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从C开始

 
 
 

日志

 
 

windows进程中的内存结构  

2010-10-24 15:15:06|  分类: 个人备忘 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 基础知识: 
 
栈是一种简单的数据结构,是一种只允许在其一端进行插入或删除的线性表。允许插入或删除操作的一端称为栈顶,另一端称为栈底,对堆栈的插入和删除操作被称 为入栈和出栈。有一组CPU指令可以实现对进程的内存实现堆栈访问。其中,POP指令实现出栈操作,PUSH指令实现入栈操作。CPUESP寄存器存放 当前线程的栈顶指针,EBP寄存器中保存当前线程的栈底指针。CPUEIP寄存器存放下一个CPU指令存放的内存地址,当CPU执行完当前的指令后,从 EIP寄存器中读取下一条指令的内存地址,然后继续执行。  

 


 
接触过编程的人都知道,高级语言都能通过变量名来访问内存中的数据。那么这些变量在内存中是如何存放的呢?程序又是如何使用这些变量的呢?下面就会对此进行深入的讨论。下文中的C语言代码如没有特别声明,默认都使用VC编译的release版。 
 
 
首先,来了解一下 C 语言的变量是如何在内存分部的。C 语言有全局变量(Global)、本地变量(Local),静态变量(Static)、寄存器变量(Regeister)。每种变量都有不同的分配方式。先来看下面这段代码: 
 
 #include <stdio.h> 
 
 int g1=0, g2=0, g3=0; 
 
 int main() 
 { 
 static int s1=0, s2=0, s3=0; 
 int v1=0, v2=0, v3=0; 
 
 //
打印出各个变量的内存地址 
 
 printf("0x%08x\n",&v1); //
打印各本地变量的内存地址 
 printf("0x%08x\n",&v2); 
 printf("0x%08x\n\n",&v3); 
 printf("0x%08x\n",&g1); //
打印各全局变量的内存地址 
 printf("0x%08x\n",&g2); 
 printf("0x%08x\n\n",&g3); 
 printf("0x%08x\n",&s1); //
打印各静态变量的内存地址 
 printf("0x%08x\n",&s2); 
 printf("0x%08x\n\n",&s3); 
 return 0; 
 } 
 
 
编译后的执行结果是: 
 
 0x0012ff78 
 0x0012ff7c 
 0x0012ff80 
 
 0x004068d0 
 0x004068d4 
 0x004068d8 
 
 0x004068dc 
 0x004068e0 
 0x004068e4 
 
 
出的结果就是变量的内存地址。其中v1,v2,v3是本地变量,g1,g2,g3是全局变量,s1,s2,s3是静态变量。你可以看到这些变量在内存是连 续分布的,但是本地变量和全局变量分配的内存地址差了十万八千里,而全局变量和静态变量分配的内存是连续的。这是因为本地变量和全局/静态变量是分配在不 同类型的内存区域中的结果。对于一个进程的内存空间而言,可以在逻辑上分成3个部份:代码区,静态数据区和动态数据区。动态数据区一般就是堆栈 (stack)”(heap)”是两种不同的动态数据区,栈是一种线性结构,堆是一种链式结构。进程的每个线程都有私有的,所以每个线程虽然 代码一样,但本地变量的数据都是互不干扰。一个堆栈可以通过基地址栈顶地址来描述。全局变量和静态变量分配在静态数据区,本地变量分配在动态数 据区,即堆栈中。程序通过堆栈的基地址和偏移量来访问本地变量。 
 
 
 
———————低端内存区域 
 │ …… │ 
 
——————— 
 │
动态数据区 
 
——————— 
 │ …… │ 
 
——————— 
 │
代码区 
 
——————— 
 │
静态数据区 
 
——————— 
 │ …… │ 
 
———————高端内存区域 
 
 
 
栈是一个先进后出的数据结构,栈顶地址总是小于等于栈的基地址。我们可以先了解一下函数调用的过程,以便对堆栈在程序中的作用有更深入的了解。不同的语言 有不同的函数调用规定,这些因素有参数的压入规则和堆栈的平衡。windows API的调用规则和ANSI C的函数调用规则是不一样的,前者由被调函数调整堆栈,后者由调用者调整堆栈。两者通过“__stdcall”“__cdecl”前缀区分。先看下面这 段代码: 
 
