不错的关于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Bugslayer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)

    {

    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)

    CreateProcessInternalW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 IsDebuggerPresent(void)

    {

    return NtCurrentTeb()->ProcessEnvironmentBlock->BeingDebugged;

    }

    TEB和PEB的结构可在http://www.ntinternals.net/上找到。

    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 NtQueryInformationProcess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, &hPort, 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 = ProcessIdToHandle(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()->DbgSsReserved[1])，和一个调试状态转换的信号灯句柄(保存在 DbgStateChangeSemaphore NtCurrentTeb()->DbgSsReserved[0])用于等待调试事件。伪代码如下：

    #define DbgStateChangeSemaphore (NtCurrentTeb()->DbgSsReserved[0])

    #define DbgUiApiPort (NtCurrentTeb()->DbgSsReserved[1])

    NTSTATUS DbgUiConnectToDbg( VOID )

    {

    NTSTATUS st = NtConnectPort(&DbgUiApiPort, L"", ..., &DbgStateChangeSemaphore);

    if(NT_SUCCESS(st))

    {

    NtRegisterThreadTerminatePort(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 (NtCurrentTeb()->DbgSsReserved[1])

    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 DbgUiWaitStateChange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(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，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 ExitProcess;

    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_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_DEBUG_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;

    }

    PsLockProcess(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(PsGetCurrentProcess());

    }

    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()->DeadThread && !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DbgkCreateThread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:699)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.dll)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 \exceptn.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 Handled1;

    }

    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, 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。