[轉]Windows進程中的內存結構
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存中的數據。那么這些變量在內存中是如何存放的呢？程序又是如何使用這些變量的呢？下面就會對此進行深入的討論。下文中的C語言代碼如沒有特別聲明，默認都使用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存分部的。C 語言有全局變量(Global)、本地變量(Local)，靜態變量(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存地址
?
?printf("0x%08x\n",&v1); //打印各本地變量的內存地址
?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存地址
?printf("0x%08x\n",&g2);
?printf("0x%08x\n\n",&g3);
?printf("0x%08x\n",&s1); //打印各靜態變量的內存地址
?printf("0x%08x\n",&s2);
?printf("0x%08x\n\n",&s3);
?return 0;
?}
?
?編譯后的執行結果是：
?
?0x0012ff78
?0x0012ff7c
?0x0012ff80
?
?0x004068d0
?0x004068d4
?0x004068d8
?
?0x004068dc
?0x004068e0
?0x004068e4
?
?輸出的結果就是變量的內存地址。其中v1,v2,v3是本地變量，g1,g2,g3是全局變量，s1,s2,s3是靜態變量。你可以看到這些變量在內存是連續分布的，但是本地變量和全局變量分配的內存地址差了十萬八千里，而全局變量和靜態變量分配的內存是連續的。這是因為本地變量和全局/靜態變量是分配在不同類型的內存區域中的結果。對于一個進程的內存空間而言，可以在邏輯上分成3個部份：代碼區，靜態數據區和動態數據區。動態數據區一般就是“堆棧”。“棧(stack)”和“堆(heap)”是兩種不同的動態數據區，棧是一種線性結構，堆是一種鏈式結構。進程的每個線程都有私有的“棧”，所以每個線程雖然代碼一樣，但本地變量的數據都是互不干擾。一個堆棧可以通過“基地址”和“棧頂”地址來描述。全局變量和靜態變量分配在靜態數據區，本地變量分配在動態數據區，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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?├———————┤低端內存區域
?│ …… │
?├———————┤
?│ 動態數據區 │
?├———————┤
?│ …… │
?├———————┤
?│ 代碼區 │
?├———————┤
?│ 靜態數據區 │
?├———————┤
?│ …… │
?├———————┤高端內存區域
?
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?堆棧是一個先進后出的數據結構，棧頂地址總是小于等于棧的基地址。我們可以先了解一下函數調用的過程，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調用規定，這些因素有參數的壓入規則和堆棧的平衡。windows API的調用規則和ANSI C的函數調用規則是不一樣的，前者由被調函數調整堆棧，后者由調用者調整堆棧。兩者通過“__stdcall”和“__cdecl”前綴區分。先看下面這段代碼：
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?#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;
?}
?
?編譯后的執行結果是：
?
?0x0012ff78
?0x0012ff7c
?0x0012ff80
?
?0x0012ff68
?0x0012ff6c
?0x0012ff70
?
?
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?├———————┤<—函數執行時的棧頂（ESP）、低端內存區域
?│ …… │
?├———————┤
?│ var 1 │
?├———————┤
?│ var 2 │
?├———————┤
?│ var 3 │
?├———————┤
?│ RET │
?├———————┤<—“__cdecl”函數返回后的棧頂（ESP）
?│ parameter 1 │
?├———————┤
?│ parameter 2 │
?├———————┤
?│ parameter 3 │
?├———————┤<—“__stdcall”函數返回后的棧頂（ESP）
?│ …… │
?├———————┤<—棧底（基地址 EBP）、高端內存區域
?
