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Windows 虛擬地址 到底是如何對映到 實體地址 的？

2023-08-25 12:00:31

一：背景

1. 講故事

我發現有很多的 .NET程式設計師 寫了很多年的程式碼都沒弄清楚什麼是 虛擬地址，更不用談什麼是 實體地址 以及Windows是如何實現地址對映的了？這一篇我們就來聊一聊這兩者之間的聯絡。

二：地址對映研究

1. 找虛擬地址

怎麼去找 虛擬地址 呢？相信很多朋友都知道應用程式用的是虛擬地址，所以從應用程式中取一個就好了，這裡就拿 notepad 舉例子吧。

開啟一個裝有 win10 的虛擬機器器，然後開啟 notepad.exe，使用 windbg 進行它的核心態調式，參考程式碼如下：


0: kd> !process 0 0 notepad.exe
PROCESS ffffe0011f9c9840
    SessionId: 1  Cid: 11a8    Peb: 7ff63d8ff000  ParentCid: 0bf4
    DirBase: 23c6d000  ObjectTable: ffffc00088bdcbc0  HandleCount: <Data Not Accessible>
    Image: notepad.exe

0: kd> .process /i /p ffffe0011f9c9840
You need to continue execution (press 'g' <enter>) for the context
to be switched. When the debugger breaks in again, you will be in
the new process context.

0: kd> g
Break instruction exception - code 80000003 (first chance)
nt!DbgBreakPointWithStatus:
fffff801`bed59c50 cc              int     3

1: kd> .reload /user
Loading User Symbols
....................................

Press ctrl-c (cdb, kd, ntsd) or ctrl-break (windbg) to abort symbol loads that take too long.
Run !sym noisy before .reload to track down problems loading symbols.

......

1: kd> lm
start             end                 module name
00007ff6`3e1e0000 00007ff6`3e21a000   notepad    (deferred)             
00007ff9`83e60000 00007ff9`83fac000   UIAutomationCore   (deferred)             
...

1: kd> dB 00007ff6`3e1e0000+0x50 L30
00007ff6`3e1e0050  69 73 20 70 72 6f 67 72-61 6d 20 63 61 6e 6e 6f  is program canno
00007ff6`3e1e0060  74 20 62 65 20 72 75 6e-20 69 6e 20 44 4f 53 20  t be run in DOS 
00007ff6`3e1e0070  6d 6f 64 65 2e 0d 0d 0a-24 00 00 00 00 00 00 00  mode....$.......

從卦中可以看到 00007ff63e1e0050 處是一段字串，接下來我們就以它為例吧。

2. 如何用 Windbg 推算

到底是如何對映的呢？如果你瞭解 Windows 的原始碼可能你就很清楚，不瞭解也沒關係，我們可以用 WinDbg 幫我們計算，在 windbg 中有一個 !vtop 命令可以一鍵查詢，輸出如下：


1: kd> !vtop 0 00007ff63e1e0050
Amd64VtoP: Virt 00007ff63e1e0050, pagedir 0000000023c6d000
Amd64VtoP: PML4E 0000000023c6d7f8
Amd64VtoP: PDPE 000000002360aec0
Amd64VtoP: PDE 000000000b910f80
Amd64VtoP: PTE 000000001fa51f00
Amd64VtoP: Mapped phys 000000000ad38050
Virtual address 7ff63e1e0050 translates to physical address ad38050.

1: kd> !dB ad38050 L30
# ad38050 69 73 20 70 72 6f 67 72-61 6d 20 63 61 6e 6e 6f is program canno
# ad38060 74 20 62 65 20 72 75 6e-20 69 6e 20 44 4f 53 20 t be run in DOS 
# ad38070 6d 6f 64 65 2e 0d 0d 0a-24 00 00 00 00 00 00 00 mode....$.......

從卦中可以清晰的看到，虛擬地址 00007ff63e1e0050 所對應的實體地址為 ad38050，然後用 !dB 去觀察實體地址也確實如此。

這裡要提醒一下，如果你還想知道這個實體地址所屬的 PDE (頁目錄項) 和 PTE （頁表項） ，可以用 !pte 命令幫我們一鍵顯示，輸出如下：


1: kd> !pte 00007ff63e1e0050
                                           VA 00007ff63e1e0050
PXE at FFFFF6FB7DBED7F8    PPE at FFFFF6FB7DAFFEC0    PDE at FFFFF6FB5FFD8F80    PTE at FFFFF6BFFB1F0F00
contains 009000002360A867  contains 00E000000B910867  contains 00F000001FA51867  contains 810000000AD38025
pfn 2360a     ---DA--UWEV  pfn b910      ---DA--UWEV  pfn 1fa51     ---DA--UWEV  pfn ad38      ----A--UR-V

