毛德操

上一篇漫谈在介绍APC机制时提到：线程在Windows内核中运行时有时候需要暂时“挂靠(Attach)”到别的进程的用户空间，即暂时切换到另一个进程的用户空间。这称为“进程挂靠”，因为用户空间是一个进程最主要的特征。
显然，要是当前线程的操作与用户空间无关、不需要访问用户空间，那么当时的用户空间到底是谁的用户空间根本就无关紧要，所以这必定发生在与用户空间有关的操作中。
一般而言，如果线程T属于进程P，那么当这个线程在内核中运行时的用户空间应该就是进程P的用户空间，它也没有必要访问到别的进程的用户空间去。可是， Windows内核允许一些跨进程的操作，特别是跨用户空间的操作，所以有时候就需要把当时的用户空间切换到别的进程的用户空间，或者说挂靠到别的进程。 在Windows中，一个进程实际上只是意味着一个用户(地址)空间，说一个线程属于某个进程的意思是它使用的是某个特定的用户空间，系统空间则是由所有 线程共用的。那么“某个特定的用户空间”是什么意思呢？实质上就是一个具体的页面映射方案，或者一套具体的映射目录和页面表，以及相关的其它数据结构。而 所谓“切换到某个进程的用户空间”，就是把这套具体的映射目录和页面表装入CPU中的页面映射机构，使其真正发生作用。当然，在完成了有关的操作以后还要 回到原来的用户空间，否则就无法从内核“返回”自己的用户空间了。
然而究竟什么时候需要用到进程挂靠呢？最好还是通过一个实例来加以说明。
前几篇漫谈中说到，在启动一个PE格式的EXE映像运行时先要创建一个进程，然后把目标EXE映像和ntdll.dll的映像映射到新建进程的用户空间， 并且在映射后的ntdll.dll映像中找到LdrInitializeThunk()等函数的入口。在这个过程中，当前线程属于作为创建者的那个进程， 或“父进程”，而其部分操作的对象则在新建进程、即“子进程”的用户空间。所以此时就用到了进程挂靠，使当前线程挂靠到新建进程的用户空间。下面我们通过 LdrpMapSystemDll()的代码来说明为什么有进程挂靠、以及怎样实现进程挂靠。
在创建进程的过程中要调用到一个函数LdrpMapSystemDll()，其作用是把“系统DLL”、即ntdll.dll映射到新建进程的用户空间，并从中获取几个重要函数的入口。当然，这是个内核函数，是在系统空间运行的。


先看一下大致的流程：
通过InitializeObjectAttributes()设置好一个OBJECT_ATTRIBUTES数据结构 FileObjectAttributes；然后用这个数据结构作为参数之一，通过系统调用ZwOpenFile()打开目标文件ntdll.dll。之 所以如此，是因为ZwOpenFile()并不接受文件名作为参数，而必须把文件名放在OBJECT_ATTRIBUTES数据结构中。当然，这个数据结 构中还有别的信息。
通过ZwReadFile()读入目标文件的开头1K字节，目的在于获取其DosHeader和NTHeaders，进而获取其NTHeaders- >OptionalHeader中的ImageBase和SizeOfImage两项信息，前者是映像在文件中的起点，后者是映像的大小。
通过ZwCreateSection()为目标文件建立(并打开)一个Section对象。从逻辑的意义上，这个Section对象就与目标文件的内容划上了等号。
至此，目标文件已经可以关闭，因为不再需要通过文件读写等常规的文件操作访问这个文件了。
通过ZwMapViewOfSection()将已建立的Section、即目标文件的内容映射到目标进程的用户空间。
通过KeAttachProcess()将当前线程挂靠到目标进程。
通过LdrGetProcedureAddress()从已经映射到目标进程用户空间的映像中获取函数LdrInitializeThunk()的入口地址。
再通过LdrGetProcedureAddress()获取若干其它函数的入口地址。
通过KeDetachProcess()撤销挂靠，回到当前线程所属的进程。
关闭所创建的Section对象。
首先要说明，函数名以Zw开头的函数实际上就是以Nt开头的对应系统调用。以打开文件为例，在用户空间调用时要用NtOpenFile()，在内核中调用则用ZwOpenFile()。
显然，这个流程中的进程挂靠、即KeAttachProcess()和KeDetachProcess()、是因为要执行 LdrGetProcedureAddress()而产生的需求。对此我们很自然地就会有两个问题：首先，为什么 LdrGetProcedureAddress()需要进程挂靠？其次，既然LdrGetProcedureAddress()需要，那为什么 ZwMapViewOfSection()倒又不需要？二者不是都涉及目标进程的用户空间吗？
要回答这两个问题，就得近一步深入到这两个函数的代码中。
如前所述，系统调用NtCreateSection()在内核中创建一个Section对象，并使这个对象与一个(已经打开的)目标文件挂上勾，此后就可 以通过另一个系统调用NtMapViewOfSection()将目标文件的部分或全部内容映射到某个用户空间(Section可以为多个进程共享，分别 映射到不同空间的相同或不同地址上)。
下面先看NtMapViewOfSection()。