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?上圖就是函數調用過程中堆棧的樣子了。首先，三個參數以從又到左的次序壓入堆棧，先壓“param3”，再壓“param2”，最后壓入“param1”；然后壓入函數的返回地址(RET)，接著跳轉到函數地址接著執行（這里要補充一點，介紹UNIX下的緩沖溢出原理的文章中都提到在壓入RET后，繼續壓入當前EBP，然后用當前ESP代替EBP。然而，有一篇介紹windows下函數調用的文章中說，在windows下的函數調用也有這一步驟，但根據我的實際調試，并未發現這一步，這還可以從param3和var1之間只有4字節的間隙這點看出來）；第三步，將棧頂(ESP)減去一個數，為本地變量分配內存空間，上例中是減去12字節(ESP=ESP-3*4，每個int變量占用4個字節)；接著就初始化本地變量的內存空間。由于“__stdcall”調用由被調函數調整堆棧，所以在函數返回前要恢復堆棧，先回收本地變量占用的內存(ESP=ESP+3*4)，然后取出返回地址，填入EIP寄存器，回收先前壓入參數占用的內存(ESP=ESP+3*4)，繼續執行調用者的代碼。參見下列匯編代碼：
?
?;--------------func 函數的匯編代碼-------------------
?
?:00401000 83EC0C sub esp, 0000000C //創建本地變量的內存空間
?: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 ;恢復堆棧，回收本地變量的內存空間
?:00401078 C3 ret 000C ;函數返回，恢復參數占用的內存空間
?;如果是“__cdecl”的話，這里是“ret”，堆棧將由調用者恢復
?
?;-------------------函數結束-------------------------
?
?
?;--------------主程序調用func函數的代碼--------------
?
?:00401080 6A03 push 00000003 //壓入參數param3
?:00401082 6A02 push 00000002 //壓入參數param2
?:00401084 6A01 push 00000001 //壓入參數param1
?:00401086 E875FFFFFF call 00401000 //調用func函數
?;如果是“__cdecl”的話，將在這里恢復堆棧，“add esp, 0000000C”
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?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：
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?#include <stdio.h>
?#include <string.h>
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?void __stdcall func()
?{
?char lpBuff[8]="\0";
?strcat(lpBuff,"AAAAAAAAAAA");
?return;
?}
?
?int main()
?{
?func();
?return 0;
?}
?
?編譯后執行一下回怎么樣？哈，“"0x00414141"指令引用的"0x00000000"內存。該內存不能為"read"。”，“非法操作”嘍！"41"就是"A"的16進制的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，算進結尾的‘\0‘，那strcat最多只能寫入7個"A"，但程序實際寫入了11個"A"外加1個‘\0‘。再來看看上面那幅圖，多出來的4個字節正好覆蓋了RET的所在的內存空間，導致函數返回到一個錯誤的內存地址，執行了錯誤的指令。如果能精心構造這個字符串，使它分成三部分，前一部份僅僅是填充的無意義數據以達到溢出的目的，接著是一個覆蓋RET的數據，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，那函數返回時就能執行shellcode了。但是軟件的不同版本和不同的運行環境都可能影響這段shellcode在內存中的位置，那么要構造這個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有更強的通用性。
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?├———————┤<—低端內存區域
?│ …… │
?├———————┤<—由exploit填入數據的開始
?│ │
?│ buffer │<—填入無用的數據
?│ │
?├———————┤
?│ 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填入數據的結束
?│ …… │
?├———————┤<—高端內存區域
?
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?windows下的動態數據除了可存放在棧中，還可以存放在堆中。了解C++的朋友都知道，C++可以使用new關鍵字來動態分配內存。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); //打印堆中變量的內存地址
?printf("0x%08x\n",bufflocal); //打印本地變量的內存地址
?printf("0x%08x\n",buffstatic); //打印靜態變量的內存地址
?}
?
?void main()
?{
?func();
?return;
?}
?
?程序執行結果為：
?
?0x004107d0
?0x0012ff04
?0x004068c0
?
?可以發現用new關鍵字分配的內存即不在棧中，也不在靜態數據區。VC編譯器是通過windows下的“堆(heap)”來實現new關鍵字的內存動態分配。在講“堆”之前，先來了解一下和“堆”有關的幾個API函數：
?
