[轉(zhuǎn)]Windows進(jìn)程中的內(nèi)存結(jié)構(gòu)
在閱讀本文之前，如果你連堆棧是什么多不知道的話，請先閱讀文章后面的基礎(chǔ)知識。
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?接觸過編程的人都知道，高級語言都能通過變量名來訪問內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。那么這些變量在內(nèi)存中是如何存放的呢？程序又是如何使用這些變量的呢？下面就會對此進(jìn)行深入的討論。下文中的C語言代碼如沒有特別聲明，默認(rèn)都使用VC編譯的release版。
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?首先，來了解一下 C 語言的變量是如何在內(nèi)存分部的。C 語言有全局變量(Global)、本地變量(Local)，靜態(tài)變量(Static)、寄存器變量(Regeister)。每種變量都有不同的分配方式。先來看下面這段代碼：
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?#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;
?
?//打印出各個變量的內(nèi)存地址
?
?printf("0x%08x\n",&v1); //打印各本地變量的內(nèi)存地址
?printf("0x%08x\n",&v2);
?printf("0x%08x\n\n",&v3);
?printf("0x%08x\n",&g1); //打印各全局變量的內(nèi)存地址
?printf("0x%08x\n",&g2);
?printf("0x%08x\n\n",&g3);
?printf("0x%08x\n",&s1); //打印各靜態(tài)變量的內(nèi)存地址
?printf("0x%08x\n",&s2);
?printf("0x%08x\n\n",&s3);
?return 0;
?}
?
?編譯后的執(zhí)行結(jié)果是：
?
?0x0012ff78
?0x0012ff7c
?0x0012ff80
?
?0x004068d0
?0x004068d4
?0x004068d8
?
?0x004068dc
?0x004068e0
?0x004068e4
?
?輸出的結(jié)果就是變量的內(nèi)存地址。其中v1,v2,v3是本地變量，g1,g2,g3是全局變量，s1,s2,s3是靜態(tài)變量。你可以看到這些變量在內(nèi)存是連續(xù)分布的，但是本地變量和全局變量分配的內(nèi)存地址差了十萬八千里，而全局變量和靜態(tài)變量分配的內(nèi)存是連續(xù)的。這是因為本地變量和全局/靜態(tài)變量是分配在不同類型的內(nèi)存區(qū)域中的結(jié)果。對于一個進(jìn)程的內(nèi)存空間而言，可以在邏輯上分成3個部份：代碼區(qū)，靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)和動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)一般就是“堆棧”。“棧(stack)”和“堆(heap)”是兩種不同的動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，棧是一種線性結(jié)構(gòu)，堆是一種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。進(jìn)程的每個線程都有私有的“棧”，所以每個線程雖然代碼一樣，但本地變量的數(shù)據(jù)都是互不干擾。一個堆棧可以通過“基地址”和“棧頂”地址來描述。全局變量和靜態(tài)變量分配在靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，本地變量分配在動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，即堆棧中。程序通過堆棧的基地址和偏移量來訪問本地變量。
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?
?├———————┤低端內(nèi)存區(qū)域
?│ …… │
?├———————┤
?│ 動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū) │
?├———————┤
?│ …… │
?├———————┤
?│ 代碼區(qū) │
?├———————┤
?│ 靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū) │
?├———————┤
?│ …… │
?├———————┤高端內(nèi)存區(qū)域
?
?
?堆棧是一個先進(jìn)后出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，棧頂?shù)刂房偸切∮诘扔跅５幕刂贰Ｎ覀兛梢韵攘私庖幌潞瘮?shù)調(diào)用的過程，以便對堆棧在程序中的作用有更深入的了解。不同的語言有不同的函數(shù)調(diào)用規(guī)定，這些因素有參數(shù)的壓入規(guī)則和堆棧的平衡。windows API的調(diào)用規(guī)則和ANSI C的函數(shù)調(diào)用規(guī)則是不一樣的，前者由被調(diào)函數(shù)調(diào)整堆棧，后者由調(diào)用者調(diào)整堆棧。兩者通過“__stdcall”和“__cdecl”前綴區(qū)分。先看下面這段代碼：
?
?#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",?m1); //打印出各個變量的內(nèi)存地址
?printf("0x%08x\n",?m2);
?printf("0x%08x\n\n",?m3);
?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;
?}
?
?編譯后的執(zhí)行結(jié)果是：
?
?0x0012ff78
?0x0012ff7c
?0x0012ff80
?
?0x0012ff68
?0x0012ff6c
?0x0012ff70
?
?
?
