第一章 Windows内核概述

第一章 Windows内核概述

　　这一章节描述了Windows内核知识中最重要的几个概念，这些话题在这本书之后会有更详细的描述，那些会与当前的主题密切相关。要确保你理解这个章节的概念，因为这些概念构成了任何驱动甚至用户底层模式的基础。

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在这章中：

• 进程（processes）
• 虚拟内存（Virtual Memory）
• 线程（Threads）
• 系统服务（System Services）
• 系统架构（System Architecture）
• 句柄与对象（句柄和对象）

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 进程

　　进程是一个正在运行程序的容器和管理器，这经常被引用的术语“process runs”是不正确的。进程不会运行 - 进程负责管理。 线程是执行的代码并且在技术上运行。从一个更高的角度来讲，一个进程拥有如下的几条：

1. 一个可执行程序，它包含着原始代码与数据，其被用于在进程中执行代码；
2. 一个私有的虚拟内存，被内存中的代码以任何理由分配内存；
3. 一个主令牌（a primary token），它是一个存储着进程默认的安全上下文，被用于在线程中执行代码（除非线程通过模拟采用不同的令牌）；
4. 一个存储着可执行对象的私有句柄表，例如事件，信号量或者文件；
5. 一个或多个可执行线程，一个正常用户模式的进程被一个线程所创建（执行 classic main/ WinMain 函数）.一个没有线程的用户进程大多数是无用的，在正常环境下会被内核所销毁。

　　这些进程的基本概念如下图 1- 1

 　　一个进程是唯一被它的进程ID所标识的，只要内核进程存在，进程ID是保持独一无二的。一旦进程被销毁，这相同ID可能被新进程所拒绝."认识到一个可执行文件本身不是进程的唯一身份"是非常重要的。例如，这儿有五个notepad.exe的实例运行在同一时间。每一个进程有它自己的地址空间，线程，句柄表以及它独一无二的ID。这五个进程是由相同的文件(notepad.exe)所映射的，有着相同的初始化代码和数据。1-2展示了系统快照所显示的任务管理器细节 - 展示了五个notepad.exe实例，每一个有它自己的属性。

 

虚拟内存

　　每一个进程有它自己的虚拟，私有，线性的内存，这些地址空间一开始是空的（或者接近于空，因为可执行文件和ntdll.dll首先被映射进去，紧接着更多子系统的Dlls）。一旦主线程(main)开始执行，内存更有可能被分配，更多的Dlls被加载。这地址空间是私有的，这意味着其他进程无法直接访问它。这地址空间从0开始（虽然从技术上来讲，这最开始的64KB地址不能以任何方式被分配），一直到一个最大位 （其取决于进程和操作系统的位数），如下：

• 对于32位的进程和操作系统，这进程地址默认为2GB；
• 对于32位的进程和32位设置了用户地址增加的操作系统（LARGEADDRESSAWARE 标志在PE头部），这进程地址空间可以达到3GB（依赖于正确的设置）。为了得到额外的地址空间，这程序被创建时必须有一个 LARGEADDRESSAWARE链接器标志在它的头上。如果没有，这仍然将被限制在2GB。
• 对于64位进程（运行在一个64位操作系统上），这个地址空间为8TB（Windows 8 或者更早期）或者128TB（Windows8.1或之后）。
• 对于运行在64位系统上的32位进程，如果有LARGEADDRESSAWARE标志，其空间为4GB，否则仍然为2GB。

　　每一个进程有它自己的地址空间，这将让任何进程的地址空间是相对的，而不是绝对的。例如，当尝试判断0x20000的内容时，这地址本身是不够的；这个地址空间所相对的进程必须被指明。

　　这个进程本身是被称为虚拟的(virtual)，这指的是这里地址与一个正确的物理地址(RAM)之间存在一个间接的关系。在一个进程中的缓冲区可能被映射到物理地址，或者它可能暂时存储在一个文件中（比如一个页文件）。这词"virtual"指的是“从一个执行的角度来看，这不需要知道这内存是否被存储进RAM中”，如果这内存确实被映射进RAM中，这CPU可以直接访问数据；否则，这CPU将引发一个页异常，这将使内存管理器的页错误处理程序从正确的页文件中拷贝到RAM中，在缓冲的PTE中进行所需要的更改，之后CPU再次尝试运行一下程序。1-3展示了两个进程的物理内存的映射。