?HeapAlloc 在堆中申請內存空間
?HeapCreate 創建一個新的堆對象
?HeapDestroy 銷毀一個堆對象
?HeapFree 釋放申請的內存
?HeapWalk 枚舉堆對象的所有內存塊
?GetProcessHeap 取得進程的默認堆對象
?GetProcessHeaps 取得進程所有的堆對象
?LocalAlloc
?GlobalAlloc
?
?當進程初始化時，系統會自動為進程創建一個默認堆，這個堆默認所占內存的大小為1M。堆對象由系統進行管理，它在內存中以鏈式結構存在。通過下面的代碼可以通過堆動態申請內存空間：
?
?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：
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?#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printf
?/*---------------------------------------------------------------------------
?寫到這里，我們順便來復習一下前面所講的知識：
?(*注)printf函數是C語言的標準函數庫中函數，VC的標準函數庫由msvcrt.dll模塊實現。
?由函數定義可見，printf的參數個數是可變的，函數內部無法預先知道調用者壓入的參數個數，函數只能通過分析第一個參數字符串的格式來獲得壓入參數的信息，由于這里參數的個數是動態的，所以必須由調用者來平衡堆棧，這里便使用了__cdecl調用規則。BTW，Windows系統的API函數基本上是__stdcall調用形式，只有一個API例外，那就是wsprintf，它使用__cdecl調用規則，同printf函數一樣，這是由于它的參數個數是可變的緣故。
?---------------------------------------------------------------------------*/
?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);
?}
?
?執行結果為：
?
?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。在進程的用戶區存著一個叫PEB(進程環境塊)的結構，這個結構中存放著一些有關進程的重要信息，其中在PEB首地址偏移0x18處存放的ProcessHeap就是進程默認堆的地址，而偏移0x90處存放了指向進程所有堆的地址列表的指針。windows有很多API都使用進程的默認堆來存放動態數據，如windows 2000下的所有ANSI版本的函數都是在默認堆中申請內存來轉換ANSI字符串到Unicode字符串的。對一個堆的訪問是順序進行的，同一時刻只能有一個線程訪問堆中的數據，當多個線程同時有訪問要求時，只能排隊等待，這樣便造成程序執行效率下降。
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?最后來說說內存中的數據對齊。所位數據對齊，是指數據所在的內存地址必須是該數據長度的整數倍，DWORD數據的內存起始地址能被4除盡，WORD數據的內存起始地址能被2除盡，x86 CPU能直接訪問對齊的數據，當他試圖訪問一個未對齊的數據時，會在內部進行一系列的調整，這些調整對于程序來說是透明的，但是會降低運行速度，所以編譯器在編譯程序時會盡量保證數據對齊。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行結果：
?
?#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編譯后的執行結果：
?0x0012ff7c
?0x0012ff7b
?0x0012ff80
?變量在內存中的順序：b(1字節)-a(4字節)-c(4字節)。
?
?這是用Dev-C++編譯后的執行結果：
?0x0022ff7c
?0x0022ff7b
?0x0022ff74
?變量在內存中的順序：c(4字節)-中間相隔3字節-b(占1字節)-a(4字節)。
?
?這是用lcc編譯后的執行結果：
?0x0012ff6c
?0x0012ff6b
?0x0012ff64
?變量在內存中的順序：同上。
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?三個編譯器都做到了數據對齊，但是后兩個編譯器顯然沒VC“聰明”，讓一個char占了4字節，浪費內存哦。
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?基礎知識：
?堆棧是一種簡單的數據結構，是一種只允許在其一端進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指令可以實現對進程的內存實現堆棧訪問。其中，POP指令實現出棧操作，PUSH指令實現入棧操作。CPU的ESP寄存器存放當前線程的棧頂指針，EBP寄存器中保存當前線程的棧底指針。CPU的EIP寄存器存放下一個CPU指令存放的內存地址，當CPU執行完當前的指令后，從EIP寄存器中讀取下一條指令的內存地址，然后繼續執行。
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?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(320)
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