 #include <stdio.h> 
 
 void __stdcall func(int param1,int param2,int param3) 
 { 
 int var1=param1; 
 int var2=param2; 
 int var3=param3; 
 printf("0x%08x\n", & param1); //
打印出各个变量的内存地址 
 printf("0x%08x\n", & param2); 
 printf("0x%08x\n\n", & param3); 
 printf("0x%08x\n",&var1); 
 printf("0x%08x\n",&var2); 
 printf("0x%08x\n\n",&var3); 
 return; 
 } 
 
 int main() 
 { 
 func(1,2,3); 
 return 0; 
 } 
 
 
编译后的执行结果是: 
 
 0x0012ff78 
 0x0012ff7c 
 0x0012ff80 
 
 0x0012ff68 
 0x0012ff6c 
 0x0012ff70 
 
 
 
 
———————<—函数执行时的栈顶(ESP)、低端内存区域 
 │ …… │ 
 
——————— 
 │ var 1 │ 
 
——————— 
 │ var 2 │ 
 
——————— 
 │ var 3 │ 
 
——————— 
 │ RET │ 
 
———————<—“__cdecl”函数返回后的栈顶(ESP 
 │ parameter 1 │ 
 
——————— 
 │ parameter 2 │ 
 
——————— 
 │ parameter 3 │ 
 
———————<—“__stdcall”函数返回后的栈顶(ESP 
 │ …… │ 
 
———————<—栈底(基地址 EBP)、高端内存区域 
 
 
 
图就是函数调用过程中堆栈的样子了。首先,三个参数以从又到左的次序压入堆栈,先压“param3”,再压“param2”,最后压入“param1” 然后压入函数的返回地址(RET),接着跳转到函数地址接着执行(这里要补充一点,介绍UNIX下的缓冲溢出原理的文章中都提到在压入RET后,继续压入 当前EBP,然后用当前ESP代替EBP。然而,有一篇介绍windows下函数调用的文章中说,在windows下的函数调用也有这一步骤,但根据我的 实际调试,并未发现这一步,这还可以从param3var1之间只有4字节的间隙这点看出来);第三步,将栈顶(ESP)减去一个数,为本地变量分配内 存空间,上例中是减去12字节(ESP=ESP-3*4,每个int变量占用4个字节);接着就初始化本地变量的内存空间。由于“__stdcall” 用由被调函数调整堆栈,所以在函数返回前要恢复堆栈,先回收本地变量占用的内存(ESP=ESP+3*4),然后取出返回地址,填入EIP寄存器,回收先 前压入参数占用的内存(ESP=ESP+3*4),继续执行调用者的代码。参见下列汇编代码: 
 
 ;--------------func
函数的汇编代码------------------- 
 
 :00401000 83EC0C sub esp, 0000000C //
创建本地变量的内存空间 
 :00401003 8B442410 mov eax, dword ptr [esp+10] 
 :00401007 8B4C2414 mov ecx, dword ptr [esp+14] 
 :0040100B 8B542418 mov edx, dword ptr [esp+18] 
 :0040100F 89442400 mov dword ptr [esp], eax 
 :00401013 8D442410 lea eax, dword ptr [esp+10] 
 :00401017 894C2404 mov dword ptr [esp+04], ecx 
 
 ……………………
(省略若干代码) 
 
 :00401075 83C43C add esp, 0000003C ;
恢复堆栈,回收本地变量的内存空间 
 :00401078 C3 ret 000C ;
函数返回,恢复参数占用的内存空间 
 ;
如果是“__cdecl”的话,这里是“ret”,堆栈将由调用者恢复 
 
 ;-------------------
函数结束------------------------- 
 
 
 ;--------------
主程序调用func函数的代码-------------- 
 
 :00401080 6A03 push 00000003 //
压入参数param3 
 :00401082 6A02 push 00000002 //
压入参数param2 
 :00401084 6A01 push 00000001 //
压入参数param1 
 :00401086 E875FFFFFF call 00401000 //
调用func函数 
 ;
如果是“__cdecl”的话,将在这里恢复堆栈,“add esp, 0000000C 
 