　　内存管理的单位被称为页(page)，与内存相关的属性总是在一个页的颗粒度上，比如它的保护。一个页的大小是由CPU所决定的（在一些处理器中，它是可配置的），在任何情况下，内存管理器必须依照其这样做。Windows所有支持的架构中，正常情况下页大小是4KB（被称之为小页）。

　　除了正常(小)页表。Windows也支持大页表，大页表的大小时2MB(x86/x64/ARM64)和4MB(ARM).这是基于使用PDE来映射大页而不是使用PTE。这可以更快速地进行转化，最重要的是，其更好的使用了TLB缓存技术(Translation Lookaside Buffer) - 由CPU维护的近期所转换的页。在大页的情况下，一个单独的TLB目录能显著地映射更多的内存，相比小页来讲。

页状态

在虚拟内存中的每一个页都会有如下三种状态：

• Free - 这种页不允许以任何方式被分配；这什么也没有。任何试图访问该页的都会造成一个异常访问冲突。在新创建的进程中大部分页都是Free属性的。
  
• Commited - Free的相反，一个已分配的页，可以在没有任何保护属性下成功访问（例如，写入一个只读页会造成访问冲突）。提交的页常常是有RAM或一个文件(例如一个页文件)所映射的。
• Reserved - 这个页没有被提交，但是这个地址范围被保留，可能用于以后的提交。从CPU的角度来看，它是等同于Free - 任何尝试访问的都会造成一个异常访问冲突。然而，尝试使用VirtualAlloc函数(或者NtAllocateVirtualMemory，这种比较原生的Api)来进行空间的分配将不会在保留区分配。在后面的章节“Thread Stacks” 中描述了使用保留内存来维护连续虚拟地址空间的比较经典的例子。

系统内存

　　内存空间的低地址被进程所使用。然而一个指定的线程正在执行时，它所附属的进程从0地址到上一节描述的上限都是可见的。操作系统，然而，必须也位于某个地方 - 该地方是操作系统所支持的高地址空间，其详细描述如下：

• 在32位没有设置用户空间增长的操作系统中，这操作系统位于高2GB的虚拟空间中，从地址0x80000000到0xFFFFFFFF。
• 在32位配置了用户空间增长的操作系统中，这操作系统位于剩余的地址空间中。例如，如果这系统被配置成每个进程3GB的用户空间(最大值)，这OS占据最高的1GB(从0xC0000000到0xFFFFFFFF)，受这种空间地址减少的是文件缓存系统。
• 在64位Win8,Server 2012以及更早的操作系统上，OS占据了高8TB的虚拟地址空间。
• 在64位Win8.1,Server 2012 R2 和之后的操作系统上，OS占据了高128TB的虚拟空间。

　　系统空间不是相对于进程的  - 毕竟，相同的“系统”，相同的内核，相同地服务于每一个进程的进程（例外的是一个基于会话的系统内存，但是在本章中并不重要）。系统中的任何地址是绝对的而不是相对的，因为它对于每个进程内容看起来是相同的。当然，从用户模式去实际地访问系统空间会导致一个异常访问冲突。

　　系统空间是内核本身、硬件抽象层(Hareware Abstraction Layer HAL)和内核驱动加载时所存在的地方。因此，内核驱动自动地保护来免于用户模式的直接访问。这也意味着他们存在一个整个系统的潜在影响。例如，一个内核驱动泄漏内存，这块内存不能被释放即使驱动卸载。用户模式的进程，另一方面，无法泄漏任何东西当超出其生命周期。这内核是负责关闭和释放一个死进程的任何私有东西（所有句柄关闭，全部的私有内存被释放）。

线程　　

　　执行代码的真正实体是线程，一个线程包含进一个进程，使用进程所暴露的资源来工作（例如虚拟空间和内核对象的句柄），一个线程拥有如下最重要的信息：

• 当前访问模式，用户或者内核。
• 执行体内容，包含着CPU寄存器和执行状态。
• 一个或两个栈，用于本地变量分配和调用管理。
• 本地存储线程(TLS)数组，它提供了使用统一语义来存储私有线程数据的方法。
• 基础优先级和一个当前(动态)的优先级。
• 处理器亲核性(Affinity)，其表示该线程被允许运行在哪个处理器上。