参数SectionHandle代表着一个Section 对象，ProcessHandle则代表着一个用户空间，BaseAddress是要求装入的地址，而SectionOffset是目标文件中的起点。还 有个参数Protect是对映射后的内存区间(而不是目标文件)的访问保护，在这里是PAGE_READWRITE。
显然，实际的操作是由MmMapViewOfSection()完成的，函数名中的前缀Mm表示这个函数属于内存管理。


我把这段程序留给读者自己阅读，只是略加 提示：Section对象所代表的目标文件分为两大类，一类是可执行映像文件，一类是不同文件。可执行映像文件的映射比普通文件要复杂一些，因为映像文件 中一般有好多不同的段，需要映射到不同的地址上去，这就是代码中有两个for循环的原因。每个段的映射则都是由MmMapViewOfSegment() 完成的。


这里MmCreateMemoryArea()的作用是为一个段的影射分配虚存区间：
按给定的地址要求在目标进程的用户空间找到足够大的“空隙”
如果并非必须映射在给定的地址，就找一个足够大的空隙，
从这个空隙中划出一块给定大小的区间
分配/创建一个MEMORY_AREA数据结构，并将其挂入相应的AddressSpace队列。
MEMORY_AREA数据结构除可挂入AddressSpace队列外还可挂入Section对象中的队列，这样就把内存区间、Section对象、以及目标文件结合了起来。
对于了解Linux内核中存储管理和共享内存区映射的读者，这些操作和过程应该是容易理解的。但是我在这里要说的重点却并不在于这个过程本身，而在于这个过程中并无进程挂靠。
读者或许已经注意到，上面在以NtMapViewOfSection()为入口的整个流程中，我们并没有看到对于KeAttachProcess()的调 用、即并没有进行进程挂靠。虽然这是在父进程的上下文中把一个Section、即“区间”、影射到子进程的用户空间，但是却并不需要挂靠到子进程，这是为 什么呢？要回答这个问题，我们先要搞清：所谓一个进程的用户空间是怎么体现的。简而言之，这主要体现为“一本账、一个表”。
首先，一个“用户空间”是一大片虚拟地址空间，在Linux中是3GB、在Windows中是2GB的地址空间。但是这么大一片虚拟地址空间并不是都已分 配使用，都已经映射到了物理页面、或是某个映射文件或盘区。所以就需要有个账本，记下哪一些虚拟地址区间已经分配使用了，这就是“一本账”。在Linux 内核中，这个账本就是以mm_struct (在上面的代码中是MADDRESS_SPACE)为根的一整套数据结构，在“进程控制块”task_struct中有个指针指向本进程的 mm_struct数据结构(在上面的代码中是&Process->AddressSpace)。由于已分配使用(而尚未释放)的虚拟地址 区间一般都是不连续的，例如用于堆栈的区间和可执行代码的区间就不会连续，所以从数据结构的角度看这“账本”的具体内容总是一个链表，链表中的每一个结点 都代表着一个已分配使用的地址区间，在Linux内核中这就是vm_area_struct数据结构(在上面的代码中是MEMORY_AREA数据结 构)。在这一方面，不同操作系统的内核在具体的数据结构和程序实现上可以有所不同，但是大体上都是一样的，变不出太多的花样。所以，要把一个 Section映射到一个进程的用户空间，首先是对这“账本”的操作。
但是，光有这账本还不够，因为这账本并不直接对CPU中的页面映射部件MMU起作用，所以还需要有一个用于MMU的页面映射表，这就是“一个表”。所谓挂 靠到某个进程，就是把这个进程的页面映射表装入MMU，使得访问用户空间的某个地址时使用的是目标进程的页面映射表。当然，在任何特定的时刻，MMU中只 能有一个页面映射表，既然装入了目标进程的页面映射表，就离开了原来进程的页面映射表。但是，不管是什么进程的页面映射表，他们的系统空间部分、即内核部 分、则都是共同的。由此可见，“进程挂靠”(和恢复)只能在内核中进行，而不能在用户空间进行。
这里还要注意，对于页面映射表的“准备”和“使用”是两码事，建立映射时所涉及的是准备，而把准备好了的页面映射表装入MMU才开始了它的使用。
所以，ZwMapViewOfSection()之所以不需要挂靠到目标进程，是因为建立映射的过程只是账面的操作，而并不真的要去访问(目标进程)用户空间的某个地址。
按理说，既然是把一个Section映射到目标进程的用户空间，就应该同时完成对账本和映射表的操作。但是ReactOS的代码把这两种操作分离了开来， 在NtMapViewOfSection()中只是对账本的操作，而把对映射表的操作推迟了(下面就会看到)，那当然也是可以的。
至此，ntdll.dll的映射已经完成，回到LdrpMapSystemDll()的代码中，下一步是要从这映像中获取LdrInitializeThunk()等函数的入口地址，这时候就需要实施进程挂靠了。