?├———————┤<—函數(shù)執(zhí)行時的棧頂（ESP）、低端內(nèi)存區(qū)域
?│ …… │
?├———————┤
?│ var 1 │
?├———————┤
?│ var 2 │
?├———————┤
?│ var 3 │
?├———————┤
?│ RET │
?├———————┤<—“__cdecl”函數(shù)返回后的棧頂（ESP）
?│ parameter 1 │
?├———————┤
?│ parameter 2 │
?├———————┤
?│ parameter 3 │
?├———————┤<—“__stdcall”函數(shù)返回后的棧頂（ESP）
?│ …… │
?├———————┤<—棧底（基地址 EBP）、高端內(nèi)存區(qū)域
?
?
?上圖就是函數(shù)調(diào)用過程中堆棧的樣子了。首先，三個參數(shù)以從又到左的次序壓入堆棧，先壓“param3”，再壓“param2”，最后壓入“param1”；然后壓入函數(shù)的返回地址(RET)，接著跳轉(zhuǎn)到函數(shù)地址接著執(zhí)行（這里要補(bǔ)充一點，介紹UNIX下的緩沖溢出原理的文章中都提到在壓入RET后，繼續(xù)壓入當(dāng)前EBP，然后用當(dāng)前ESP代替EBP。然而，有一篇介紹windows下函數(shù)調(diào)用的文章中說，在windows下的函數(shù)調(diào)用也有這一步驟，但根據(jù)我的實際調(diào)試，并未發(fā)現(xiàn)這一步，這還可以從param3和var1之間只有4字節(jié)的間隙這點看出來）；第三步，將棧頂(ESP)減去一個數(shù)，為本地變量分配內(nèi)存空間，上例中是減去12字節(jié)(ESP=ESP-3*4，每個int變量占用4個字節(jié))；接著就初始化本地變量的內(nèi)存空間。由于“__stdcall”調(diào)用由被調(diào)函數(shù)調(diào)整堆棧，所以在函數(shù)返回前要恢復(fù)堆棧，先回收本地變量占用的內(nèi)存(ESP=ESP+3*4)，然后取出返回地址，填入EIP寄存器，回收先前壓入?yún)?shù)占用的內(nèi)存(ESP=ESP+3*4)，繼續(xù)執(zhí)行調(diào)用者的代碼。參見下列匯編代碼：
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?;--------------func 函數(shù)的匯編代碼-------------------
?
?:00401000 83EC0C sub esp, 0000000C //創(chuàng)建本地變量的內(nèi)存空間
?: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
?
?……………………（省略若干代碼）
?
?:00401075 83C43C add esp, 0000003C ;恢復(fù)堆棧，回收本地變量的內(nèi)存空間
?:00401078 C3 ret 000C ;函數(shù)返回，恢復(fù)參數(shù)占用的內(nèi)存空間
?;如果是“__cdecl”的話，這里是“ret”，堆棧將由調(diào)用者恢復(fù)
?
?;-------------------函數(shù)結(jié)束-------------------------
?
?
?;--------------主程序調(diào)用func函數(shù)的代碼--------------
?
?:00401080 6A03 push 00000003 //壓入?yún)?shù)param3
?:00401082 6A02 push 00000002 //壓入?yún)?shù)param2
?:00401084 6A01 push 00000001 //壓入?yún)?shù)param1
?:00401086 E875FFFFFF call 00401000 //調(diào)用func函數(shù)
?;如果是“__cdecl”的話，將在這里恢復(fù)堆棧，“add esp, 0000000C”
?
?聰明的讀者看到這里，差不多就明白緩沖溢出的原理了。先來看下面的代碼：
?
?#include <stdio.h>
?#include <string.h>
?
?void __stdcall func()
?{
?char lpBuff[8]="\0";
?strcat(lpBuff,"AAAAAAAAAAA");
?return;
?}
?
?int main()
?{
?func();
?return 0;
?}
?
?編譯后執(zhí)行一下回怎么樣？哈，“"0x00414141"指令引用的"0x00000000"內(nèi)存。該內(nèi)存不能為"read"。”，“非法操作”嘍！"41"就是"A"的16進(jìn)制的ASCII碼了，那明顯就是strcat這句出的問題了。"lpBuff"的大小只有8字節(jié)，算進(jìn)結(jié)尾的‘\0‘，那strcat最多只能寫入7個"A"，但程序?qū)嶋H寫入了11個"A"外加1個‘\0‘。再來看看上面那幅圖，多出來的4個字節(jié)正好覆蓋了RET的所在的內(nèi)存空間，導(dǎo)致函數(shù)返回到一個錯誤的內(nèi)存地址，執(zhí)行了錯誤的指令。如果能精心構(gòu)造這個字符串，使它分成三部分，前一部份僅僅是填充的無意義數(shù)據(jù)以達(dá)到溢出的目的，接著是一個覆蓋RET的數(shù)據(jù)，緊接著是一段shellcode，那只要著個RET地址能指向這段shellcode的第一個指令，那函數(shù)返回時就能執(zhí)行shellcode了。但是軟件的不同版本和不同的運(yùn)行環(huán)境都可能影響這段shellcode在內(nèi)存中的位置，那么要構(gòu)造這個RET是十分困難的。一般都在RET和shellcode之間填充大量的NOP指令，使得exploit有更強(qiáng)的通用性。
?