　　一个线程有如下几个最重要的状态：

• Running - 当前的执行代码运行在一个(本地)处理器上。
• Ready - 等待执行的分配，因为所有相关的处理器都是在忙碌或者不可使用的。
• Waiting - 在处理前等待事件发生，一旦事件发生，这线程将变为就绪状态。

　　1-4展示了这些状态的状态图。括号里的数字表示了状态序号，这可以用一个例如Performance Monitor工具所查看。注意就绪状态有一个被称为 Deferred Ready的同级状态，与之非常类似，是实际存在的用于最小化某些内部锁定的。

 线程栈 Thread Stack

　　当执行时，每一个线程都有一个它所使用的的栈，被用于存储本地变量，传递函数的参数以及在函数调用前存储的函数调用地方。一个现场至少有一个栈位于系统(内核)空间，它是非常小的(默认是12KB在32位操作系统，24KB在64位操作系统)。一个用户模式的线程可以拥有第二个栈在它的用户空间，并且相对是比较大的(默认可以增长到1MB)。在1-5中展示了三个用户模式线程和它们的栈的例子，在1-5中，线程1和2在进程A，线程3在进程B。

　　内核栈总是存在于RAM中当线程处于运行和就绪状态，这理由是非常微妙的，将在之后的章节被讨论。用户模式的栈，另一方面，是被写出去的，就像其他用户模式的内存。

　　就用户模式栈的大小而言，它的处理是与内核栈不同的。它以一个非常小的提交的内存开始(可能只有一个页这么大)，剩余的空间是被保留的内存，这意味着不能以其他任何方式分配。这种设计思想能够在进程需要更多栈空间的情况下让栈增长。为了满足这种需求，在已经提交部分的下一个页(有时更多的页)被标记为一种特殊的称为PAGE_GUARD的保护 - 这是一个保护页。如果这个线程需要更多的栈空间，它将写入这个页来抛出一个被内存管理器所处理的异常。这内存管理器之后移除这个页保护然后将提交到页，并且将其下一个页置为保护页。在这种方式下，如果需要，这栈将会增长，这整个栈内存并不会全部被提交上。1-6展示了用户模式的栈增长的方式。

　　一个线程用户模式的栈大小由如下所决定的：

• 这个可执行映像文件有一个栈提交和保留的值在它的PE头中。如果一个线程并不会指定替代值这将会被标记为默认的。
• 当一个线程被CreateThread(或相似的函数)所创建时，调用者可以执行它所需要的栈大小，预先提交的大小或者保留的大小(但两者不可同时设置)，这依赖于函数所提供的标志位；如果指定为零则会和上面的默认值一致。

系统服务(系统调用) 

 　　应用需要执行多种多样的非纯计算性操作，例如分配内存，打开文件，创建线程等。这些操作只能由最终运行在内核模式的代码执行。因此用户模式的代码是如何执行这些操作的呢？让我们举一个经典的例子：一个运行Notepad程序的用户使用文件才来提出打开文件的请求。Notepad的代码通过调用Windows文档中CreateFile的API作为回应。CreateFile是在kernel32.dll中实现的，Kernel.dll一个Windows子系统Dlls。这个函数仍然运行在用户模式，因此没有办法直接打开一个文件。在之后的一些错误检查中，它调用NtCreateFile，一个执行在Ntdll.dll中的函数，Ntdll.dll是运行被称为“原生API”的基础DLL，其是用户层最底层的代码。这（官方未文档化的）Api转换到了内核模式。在实际转换之前，它放入寄存器中一个数字，被称为系统调用号（EAX on Intel/ADM 结构中），之后它使用一个CPU指令（syscall on x64 or sysenter on x86）来完成实际的内核转换，其跳入一个预先设计好的被称为系统服务派发函数的例程中。

　　这系统服务派发函数，相反，使用存储在EAX寄存器中的值，作为一个进入SSDT表的索引。利用这张表，代码跳入系统服务（系统调用）中。对于我们的NotePad例子中，SSDT入口将指向 I/O 管理器的NtCreateFile函数，注意这个函数和在Ntdll.dll中有着相同的名字和相同的参数。一旦系统服务被完成，这线程将通过执行指令 sysenter/systemcall来返回用户模式。1-7描述了这一系列事件。

