我们编写Windows程序中经常使用到内核对象，特别是句柄这个概念，通过句柄可以对内核对象进行访问，那句柄到底是什么?本文将会从内核来说明这个概念。
Windows采取了面向对象设计,内核中有一个的模块来管理内核对象,有很多资料都是说是“对象管理器”，本文也采用这个概念。对象管理器用来管理内核对象信息和记录内核对象的使用情况，包括引用计数。
每个进程都要创建一个句柄列表，这些句柄指向各种系统资源，比如信号量，线程，和文件等，进程中的所有线程都可以访问这些资源性)，如下图所示，进程和资源：
1.进程与句柄表数据关系
在用户模式下如果调用CloseHanele( )表示不再使用这个对象，在内核中进程便会删除句柄(释放对象引用)；对象管理器也会将内核对象的引用计数也会减一,当对象的句柄引用为0时,对象管理器便会释放这个对象。
句柄表最基本作用就是句柄与目标对象之间的映射表,下图是进程与句柄的简化模型图(有些数据域要经过处理):
_HANDLE_TABLE是句柄表的信息的结构体,在内核中句柄是句柄表中表项的索引,在这里可以简单的理解,由索引(句柄)在句柄表中查找到进程引用的内核对象.
在Windbg中查看_HANDLE_TABLE(这里例出部分有意义的项)
kd> dt _HANDLE_TABLE
nt!_HANDLE_TABLE
+0x000 TableCode : Uint4B //指向第一层局部表,并记录层数
+0x004 QuotaProcess : Ptr32 _EPROCESS //指向进程_EPROCESS块
+0x008 UniqueProcessId : Ptr32 Void //进程ID
+0x03c HandleCount : Int4B //句柄计数,当前使用句柄个数
kd> dt _EPROCESS //进程_EPROCESS块信息
nt!_EPROCESS
+0x084 UniqueProcessId : Ptr32 Void //进程ID
+0x0c4 ObjectTable : Ptr32 _HANDLE_TABLE //指向_HANDLE_TABLE结构
2.句柄的数据结构
内核与SDK中定义句柄都为: typedef void *HANDLE; 表明句柄是一个无符号整数,实际上有效句柄的值时有范围的,大家想想如果采用数组来存储句柄需要耗费很大的内存,Windows句柄表使用了稀疏数组.
2.1XP/2003句柄表项:
先看下句柄表中存放的是什么?句柄表主要是存放的是对象的地址与属性信息,当然还要存放句柄表相关一些信息（审计，空闲项），每个句柄表项是由_HANDLE_TABLE_ENTRY 描述的，_HANDLE_TABLE_ENTRY占8字节，定义如下：
kd> dt _HANDLE_TABLE_ENTRY
nt!_HANDLE_TABLE_ENTRY
+0x000 Object : Ptr32 Void //对象指针
+0x000 ObAttributes : Uint4B
+0x000 InfoTable : Ptr32 _HANDLE_TABLE_ENTRY_INFO
+0x000 Value : Uint4B
+0x004 GrantedAccess : Uint4B
+0x004 GrantedAccessIndex : Uint2B
+0x006 CreatorBackTraceIndex : Uint2B
+0x004 NextFreeTableEntry : Int4B
由于_HANDLE_TABLE_ENTRY有些联合体,不好理解,源码定义如下:
typedef struct _HANDLE_TABLE_ENTRY {
union {
PVOID Object; //对象指针
ULONG ObAttributes; //对象属性
PHANDLE_TABLE_ENTRY_INFO InfoTable;
ULONG_PTR Value; //值
};
union {
union {
ACCESS_MASK GrantedAccess; //访问掩码
struct {
USHORT GrantedAccessIndex;
USHORT CreatorBackTraceIndex;
};
};
LONG NextFreeTableEntry;//下一个空闲的句柄表项,空闲链表索引
};
} HANDLE_TABLE_ENTRY, *PHANDLE_TABLE_ENTRY;
表示的意义:
- 对象指针Object有效则第二个域为访问掩码GrantedAccess
- 第一个域为0,第二个域可能是NextFreeTableEntry,也可能为审计,后面会有相关算法用到这个域,要根据上下文来判断。
这里的Object并不是“真正”的对象指针，而是包括了对象的指针域对象的属性域，由于在内核中对象总是8字节对齐的，那么指向对象的指针最低3位总是0，微软把这3位也利用上，Object的最低3位做为对象的属性，看下面的一组宏定义：
#define OBJ_HANDLE_ATTRIBUTES (OBJ_PROTECT_CLOSE | OBJ_INHERIT | OBJ_AUDIT_OBJECT_CLOSE)
第0位 OBJ_PROTECT_CLOSE:句柄表项是否被锁定,1锁定，0未锁定
第1位 OBJ_INHERIT:指向该进程所创建的子进程是否可以继承该句柄,既是否将该句柄项 拷贝到它的句柄表中
第2位 OBJ_AUDIT_OBJECT_CLOSE:关闭该对象时是否产生一个审计事件
2.2XP/2003句柄表项:
Windows为了节省空间采用动态扩展结构,类似于页表结构,最大可扩展3层表._HANDLE_TABLE.TableCode存放了第一层局部表的基址指针和层数,微软在这里设计很精妙,由于效率32位地址都以4对齐,最低2位为0，微软把_HANDLE_TABLE. TableCode的最低两位作为句柄表层数的纪录,即00 一层表,
01 二层表 10 三层表.句柄表的结构图如下:
一层表:
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两层表时:
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三层表时:
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有上图所示,最低层局部表都是是存放着_HANDLE_TABLE_ENTTY结构,中间层和最高层都是存放着页表指针,当句柄增加时,便会判断是否需要扩展。