前面的映射只是记在了新建进程的账本上，却没有改变它的页面映射表，这里的UpdatePageDirs()就来处理这页面映射表了。
这里KeAcquireDispatcherDatabaseLock()的作用是通过提高中断优先级达到禁止线程调度的目的。因为下面的KiAttachProcess()即将实现用户空间的切换，在这个当口上是不能允许线程调度的。
下面就是“挂靠”的实施了。


注意代码中的Process->StackCount与进程的“堆栈”并无关系，而是指进程挂靠的嵌套深度。
前面讲过，所谓挂靠到某个进程，就是切换到那个进程的用户空间，就是把那个进程的页面映射表装入MMU，这里调用KiSwapProcess()的原因就 在于此。不过在此之前还需要把当前进程的APC队列从ApcState转移到SavedApcState去，所以还调用了KiMoveApcState ()，读者可以结合前一篇漫谈把这里的程序读懂。此外，这里KeReleaseDispatcherDatabaseLock()一方面是解除对线程调度 的禁令，一方面是回到原来的中断优先级。与之配对的是前面KeAttachProcess()中的 KeAcquireDispatcherDatabaseLock()。
我们接着看KiSwapProcess()的代码。


这里Ke386SetPageTableDirectory()的作用就是切换用户空间，即装入目标进程的页面映射表，这主要是对寄存器CR3的操作。
读懂了KeAttachProcess()，自然也就懂得了KeDetachProcess()。
回到前面LdrpMapSystemDll()代码中，可以看到夹在KeAttachProcess()和KeDetachProcess()之间的操作 主要是LdrGetProcedureAddress()，就可以明白这是为什么了。因为LdrGetProcedureAddress()是根据一个函 数名从给定的映像中找到该函数的程序入口(当然，这必须是由目标映像导出的函数，否则也找不到)。这里要找的就是LdrInitializeThunk ()以及其它几个函数的入口。要在目标映像中寻找函数入口，当然就得访问这个映像、即访问这个映像在用户空间的所在地址区间，这就涉及页面映射表的使用 (而不是准备)了。于是，就需要暂时切换到目标进程的用户空间，也就是“挂靠”到目标进程。当然，完成了操作之后还得切换回来，那就是 KeDetachProcess()的事了。
这里还要说一下，从程序的角度看，KeAttachProcess()以后就可以根据目标映像在用户空间的起始地址访问这个映像了，似乎很简单。但是实际 的过程却并不那么简单。这个映像虽然已经在用户空间有了映射，也就是在页面映射表中有了相应的表项，但是此刻可能(应该说多半)还没有相应的物理页面，所 以在第一次访问这个映像时就会发生缺页异常。然后，在内核对缺页异常的处理中，将会发现所映射的是一个磁盘文件、即映像文件中的一个逻辑页面，就为其分配 一个物理页面并从磁盘文件读入这逻辑页面。从缺页异常返回以后，CPU重新执行访问用户空间的那条指令，才能获得成功。就这样，访问到哪，就缺页到哪、读 入到哪，慢慢地就星罗棋布、把许多页面从磁盘读了进来。然而，也许到目标映像结束运行时还有许多页面是从未读入内存的。所谓“工作集”的概念就是这样来 的，但是那已经不在本文的话题之内了。