 

系统总体架构

　　1-8展示了Windows的总体结构，由内核模式和用户模式所组成。

　　下面是出现在图1-8中的快速摘要：

• User Processes: 正常的进程都依赖于映射文件，执行在系统上，正如Notepad.exe、cmd.exe、explorer.exe实例等。
  
• Subsystem Dlls: 子系统DLLs是运行子系统API的动态链接库，一个子系统是内核能够被公开的特殊的视图。从技术上来讲，从Windows8.1开始，这儿有一个单独的子系统 - Windows子系统。这个子系统Dll是包含着很多知名的文件，比如kernel32.dll，user32.dll，gdi32.dll，advapi32.dll，combase.dll或者其他更多。这包含着Windows文档化的绝大多数API。
• Ntdll.dll：一个全系统的DLL，运行着Windows的原生API。这是运行在用户模式最底层的代码。它最重要的作用是通过系统调用来转换成内核模式。Ntdll也运行着堆管理器，映像加载和一部分用户模式的线程池。
• Service Processes：服务进程是普通的Windows进程，它与服务控制管理器(SCM，运行在Services.exe中)进行通讯，并且允许在他们的声明周期中进行一些控制。SCM可以开始、停止、暂停和发送消息向这些服务中。执行在一个特殊的Windows账户中的典型服务 - 本地系统、网络服务和本地服务。
• Executive：执行体是NtOskernl.exe的上层，它掌管绝大多数的内核代码。这包含了绝大数的各种管理器 - 对象管理器，内存管理器，I/O管理器，即插即用管理器，电源管理器，配置管理器等，它比底层内核要大得多。
• Kernel：这内核层执行了大多数基础的，内核模式下时间敏感的OS代码。这包含了线程调度，重点和异常已发以及各种内核原语（互斥体和信号量等）。一些内核代码是用特定的CPU机器语言所编写的，以提高效率并可以直接访问CPU特定的细节
• Device Drivers：设备驱动是可加载的内核模块，它们的代码执行在内核模式并且有着全系统的权限，这本书致力于写特定类型的内核驱动。
• Win32k.sys：“Windows子系统的内核模式组件”，本质上这是一个内核模块（驱动）来处理Windows用户界面部分和一个比较典型地图形设备(GDI)APIs。这意味着所有的窗口操作（CreateWindowEx，GetMessage，PostMessage等）是由这个组件所处理的。这其余的系统很少涉及UI的相关知识。
• HaderWare Abstraction Layer(HAL)：这HAL是一个硬件之上的抽象层。它允许设备驱动程序使用不需要中断控制器或DMA控制器等详细和特定知识的api。通常来讲，这层是对于驱动设备处理硬件设备最有用的一层。
• System Processes：系统进程是一种概括性属于，用来描述进程通常“就在那儿”，在那些无法直接进行通讯的地方做着他们的事情。尽管如此，它们还是非常重要的，事实上对于操作系统的良好运行显得至关重要。中断它们中的一些可能是指明的，造成一个系统崩溃。一些系统进程是原生进程，意味着他们仅适用一些原生API（由Ntdll执行的API），例如smss.exe、Lsass.exe、Winlogon.exe、Services.exe以及其他进程。
• Subsystem Process：Windows的子系统进程，运行着Csrss.exe的映像，它可以被视为在Windows系统下内核进程管理的助手。他是一个非常重要的进程，这意味着如果被杀死，这系统将会崩溃。正常来说每一个会话都存在一个Csrss.exe实例，因此在一个一般系统中存在着两个实例 - 一个用于会话0，另外一个用于用户登录会话（典型的为1）。虽然Csrss.exe是Windows子系统管理器，它的重要程度远不仅仅于此。
• Hyper-V Hypervisor：这Hyper-V系统管理程序存在于Win10和Server2016以及之后的系统，如果他们支持虚拟化基础安全(VBS)，VBS提供一个额外的安全层，这儿实际上是由Hyper-V控制的虚拟机。VBS超出了本书的范围，对于更多信息，你可以查阅《windows Internals》这本书。