從卦中可以看到，x64的地址有四級結構，不僅有 PDE,PTE，還有 PXE, PPE，並且從 pfn ad38 可以清楚的看到它的物理頁號是 ad38，加上虛擬地址後的 12bit(050) 偏移，最後的實體地址也就是 ad38050。

用 WinDbg 推算雖然簡單，但不利於我們瞭解原理，為了加深理解，我們需要手工的去推算。

3. 如何手工推算

要明白手工推算，在腦子中一定要有一張架構圖，有了這張架構圖就方便行事了。

卦圖中有幾點要解釋。

  1. 二進位制怎麼出來的？

可以用 windbg 的 .formats 命令。


1: kd> .formats 00007ff63e1e0050
Evaluate expression:
  Hex:     00007ff6`3e1e0050
  Decimal: 140695580835920
  Binary:  00000000 00000000 01111111 11110110 00111110 00011110 00000000 01010000
  1. CR3 是什麼？

CR3 是Windows的控制暫存器，它記錄著這個程序所屬的虛擬地址首地址，專業點就是 BaseDir （基目錄） 地址，參考如下輸出：


1: kd> !process 0 0 notepad.exe
PROCESS ffffe0011f9c9840
    SessionId: 1  Cid: 11a8    Peb: 7ff63d8ff000  ParentCid: 0bf4
    DirBase: 23c6d000  ObjectTable: ffffc00088bdcbc0  HandleCount: <Data Not Accessible>
    Image: notepad.exe
  1. 各級頁表佔用多少bit位數？
  • PXE 佔用 9bit（39-47）
  • PPE 佔用 9bit（30-38）
  • PDE 佔用 9bit（21-29）
  • PTE 佔用 9bit（12-20）

有了這些資訊之後，最後就是手工推算了，這裡要提醒一下，每個表的首地址都把後 12bit 抹為0，因為他們是表的meta資訊，詳細輸出如下：


1: kd> !process 0 0 notepad.exe
PROCESS ffffe0011f9c9840
    SessionId: 1  Cid: 11a8    Peb: 7ff63d8ff000  ParentCid: 0bf4
    DirBase: 23c6d000  ObjectTable: ffffc00088bdcbc0  HandleCount: <Data Not Accessible>
    Image: notepad.exe

1: kd> r cr3
cr3=0000000023c6d000

1: kd> !dp 23c6d000 + (0y011111111*8) L1
#23c6d7f8 00900000`2360a867

1: kd> !dp 2360a000+(0y111011000*8) L1
#2360aec0 00e00000`0b910867

1: kd> !dp 0b910000 + (0y111110000*8) L1

# b910f80 00f00000`1fa51867

1: kd> !dp 1fa51000+(0y111100000*8) L1
#1fa51f00 81000000`0ad38025

從卦中可以看到最後推算出來的是 810000000ad38025 ，抹掉 高32bit 和 末 12bit 之後就變成了 ad38，這個就是我們的 pfn （頁幀號） ，如果你想核算一下 !dp 出來的值對不對，可以看下 !pte 命令中的 contains xxx 是不是這個值？ 輸出如下：


1: kd> !pte 00007ff63e1e0050
                                           VA 00007ff63e1e0050
PXE at FFFFF6FB7DBED7F8    PPE at FFFFF6FB7DAFFEC0    PDE at FFFFF6FB5FFD8F80    PTE at FFFFF6BFFB1F0F00
contains 009000002360A867  contains 00E000000B910867  contains 00F000001FA51867  contains 810000000AD38025
pfn 2360a     ---DA--UWEV  pfn b910      ---DA--UWEV  pfn 1fa51     ---DA--UWEV  pfn ad38      ----A--UR-V

從卦中可以看到，四個地址和pfn都是對的，最後 pfn+頁內偏移 = ad38050 ，也就是我們苦苦尋找的 實體地址，再次輸出一下結果。


1: kd> !dB ad38050 L30
# ad38050 69 73 20 70 72 6f 67 72-61 6d 20 63 61 6e 6e 6f is program canno
# ad38060 74 20 62 65 20 72 75 6e-20 69 6e 20 44 4f 53 20 t be run in DOS 
# ad38070 6d 6f 64 65 2e 0d 0d 0a-24 00 00 00 00 00 00 00 mode....$.......

三：總結

手工推算是不是非常的有意思，可以讓我們更加的理解Windows底層玩法，WinDbg在手，天下我有！

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