?
?├———————┤<—低端內(nèi)存區(qū)域
?│ …… │
?├———————┤<—由exploit填入數(shù)據(jù)的開始
?│ │
?│ buffer │<—填入無用的數(shù)據(jù)
?│ │
?├———————┤
?│ RET │<—指向shellcode，或NOP指令的范圍
?├———————┤
?│ NOP │
?│ …… │<—填入的NOP指令，是RET可指向的范圍
?│ NOP │
?├———————┤
?│ │
?│ shellcode │
?│ │
?├———————┤<—由exploit填入數(shù)據(jù)的結(jié)束
?│ …… │
?├———————┤<—高端內(nèi)存區(qū)域
?
?
?windows下的動態(tài)數(shù)據(jù)除了可存放在棧中，還可以存放在堆中。了解C++的朋友都知道，C++可以使用new關(guān)鍵字來動態(tài)分配內(nèi)存。來看下面的C++代碼：
?
?#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); //打印堆中變量的內(nèi)存地址
?printf("0x%08x\n",bufflocal); //打印本地變量的內(nèi)存地址
?printf("0x%08x\n",buffstatic); //打印靜態(tài)變量的內(nèi)存地址
?}
?
?void main()
?{
?func();
?return;
?}
?
?程序執(zhí)行結(jié)果為：
?
?0x004107d0
?0x0012ff04
?0x004068c0
?
?可以發(fā)現(xiàn)用new關(guān)鍵字分配的內(nèi)存即不在棧中，也不在靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。VC編譯器是通過windows下的“堆(heap)”來實現(xiàn)new關(guān)鍵字的內(nèi)存動態(tài)分配。在講“堆”之前，先來了解一下和“堆”有關(guān)的幾個API函數(shù)：
?
?HeapAlloc 在堆中申請內(nèi)存空間
?HeapCreate 創(chuàng)建一個新的堆對象
?HeapDestroy 銷毀一個堆對象
?HeapFree 釋放申請的內(nèi)存
?HeapWalk 枚舉堆對象的所有內(nèi)存塊
?GetProcessHeap 取得進(jìn)程的默認(rèn)堆對象
?GetProcessHeaps 取得進(jìn)程所有的堆對象
?LocalAlloc
?GlobalAlloc
?
?當(dāng)進(jìn)程初始化時，系統(tǒng)會自動為進(jìn)程創(chuàng)建一個默認(rèn)堆，這個堆默認(rèn)所占內(nèi)存的大小為1M。堆對象由系統(tǒng)進(jìn)行管理，它在內(nèi)存中以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)存在。通過下面的代碼可以通過堆動態(tài)申請內(nèi)存空間：
?
?HANDLE hHeap=GetProcessHeap();
?char *buff=HeapAlloc(hHeap,0,8);
?
?其中hHeap是堆對象的句柄，buff是指向申請的內(nèi)存空間的地址。那這個hHeap究竟是什么呢？它的值有什么意義嗎？看看下面這段代碼吧：
?
?#pragma comment(linker,"/entry:main") //定義程序的入口
?#include <windows.h>
?
?_CRTIMP int (__cdecl *printf)(const char *, ...); //定義STL函數(shù)printf
?/*---------------------------------------------------------------------------
?寫到這里，我們順便來復(fù)習(xí)一下前面所講的知識：
?(*注)printf函數(shù)是C語言的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫中函數(shù)，VC的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫由msvcrt.dll模塊實現(xiàn)。
?由函數(shù)定義可見，printf的參數(shù)個數(shù)是可變的，函數(shù)內(nèi)部無法預(yù)先知道調(diào)用者壓入的參數(shù)個數(shù)，函數(shù)只能通過分析第一個參數(shù)字符串的格式來獲得壓入?yún)?shù)的信息，由于這里參數(shù)的個數(shù)是動態(tài)的，所以必須由調(diào)用者來平衡堆棧，這里便使用了__cdecl調(diào)用規(guī)則。BTW，Windows系統(tǒng)的API函數(shù)基本上是__stdcall調(diào)用形式，只有一個API例外，那就是wsprintf，它使用__cdecl調(diào)用規(guī)則，同printf函數(shù)一樣，這是由于它的參數(shù)個數(shù)是可變的緣故。
?---------------------------------------------------------------------------*/
?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);
?}
?