 句柄与对象

 　　Windows内核暴露了各种类型的对象来让运行在用户模式的进程、内核本身以及内核模式的驱动所使用，这些类型的实例是在系统空间的数据结构，当由用户或内核模式代码请求时，其创建由对象管理器(Executive的部分)。对象被引用计数 - 仅有当最后一个引用的句柄被释放之后，这个对象被销毁，并从内存中释放。

　　因为这些对象位于系统空间，他们不能被用户模式直接访问。用户模式必须使用一个被称为句柄的间接访问机制。一个句柄是存储在进程句柄表中的实体，该实体逻辑上指向一个存储在系统空间的内核对象。有各种 Create* 或者  Open* 函数来创建/打开内核对象并且检索句柄背后的这些对象。例如，这 CreateMutext 用户模式的函数允许创建或打开一个互斥体（依赖于这个对象是否被命名或者存在），如果成功，这函数返回一个这个对象的句柄。如果返回值为零则意味着这是一个无效句柄（这个函数调用失败）。这 OpenMutex 函数，另一方面，试图打开一个已经被命名的互斥体，如果这个命名的互斥体不存在，这函数调用失败返回NULL(0)。

　　内核(驱动)代码也可以使用一个句柄或者直接指向对象的内核指针。这选择通常基于你希望调用的API。在一些情况下，一个从用户模式传入驱动的句柄必须通过ObReferenceObjectByHandle函数来转换成一个指针。我们将在之后的章节中讨论这些细节。

　　【大多数函数在失败的情况下返回零，但有些不是。值得注意的是，CreateFile函数返回INVALID_HANDLE_VALUE(-1)如果失败的情况下。】

　　句柄值是4的倍数，第一个有效的句柄值为4；0从来不会是一个有效的句柄值。

　　当创建/打开对象时，内核模式代码可以使用句柄，但它们也可以直接使用指向内核的指针。当某个指定的API需要它时，这会被完成。内核模式代码可以使用ObReferenceObjectByHandle函数来得到一个指向对象的指针。如果成功，这对象的索引值会被增加，因此“如果一个用于句柄的用户模式代码决定关闭它，然而内核模式代码使用者一个指向对象的指针”是没有危险的，这不会造成内核的指针指向的对象被释放。不管句柄拥有者是谁，这个对象可以被安全的访问，直到内核代码调用ObDerefenceObject，这会将引用计数减少；如果内核代码忘记调用这个，那会操作资源泄漏，直到下次操作系统重启才会被解决。

　　所有的内核对象都被计数，这对象管理器维护了句柄数值和对于这个句柄总共的引用次数。一旦这个对象不再需要，它的客户端应该关闭句柄（如果一个句柄被用于访问对象）或者不引用这个对象（如果内核客户端使用指针）。从这点来讲，这个代码应该考虑到它的句柄/指针无效的。对象管理器将会销毁这个对象当它的引用计数到达零时。

　　每一个对象指针指向一个对象类型，它拥有者这个类型本身的信息，这意味着每一种类型对象都存在着单一的对象的类型。这些变量也作为导出的全局内核变量所公开，它们中的一些在内核头中被定义，在某些特定的情况下这是非常有用的，在之后的章节中我们会看到。

Object Names

　　有一些类型的对象时有名字的，这些名字被用于使用合适的Open函数通过名字来打开对象。注意并不是所以的对象都有名字；例如，进程和线程并没有名字 - 它们有IDs。这就是为什么OpenProcess和OpenThread函数需要一个进程/线程的标识符(一个数字)而不是一个字符串名称。另一个有点奇怪的没有名字的对象是一个文件。文件名并不是一个对象名 - 它们是不同的概念。

　　从用户模式的代码，调用一个带有名字参数的Create函数，如果这名字不存在，它将创建一个内核对象，但是如果它存在，则将打开这个内核对象。在之后的例子中，调用GetLastError返回ERROR_ALREADY_EXISTS，这表明这并不是一个新对象，这返回句柄已经是一个指向一个已存在对象的新句柄。

