041b3ea  "IsDebuggerPresent"

結合上面的輸出，我們知道 IsDebuggerPresent() 是屬於 KERNEL32.dll 下的，有了這兩點資訊，Windows 載入器就可以用 LoadLibrary 和 GetProcAddress 方法將其載入到程序中了，轉化為 C 程式碼大概是這樣的。


typedef BOOL(CALLBACK* DeubbgerFunc)();

int main(int   argc, char* argv[])
{
	HMODULE hModule = LoadLibrary(L"KERNEL32.dll");

	DeubbgerFunc func = (DeubbgerFunc)GetProcAddress(hModule, "IsDebuggerPresent");

	BOOL b= func();
}
  • func 函數地址會儲存嗎？

當然會儲存了，會放在 _IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR 結構下的 FirstThunk 欄位中，這是一個函數地址的指標陣列，可以用 dds 觀察。


0:005> dt 0x400000+0x1b1cc combase!_IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR
   +0x000 Characteristics  : 0x1b21c
   +0x000 OriginalFirstThunk : 0x1b21c
   +0x004 TimeDateStamp    : 0
   +0x008 ForwarderChain   : 0
   +0x00c Name             : 0x1b40c
   +0x010 FirstThunk       : 0x1b000

0:005> dds 0x400000+0x1b000
0041b000  753c20d0 KERNEL32!IsDebuggerPresentStub
0041b004  753c16c0 KERNEL32!LoadLibraryWStub
0041b008  753c2e80 KERNEL32!GetCurrentProcess
0041b00c  753bf550 KERNEL32!GetProcAddressStub
0041b05c  753b9910 KERNEL32!TerminateProcessStub
...

還有一點要注意，如果你在程式碼中使用 IsDebuggerPresent() 方法的話，它會從 0041b000 位置上取函數地址，參考如下組合程式碼：

三：總結

對初學者來說，搞懂這些還是有一定困難的，我在網上找了一份很好的參考圖，大家可以對照著這張圖理解，在此感謝作者。

  • INT 是 Windows 需要載入的函數名列表。
  • IAT 是存放 GetProcAddress 返回函數地址的列表。