?執(zhí)行結(jié)果為：
?
?0x00130000
?0x00133100
?0x00133118
?
?hHeap的值怎么和那個buff的值那么接近呢？其實hHeap這個句柄就是指向HEAP首部的地址。在進(jìn)程的用戶區(qū)存著一個叫PEB(進(jìn)程環(huán)境塊)的結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)中存放著一些有關(guān)進(jìn)程的重要信息，其中在PEB首地址偏移0x18處存放的ProcessHeap就是進(jìn)程默認(rèn)堆的地址，而偏移0x90處存放了指向進(jìn)程所有堆的地址列表的指針。windows有很多API都使用進(jìn)程的默認(rèn)堆來存放動態(tài)數(shù)據(jù)，如windows 2000下的所有ANSI版本的函數(shù)都是在默認(rèn)堆中申請內(nèi)存來轉(zhuǎn)換ANSI字符串到Unicode字符串的。對一個堆的訪問是順序進(jìn)行的，同一時刻只能有一個線程訪問堆中的數(shù)據(jù)，當(dāng)多個線程同時有訪問要求時，只能排隊等待，這樣便造成程序執(zhí)行效率下降。
?
?最后來說說內(nèi)存中的數(shù)據(jù)對齊。所位數(shù)據(jù)對齊，是指數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存地址必須是該數(shù)據(jù)長度的整數(shù)倍，DWORD數(shù)據(jù)的內(nèi)存起始地址能被4除盡，WORD數(shù)據(jù)的內(nèi)存起始地址能被2除盡，x86 CPU能直接訪問對齊的數(shù)據(jù)，當(dāng)他試圖訪問一個未對齊的數(shù)據(jù)時，會在內(nèi)部進(jìn)行一系列的調(diào)整，這些調(diào)整對于程序來說是透明的，但是會降低運(yùn)行速度，所以編譯器在編譯程序時會盡量保證數(shù)據(jù)對齊。同樣一段代碼，我們來看看用VC、Dev-C++和lcc三個不同編譯器編譯出來的程序的執(zhí)行結(jié)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;
?}
?
?這是用VC編譯后的執(zhí)行結(jié)果：
?0x0012ff7c
?0x0012ff7b
?0x0012ff80
?變量在內(nèi)存中的順序：b(1字節(jié))-a(4字節(jié))-c(4字節(jié))。
?
?這是用Dev-C++編譯后的執(zhí)行結(jié)果：
?0x0022ff7c
?0x0022ff7b
?0x0022ff74
?變量在內(nèi)存中的順序：c(4字節(jié))-中間相隔3字節(jié)-b(占1字節(jié))-a(4字節(jié))。
?
?這是用lcc編譯后的執(zhí)行結(jié)果：
?0x0012ff6c
?0x0012ff6b
?0x0012ff64
?變量在內(nèi)存中的順序：同上。
?
?三個編譯器都做到了數(shù)據(jù)對齊，但是后兩個編譯器顯然沒VC“聰明”，讓一個char占了4字節(jié)，浪費內(nèi)存哦。
?
?
?基礎(chǔ)知識：
?堆棧是一種簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一種只允許在其一端進(jìn)行插入或刪除的線性表。允許插入或刪除操作的一端稱為棧頂，另一端稱為棧底，對堆棧的插入和刪除操作被稱為入棧和出棧。有一組CPU指令可以實現(xiàn)對進(jìn)程的內(nèi)存實現(xiàn)堆棧訪問。其中，POP指令實現(xiàn)出棧操作，PUSH指令實現(xiàn)入棧操作。CPU的ESP寄存器存放當(dāng)前線程的棧頂指針，EBP寄存器中保存當(dāng)前線程的棧底指針。CPU的EIP寄存器存放下一個CPU指令存放的內(nèi)存地址，當(dāng)CPU執(zhí)行完當(dāng)前的指令后，從EIP寄存器中讀取下一條指令的內(nèi)存地址，然后繼續(xù)執(zhí)行。
?
?
?參考：《Windows下的HEAP溢出及其利用》by: isno
????????????? 《windows核心編程》by: Jeffrey Richter
posted on 2006-07-02 20:57
Jerry Cat 閱讀(314)
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