　　提供给Create函数的名称实际上不是对象的最终名称。它的前缀是SessionsxBaseNamedObjects，其中x是调用者的会话ID。如果这个会话为0，这个名字以BaseNamedObjects为前缀。如果调用发生在一个AppContianer中(通常是一个普通的Windows平台程序)，则这个前缀字符串会更加负责，由一个唯一的AppContainer SID所组成:SessionsxAppContainerNamedObjects{AppContainerSID}。

　　上面所有的都意味着对象名称是相对于会话的（在某些情况下是与AppContainer-package相关联的）。如果一个对象一定要被跨会话共享，它可以在Session0中创建，通过以Global前缀的名称；例如，以GlobalMyMutex为名字来通过CreateMutex函数创建一个互斥体，这将创建在BaseNamedObjects下。注意AppContainers没有使用Session0对象命名空间的权力。可以使用Sysinternals WinObj 工具来查看这层次结构，如1-9所展示的。

　　图1-9展示了对象管理的命名空间，这由被命名的对象层次结构所组成。这整个结构存储在内存，由对象管理器(Executive的部分)所操控。注意未命名的对象不是这个结构的部分，这意味着WinObj无法查看全部的存在的对象，而是那些被创建出来有名字的对象。

　　每一个进程都存在一个存储着内核对象（无论是否被命名）的私有句柄表，这可以被查看通过Process Explorer或者 handles Sysinternals 工具。如图1-10，Process Explorer的屏幕快照所展示了在进程中的句柄。在句柄视图中默认展示的列只有对象类型和名字。然而，如图1-10，其他有效的列也被展示出来。

　　

　　默认来说，Process Explorer仅展示了带有名字的对象句柄（至于Process Explorer's名字的定义，我们之后再来讨论）。如果想显示一个进程中的所有句柄，可以在 Process Explorer's View 菜单选择 Show Unnamed Handles and Mappings。

　　在句柄视图中的各个列提供了每个句柄的更多信息，这些句柄值和对象类型是自己所解释的。这名字列是非常复杂的。它展示了对于互斥体、信号量、事件、节区、ALPC端口、任务、计时器或者其他较少被使用的对象的真正名称。然而，其他所展示出来的与其真正的名称对象存在着不同的含义：

• 进程和线程，其所展示的是其唯一的ID。
• 对于文件对象它展示了文件名（或者设备名）的文件对象的指针，这不是和对象名称相同的，因为没有办法通过文件名来获取这个指向文件对象的句柄 - 只能通过创建一个新的文件对象来访问这相同的底层的文件或设备（假设文件对象允许共享它）。
• (注册)键值对象的名称是用来展示这个注册值的路径。这不是一个名字，理由与文件对象一致。
• 目录对象展示了这个路径，而不是一个真正的对象名称。一个目录不是一个文件系统对象，而是一个对象管理器目录 - 这些可以非常容易通过Sysinternals WinObj 工具所看到。
• 令牌对象名称是展示了这个令牌所存储的使用者名称。

Accessing Existing Objects（访问已存在的对象）

　　在Process Explorer的句柄视图中，Access列展示了被用于创建或打开这个句柄的访问掩码。这访问掩码是用于指定句柄是否允许执行某些操作。例如，如果客户端代码想终止一个进程，它必须首先使用 PROCESS_TEMINATE访问掩码，来调用OpenProcess函数来获取一个句柄，否则这无法使用一个句柄来终止线程。如果调用成功，之后调用TerminateProcess一定会成功。这里有一个通过进程ID来终止进程的例子：

　　已解码的Access列提供了访问掩码的文本描述（对于某些类型），使用它可以很容易识别出一个实际句柄的正确的访问权限。

　　双击这个句柄入口展示了这个句柄属性，如图-11展示了一个Event对象的属性。

　　图1-11中的属性包含了对象的名称，它的类型，一个描述，在内核对象的地址，被打开的句柄次数和某些特殊的句柄信息，比如这个状态和事件句柄信息。注意References并没有执行该对象实际的未完成的引用次数。一个正确查看某个对象实际的引用次数是使用内核调试器的 !trueref 命令，效果如下：

 

 　　我们可以更能清楚地看到对象的属性，这内核调试器在之后的章节会介绍。

　　现在让我们开始写一个简单的驱动，来展示和使用我们之后在该书中之后需要用到的工具。