2.3XP/2003句柄表表项计数：
句柄表是动态扩展，当引用资源足够多时，句柄的数目也在增加，当到一定数目时，句柄表便会扩展，扩展的标准是什么？下面一系列宏给出了定义
(1) 最低层存放句柄表项数：
每个最底层页表存放的是_HANDLE_TABLE_ENTRY结构, 即4096/8 = 512,其中第一项做审计用,最多有511个有效项
#define LOWLEVEL_COUNT (TABLE_PAGE_SIZE / sizeof(HANDLE_TABLE_ENTRY))
(2) 中间层可以存放的项数
中间层存放的页表指针,最多有4028 / 4 =1024
#define MIDLEVEL_COUNT (PAGE_SIZE / sizeof(PHANDLE_TABLE_ENTRY))
(3)可分配的最大句柄值,不是我们想象的无符号整数最大值
#define MAX_HANDLES (1<<24) //224
(4)最高层最大项数:
#define HIGHLEVEL_COUNT MAX_HANDLES / (LOWLEVEL_COUNT * MIDLEVEL_COUNT)
即224/(1024*512) = 25 =32,在句柄表结构图已经说明3层表第一层表最大有32项
通过上面计算:二级表最大可以存放511 * 1024 = 523264个对象引用,没有特殊情况一般来说已经够了,所以我们一般只能观察到一层,两层句柄表
3. nt!PspCreateProcess中创建进程句柄表
3.1在创建进程时初始化进程对象并创建进程句柄表
创建进程时先创建进程对象,再创建进程句柄表,即nt!PspCreateProcess->nt!ObInitProcess->nt!ExCreateHandleTable,创建句柄表的核心流程图如下:
分配进程句柄表例程步骤:
- 调用ExpAllocateHandleTable分配句柄表及_HANDLE_TABLE结构
- 插入到进程句柄表链表
函数描述:
; Routine Description:
; This function allocate and initialize a new new handle table
; 这个例程分配并初始化一个新的句柄表(_HANDLE_TABLE)
; Arguments:
; Process - Supplies an optional pointer to the process against which quota
; will be charged.
; 提供一个将要记录相关信息(对象)的进程的指针
; Return Value:
; If a handle table is successfully created, then the address of the
; handle table is returned as the function value. Otherwise, a value
; NULL is returned.
; 如果成功函数返回handle table的地址,负责返回0
_HANDLE_TABLE *__stdcall ExCreateHandleTable(_EPROCESS *pProcess)
核心算法分析:
由于进程句柄表是一个双向链表结构,是系统很重要的数据结构,所以必须考虑同步问题,只有在加锁的情况下才能修改
通过ExpAllocateHandleTable分配进程句柄表:
push 1 ; DoInit
push [ebp+pProcess] ; pProcess
call _ExpAllocateHandleTable@8 ; 创建句柄表例程
mov ebx, eax
test ebx, ebx ; 判断ExpAllocateHandleTable是否成功
jz short ALLOC_HANDLE_TABLE_UNSUCCESS
句柄表是进程句柄链表是内核重要结构,有同步问题存在,这里给句柄表上锁
mov eax, 0
; 系统句柄链表的改变必须要实现同步操作,所以要使用锁
mov ecx, offset _HandleTableListLock
lock bts [ecx], eax ; 加锁
加入进程句柄表链表
mov ecx, _HandleTableListHead.Blink
lea eax, [ebx+_HANDLE_TABLE.HandleTableList.Flink
;取_Handle_TABLE.HandleTableList的Flink指针
mov [eax+_LIST_ENTRY.Flink], ecx
;_HANDLE_TABLE.HandleTableList.Flink= HADLETABLELIST.BLINK
mov dword ptr [eax], offset _HandleTableListHead.Flink HandleTalbeListHead
; 取得句柄表链表头节点的头指针地址
mov [ecx], eax
mov _HandleTableListHead.Blink, eax
;设置,HandleTableListHead.BLink =_HANDLE_TABLE.HandleTableList.Flink
nt!ExpAllocateHandleTable的核心流程:
ExpAllocateHandleTable例程:
- 分配_HANDLE_TABLE内存池与分配一页内存池作为第一层句柄表
- 初始化句柄表
- 建立进程与句柄表的映射关系
函数描述:
; Routine Description:
;
; This worker routine will allocate and initialize a new handle table
; structure. The new structure consists of the basic handle table
; struct plus the first allocation needed to store handles. This is
; really one page divided up into the top level node, the first mid
; level node, and one bottom level node.