 
聪明的读者看到这里,差不多就明白缓冲溢出的原理了。先来看下面的代码: 
 
 #include <stdio.h> 
 #include <string.h> 
 
 void __stdcall func() 
 { 
 char lpBuff[8]="\0"; 
 strcat(lpBuff,"AAAAAAAAAAA"); 
 return; 
 } 
 
 int main() 
 { 
 func(); 
 return 0; 
 } 
 
 
译后执行一下回怎么样?哈,“"0x00414141"指令引用的"0x00000000"内存。该内存不能为"read"非法操作喽!"41"就是"A"16进制的ASCII码了,那明显就是strcat这句出的问题了。"lpBuff"的大小只有8字节,算进结尾的‘\0‘,那 strcat最多只能写入7"A",但程序实际写入了11"A"外加1‘\0‘。再来看看上面那幅图,多出来的4个字节正好覆盖了RET的所在的内 存空间,导致函数返回到一个错误的内存地址,执行了错误的指令。如果能精心构造这个字符串,使它分成三部分,前一部份仅仅是填充的无意义数据以达到溢出的 目的,接着是一个覆盖RET的数据,紧接着是一段shellcode,那只要着个RET地址能指向这段shellcode的第一个指令,那函数返回时就能 执行shellcode了。但是软件的不同版本和不同的运行环境都可能影响这段shellcode在内存中的位置,那么要构造这个RET是十分困难的。一 般都在RETshellcode之间填充大量的NOP指令,使得exploit有更强的通用性。 
 
 
 
———————<—低端内存区域 
 │ …… │ 
 
———————<—exploit填入数据的开始 
 │ │ 
 │ buffer │<—
填入无用的数据 
 │ │ 
 
——————— 
 │ RET │<—
指向shellcode,或NOP指令的范围 
 
——————— 
 │ NOP │ 
 │ …… │<—
填入的NOP指令,是RET可指向的范围 
 │ NOP │ 
 
——————— 
 │ │ 
 │ shellcode │ 
 │ │ 
 
———————<—exploit填入数据的结束 
 │ …… │ 
 
———————<—高端内存区域 
 
 
 windows
下的动态数据除了可存放在栈中,还可以存放在堆中。了解C++的朋友都知道,C++可以使用new关键字来动态分配内存。来看下面的C++代码: 
 
 #include <stdio.h> 
 #include 
 #include <windows.h> 
 
 void func() 
 { 
 char *buffer=new char[128]; 
 char bufflocal[128]; 
 static char buffstatic[128]; 
 printf("0x%08x\n",buffer); //
打印堆中变量的内存地址 
 printf("0x%08x\n",bufflocal); //
打印本地变量的内存地址 
 printf("0x%08x\n",buffstatic); //
打印静态变量的内存地址 
 } 
 
 void main() 
 { 
 func(); 
 return; 
 } 
 
 
程序执行结果为: 
 
 0x004107d0 
 0x0012ff04 
 0x004068c0 
 
 
可以发现用new关键字分配的内存即不在栈中,也不在静态数据区。VC编译器是通过windows下的(heap)”来实现new关键字的内存动态分配。在讲之前,先来了解一下和有关的几个API函数: 
 
 HeapAlloc
在堆中申请内存空间 
 HeapCreate
创建一个新的堆对象 
 HeapDestroy
销毁一个堆对象 
 HeapFree
释放申请的内存 
 HeapWalk
枚举堆对象的所有内存块 
 GetProcessHeap
取得进程的默认堆对象 
 GetProcessHeaps
取得进程所有的堆对象 
 LocalAlloc 
 GlobalAlloc 
 
 
当进程初始化时,系统会自动为进程创建一个默认堆,这个堆默认所占内存的大小为1M。堆对象由系统进行管理,它在内存中以链式结构存在。通过下面的代码可以通过堆动态申请内存空间: 
 
 HANDLE hHeap=GetProcessHeap(); 
 char *buff=HeapAlloc(hHeap,0,8); 
 
 
其中hHeap是堆对象的句柄,buff是指向申请的内存空间的地址。那这个hHeap究竟是什么呢?它的值有什么意义吗?看看下面这段代码吧: 
 
 #pragma comment(linker,"/entry:main") //
定义程序的入口 
 #include <windows.h> 
 
 _CRTIMP int (__cdecl *printf)(const char *, ...); //
定义STL函数printf 
 /*--------------------------------------------------------------------------- 
 
写到这里,我们顺便来复习一下前面所讲的知识: 
 (*
)printf函数是C语言的标准函数库中函数,VC的标准函数库由msvcrt.dll模块实现。 
 
函数定义可见,printf的参数个数是可变的,函数内部无法预先知道调用者压入的参数个数,函数只能通过分析第一个参数字符串的格式来获得压入参数的信 息,由于这里参数的个数是动态的,所以必须由调用者来平衡堆栈,这里便使用了__cdecl调用规则。BTWWindows系统的API函数基本上是 __stdcall调用形式,只有一个API例外,那就是wsprintf,它使用__cdecl调用规则,同printf函数一样,这是由于它的参数个 数是可变的缘故。
 ---------------------------------------------------------------------------*/ 
 void main() 
 { 
 HANDLE hHeap=GetProcessHeap(); 
 char *buff=HeapAlloc(hHeap,0,0x10); 
 char *buff2=HeapAlloc(hHeap,0,0x10); 
 HMODULE hMsvcrt=LoadLibrary("msvcrt.dll"); 
 printf=(void *)GetProcAddress(hMsvcrt,"printf"); 
 printf("0x%08x\n",hHeap); 
 printf("0x%08x\n",buff); 
 printf("0x%08x\n\n",buff2); 
 } 
 
 
执行结果为: 
 
 0x00130000 
 0x00133100 
 0x00133118 
 
 hHeap
的值怎么和那个buff的值那么接近呢?其实hHeap这个句柄就是指向HEAP首部的地址。在进程的用户区存着一个叫PEB(进程环境块)的结构,这个 结构中存放着一些有关进程的重要信息,其中在PEB首地址偏移0x18处存放的ProcessHeap就是进程默认堆的地址,而偏移0x90处存放了指向 进程所有堆的地址列表的指针。windows有很多API都使用进程的默认堆来存放动态数据,如windows 2000下的所有ANSI版本的函数都是在默认堆中申请内存来转换ANSI字符串到Unicode字符串的。对一个堆的访问是顺序进行的,同一时刻只能有 一个线程访问堆中的数据,当多个线程同时有访问要求时,只能排队等待,这样便造成程序执行效率下降。 
 
 
最后来说说内存中的数据对 齐。所位数据对齐,是指数据所在的内存地址必须是该数据长度的整数倍,DWORD数据的内存起始地址能被4除尽,WORD数据的内存起始地址能被2 尽,x86 CPU能直接访问对齐的数据,当他试图访问一个未对齐的数据时,会在内部进行一系列的调整,这些调整对于程序来说是透明的,但是会降低运行速度,所以编译 器在编译程序时会尽量保证数据对齐。同样一段代码,我们来看看用VCDev-C++lcc三个不同编译器编译出来的程序的执行结果: 
 
 #include <stdio.h> 
 
 int main() 
 { 
 int a; 
 char b; 
 int c; 
 printf("0x%08x\n",&a); 
 printf("0x%08x\n",&b); 
 printf("0x%08x\n",&c); 
 return 0; 
 } 
 
 
这是用VC编译后的执行结果: 
 0x0012ff7c 
 0x0012ff7b 
 0x0012ff80 
 
变量在内存中的顺序:b(1字节)-a(4字节)-c(4字节) 
 
 
这是用Dev-C++编译后的执行结果: 
 0x0022ff7c 
 0x0022ff7b 
 0x0022ff74 
 
变量在内存中的顺序:c(4字节)-中间相隔3字节-b(1字节)-a(4字节) 
 
 
这是用lcc编译后的执行结果: 
 0x0012ff6c 
 0x0012ff6b 
 0x0012ff64 
 
变量在内存中的顺序:同上。 
 
 
三个编译器都做到了数据对齐,但是后两个编译器显然没VC“聪明,让一个char占了4字节,浪费内存哦。 
 
 

 
 
 
参考:《Windows下的HEAP溢出及其利用》by: isno 
 
windows核心编程》by: Jeffrey Richter

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