; 例程分配并初始化一个新的句柄表结构,加入一些存储句柄的必要的基本结构信息
; 到新分配的句柄表结构中.这里准备一个页内存分割给高层节点,第一个中间层节点和一个
; 低层节点
; Arguments:
; Process - Optionally supplies the process to charge quota for the
; handle table
; 提供审计配额信息的进程(并不是指当前进程)的指针
; DoInit - If FALSE then we are being called by duplicate and we don't need
; the free list built for the caller
; 如果FALSE(copy)时同样会被调用,并且调用者不需要释放创建建的表
; Return Value:
; A pointer to the new handle table or NULL if unsuccessful at getting
; pool.
; 一个指向句柄表(HANDLE_TABLE)的指针,如果NULL表示获取内核内存池失败
; _HANDLE_TABLE *__stdcall ExpAllocateHandleTable(_EPROCESS *pProcess,
char DoInit)
核心算法分析:
分配_HANDLE_TABLE结构内存池:
push 6274624Fh ; Tag
push 44h ; sizeof(_HANDLE_TABLE)
push 1 ; PoolType
call _ExAllocatePoolWithTag@12 ;分配一个大小为sizeof(HANDLE_TABLE)的内核内存
;池
mov esi, eax
xor ebx, ebx
cmp esi, ebx ; 判断内存池是否分配成功
jz short AllOC_POOL_UNSUCCESS
分配一页内存池作为第一层句柄表
push edi
push 11h
pop ecx
push 1000h ; 一个页表大小
push [ebp+pProcess] ; _ERPOCESS指针
xor eax, eax
mov edi, esi
rep stosd ; 分配一页内存
call _ExpAllocateTablePagedPoolNoZero@8 ; 分配一页内存池,作为第一级句柄表
cmp eax, ebx ; 判断是否分配成功
jnz short AllOC_PAGE_SUCCESS ; 判断DoInit参数是否为FALSE
push ebx ; TagToFree
push esi ; P
call _ExFreePoolWithTag@8 ; 释放内存分配的内存池
cmp [ebp+DoInit], bl ; 判断DoInit参数是否为FALSE
mov [esi+_HANDLE_TABLE.TableCode], eax ; 将分配的页表基地址赋值给
;HANDLT_TABLE第一项TableCode,建立一级表的映射关系
初始句柄表,设置空闲句柄链表:
mov dword ptr [eax+_HANDLE_TABLE_ENTRY.NextFreeTableEntry], 0FFFFFFFEh
; 句柄页表的第一个句柄项作为审计用,
; NextFreeTableEntry设置为EX_ADDITIONAL_INFO_SIGNATURE标志
mov [eax+_HANDLE_TABLE_ENTRY.___u0.Value], ebx ; 设置第一项Value为0
mov edx, 800h
jz short DOINIT_FALSE
push 8
pop ecx ; ecx = 8
push 4
add eax, 8 ; 指向第二项HANDLE_TABLE_ENTRY指针
pop edi ; 记录空闲项链表,当前为第二项HANDLE_TABLE_ENTRY值为4
END_LOOP:
; 设置当前项的下一个空闲句柄索引
mov [eax+_HANDLE_TABLE_ENTRY.___u1.NextFreeTableEntry], ecx mov [eax+_HANDLE_TABLE_ENTRY.___u0.Value], ebx ; 设置句柄值为0
add ecx, edi ; sizeof(HANDLE_TABLE_ENTRY) = 8,步长为8
add eax, 8 ; 指向下个HANDLE_TABLE_ENTRY项
cmp ecx, edx ; 判断是否到页表倒数第二项
jb short END_LOOP ; 设置当前项的下一个空闲句柄索引
mov [eax], ebx
; 页表的最后一项NextFreeTableEntry设置为0，即无下一个空闲句柄
mov [eax+_HANDLE_TABLE_ENTRY.___u1.NextFreeTableEntry], ebx mov [esi+_HANDLE_TABLE.FirstFree], edi ;设置当前项的下一个空闲项
建立进程与句柄表的映射关系
DOINIT_FALSE:
mov eax, [ebp+pProcess]
;初始化HANDLE_TABLE的QuotaProcess为传入的EPROCESS指针
mov [esi+_HANDLE_TABLE.QuotaProcess], eax
mov eax, large fs:124h ; 获取当前线程指针
;设置NextHandleNeedingPool句柄表扩展的起始页句柄索,
; NextHandleNeedingPool记录的是以页为单位
mov [esi+_HANDLE_TABLE.NextHandleNeedingPool],edx
;获取到当前进程EPROCESS指针
mov eax, [eax+_KTHREAD.___u6.ApcState.Process]
mov eax, [eax+_EPROCESS.UniqueProcessId] ; 获取进程ID
mov [esi+_HANDLE_TABLE.UniqueProcessId], eax ; 填充HADLE_TABLE
;的UniqueProcessId域
xor eax, eax
mov [esi+_HANDLE_TABLE.___u12.Flags], ebx ; 设置标记为0
下图反映初始化的句柄表示意图: