简易调试器的实现(一)
一、前言
看过SEH结构化异常处理，看了<软件调试>这本书，觉得调试真是一件特别棒的事情，于是在网上搜索调试器怎么做，前人种树，后人庇荫。
程序为MFC界面，VS2010开发
二、实现思路
1.调试对象为windows下32位程序，故对于PE文件判断是否符合
2.创建被调试进程，传入DEBUG_ONLY_THIS_PROCESS值，使用WaitForDebugEvent等待调试事件发生，使用ContinueDebugEvent继续执行
3.使用GetThreadContext读取寄存器值，使用SetThreadContext写入寄存器值
4.使用ReadProcessMemory和WriteProcessMemory读取和写入子进程内存，比如cc断点
三、代码实现
1.判断PE文件
将MFC属性设置为可拖入文件，加入消息函数。
void CDebugger1Dlg::OnDropFiles(HDROP hDropInfo) { DragQueryFile(hDropInfo,0,m_FilePath,MAX_PATH);//取得第一个文件的路径 //拷贝文件到内存中 if(LoadFileData(m_FilePath,&m_szFileData,&m_ulLow)==FALSE) { free(m_szFileData); return ; } if(IsPEFile(m_szFileData,&PeType)==FALSE) { MessageBox(L"不是PE文件",L"PECheck",0); return; } if(PeType==PE) { MessageBox(L"32位 MZ",L"MZ"); //这里后面创建进程 // ULONG OepRVA = GetOEP(m_szFileData); // ULONG Base = GetBase(m_szFileData); // OEP = (ULONG_PTR)OepRVA + (ULONG_PTR)Base; //获得进程OEP 之前想在OEP设断， //结果根本不会再这段下来，所以在进程创建事件到达的时候，对于结构体中的pInfo->lpStartAddress设置断点 } else if(PeType==PE64) { MessageBox(L"64位 MZ",L"MZ"); CDialog::OnDropFiles(hDropInfo); } else if(PeType==Unkonw) { MessageBox(L"未知",L"MZ"); CDialog::OnDropFiles(hDropInfo); } }
这部分根据PE结构判断PE文件是否合法，目前只支持exe文件，本来想在OEP设置断点的，结果根本断不下来，最后通过创建事件到达的lpStartAddr设置的断点，这里可以查阅一下程序最开始从哪里执行的？肯定不是OEP
2.以调试模式创建子进程
Windows有一个调试子系统,所有的异常(包括CPU产生的异常)都会中断到调试子系统中,进程产生异常后,调试子系统会捕捉到这个异常,如果这个进程是以被调试状态创建,那么,调试子系统会将这个异常派发到产生异常的进程的父进程.
Windows中，父进程创建子进程，传入DEBUG_ONLY_THIS_PROCESS，这样设置之后，子进程发生的异常会首先通知给父进程处理
STARTUPINFO stcStartupInfo = { sizeof(STARTUPINFO) };
PROCESS_INFORMATION stcProcInfo = { 0 }; // 进程信息
if (!CreateProcess( /* 创建调试线程 */
pStc->path, // 可执行模块路径
NULL, // 命令行
NULL, // 安全描述符
NULL, // 线程属性是否可继承
FALSE, // 否从调用进程处继承了句柄
DEBUG_ONLY_THIS_PROCESS, // 以“只”调试的方式启动
NULL, // 新进程的环境块
NULL, // 新进程的当前工作路径（当前目录）
&stcStartupInfo, // 指定进程的主窗口特性
&stcProcInfo)) // 接收新进程的识别信息
{
//Fail
return 1;
}
如果其父进程的代码用有函数WaitForDebugEvent(),那么,函数将会从等待状态中被唤醒,返回到其父进程的调用地点.并将异常信息保存到DEBUG_EVENT结构体中.
while (WaitForDebugEvent(&debugEvent, INFINITE) == TRUE) { if (DispatchDebugEvent(&debugEvent) == TRUE) { //我们自己的处理函数 ContinueDebugEvent(g_processID, g_threadID, DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED); }
用一个调试事件，用于等待子进程调试事件的到达
如果ContinueDebugEvent第三个参数传递DBG_CONTINUE则表示调试器已经处理了该异常
如果传递DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED，则表示调试器没有处理异常，交给内核处理器处理，内核处理器没有处理则在次交给调试器处理。
DEBUG_EVENT结构体为
typedef struct _DEBUG_EVENT{ DWORD dwDebugEventCode;//发生异常的是什么事 DWORD dwProcessId;//触发异常的进程ID(如果被调试进程有多个进程,这个ID有可能是其子进程的) DWORD dwThreadId;//触发异常的线程ID(如果被调试进程有多个线程,这个ID有可能是其中的一个线程的 union{ EXCEPTION_DEBUG_INFO Exception;//异常类型信息 CREATE_THREAD_DEBUG_INFO CreateThread;//创建线程时得到的信息结构体(有可能会创建多个线程) CREATE_PROCESS_DEBUG_INFO CreateProcessInfo;//创建进程时得到的信息结构体,有可能会得到多个 EXIT_THREAD_DEBUG_INFO ExitThread;//线程退出的信息结构体 EXIT_PROCESS_DEBUG_INFO ExitProcess;//进程退出的信息结构体 LOAD_DLL_DEBUG_INFO LoadDll;//加载模块的信息结构体 UNLOAD_DLL_DEBUG_INFO UnloadDll;//卸载模块的信息结构体 OUTPUT_DEBUG_STRING_INFO DebugString;//输出调试字串的信息结构体 RIP_INFOR ipInfo;//系统调试错误时的信息结构体 }u;//这是一个联合体,dwDebugEventCode决定联合体中哪个字段是有用的. }DEBUG_EVENT,*LPDEBUG_EVENT;
我们的处理函数是对于DEBUG_EVENT中的调试事件类型的分派
//根据调试事件的类型调用不同的处理函数。 BOOL DispatchDebugEvent(const DEBUG_EVENT* pDebugEvent) { switch (pDebugEvent->dwDebugEventCode) { case CREATE_PROCESS_DEBUG_EVENT: return OnProcessCreated(&pDebugEvent->u.CreateProcessInfo); case CREATE_THREAD_DEBUG_EVENT: return OnThreadCreated(&pDebugEvent->u.CreateThread); case EXCEPTION_DEBUG_EVENT: return OnException(&pDebugEvent->u.Exception); case EXIT_PROCESS_DEBUG_EVENT: return OnProcessExited(&pDebugEvent->u.ExitProcess); case EXIT_THREAD_DEBUG_EVENT: return OnThreadExited(&pDebugEvent->u.ExitThread); case LOAD_DLL_DEBUG_EVENT: return OnDllLoaded(&pDebugEvent->u.LoadDll); case OUTPUT_DEBUG_STRING_EVENT: return OnOutputDebugString(&pDebugEvent->u.DebugString); case RIP_EVENT: return OnRipEvent(&pDebugEvent->u.RipInfo); case UNLOAD_DLL_DEBUG_EVENT: return OnDllUnloaded(&pDebugEvent->u.UnloadDll); default: return FALSE; } }
这里我们主要关心的是进程创建和异常到达
对于创建进程的调试事件 BOOL OnProcessCreated(const CREATE_PROCESS_DEBUG_INFO* pInfo) { InitializeBreakPointHelper(); //初始化断点列表 //初始化符号处理器 InitSymbol(); //在程序入口设置断点 SetCCBreakPointAt((SIZE_T)pInfo->lpStartAddress,TRUE); IsWow64Process(g_hProcess,&m_bIs32bitProcess); CloseHandle(pInfo->hFile); return TRUE; }
事件到达的结构体为
typedef struct _CREATE_PROCESS_DEBUG_INFO { HANDLE hFile; HANDLE hProcess; HANDLE hThread; LPVOID lpBaseOfImage; DWORD dwDebugInfoFileOffset; DWORD nDebugInfoSize; LPVOID lpThreadLocalBase; LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress; LPVOID lpImageName; WORD fUnicode; } CREATE_PROCESS_DEBUG_INFO, *LPCREATE_PROCESS_DEBUG_INFO;
其中，lpStartAddress为程序的入口点，我们对此处设置断点，可以让程序断下来。
异常处理，是对于EXCEPTION_DEBUG_EVENT事件的处理，包括程序的各种异常
/发生异常的时候应该通知用户，交由用户来处理，所以应返回FALSE。 BOOL OnException(const EXCEPTION_DEBUG_INFO* pInfo) { switch (pInfo->ExceptionRecord.ExceptionCode) { case EXCEPTION_ACCESS_VIOLATION: // 非法访问异常 { break; } case EXCEPTION_DATATYPE_MISALIGNMENT: // 内存对齐异常 { break; } case EXCEPTION_ILLEGAL_INSTRUCTION: // 无效指令 { break; } case EXCEPTION_INT_DIVIDE_BY_ZERO: // 除0错误 { break; } case EXCEPTION_PRIV_INSTRUCTION: // 指令不支持当前模式 { break; } case EXCEPTION_BREAKPOINT: { /*OnShowSourceLines();*/ OnDump(0); ShowAsm(20); return OnSoftBreakPoint(pInfo); //return false 则中断停下来 } case EXCEPTION_SINGLE_STEP: //TF断点 { ShowAsm(20); /*OnShowSourceLines();*/ OnDump(0); return OnSingleStep(pInfo); } } CString strStatusMsg; strStatusMsg.Format(L"First Chance: Exception at %p",(DWORD)pInfo->ExceptionRecord.ExceptionAddress); MainDlg->m_wndStatusBar.SetPaneText(0,strStatusMsg);//在状态条上显示文字 g_debuggeeStatus = STATUS_INTERRUPTED; return FALSE; } //这里暂时只处理了EXCEPTION_BREAKPOINT和EXCEPTION_SINGLE_STEP类型的异常
3、使用GetThreadContext/SetThreadContext获得寄存器信息
每个线程都有一个上下文环境，它包含了有关线程的大部分信息，例如线程栈的地址，线程当前正在执行的指令地址等。上下文环境保存在寄存器中，系统进行线程调度的时候会发生上下文切换，实际上就是将一个线程的上下文环境保存到内存中，然后将另一个线程的上下文环境装入寄存器。
我们来看下Context结构，每个Context包含了线程的一些信息
typedef struct _CONTEXT { DWORD ContextFlags; DWORD Dr0; DWORD Dr1; DWORD Dr2; DWORD Dr3; DWORD Dr6; DWORD Dr7; FLOATING_SAVE_AREA FloatSave; DWORD SegGs; DWORD SegFs; DWORD SegEs; DWORD SegDs; DWORD Edi; DWORD Esi; DWORD Ebx; DWORD Edx; DWORD Ecx; DWORD Eax; DWORD Ebp; //栈底 DWORD Eip; //下一条执行指令 DWORD SegCs; // MUST BE SANITIZED DWORD EFlags; // MUST BE SANITIZED DWORD Esp; //栈顶 DWORD SegSs; //SS BYTE ExtendedRegisters[MAXIMUM_SUPPORTED_EXTENSION]; } CONTEXT;
感兴趣的可以研究下线程切换、异常的内核处理过程等研究Context的作用。
获取某个线程的上下文环境需要使用GetThreadContext函数，该函数声明如下：
BOOL WINAPI GetThreadContext(
HANDLE hThread,
LPCONTEXT lpContext
);
第一个参数是线程的句柄，第二个参数是指向CONTEXT结构的指针。要注意，调用该函数之前需要设置CONTEXT结构的ContextFlags字段，指明你想要获取哪部分寄存器的值。该字段的取值如下：
|
CONTEXT_CONTROL |
获取EBP，EIP，CS，EFLAGS，ESP和SS寄存器的值。 |
|
CONTEXT_INTEGER |
获取EAX，EBX，ECX，EDX，ESI和EDI寄存器的值。 |
|
CONTEXT_SEGMENTS |
获取DS，ES，FS和GS寄存器的值。 |
|
CONTEXT_FLOATING_POINT |
获取有关浮点数寄存器的值。 |
|
CONTEXT_DEBUG_REGISTERS |
获取DR0，DR1，DR2，DR3，DR6，DR7寄存器的值。 |
|
CONTEXT_FULL |
等于CONTEXT_CONTROL | CONTEXT_INTEGER | CONTEXT_SEGMENTS |
调用GetThreadContext函数之后，CONTEXT结构相应的字段就会被赋值，此时就可以输出各个寄存器的值了。
对于其它寄存器来说，直接输出它的值就可以了，但是EFLAGS寄存器的输出比较麻烦，因为它的每一位代表不同的含义，我们需要将这些含义也输出来。一般情况下我们只需要了解以下标志：
|
标志 |
位 |
含义 |
|
CF |
0 |
进位标志。无符号数发生溢出时，该标志为1，否则为0。 |
|
PF |
2 |
奇偶标志。运算结果的最低字节中包含偶数个1时，该标志为1，否则为0。 |
|
AF |
4 |
辅助进位标志。运算结果的最低字节的第三位向高位进位时，该标志为1，否则为0。 |
|
ZF |
6 |
0标志。运算结果未0时，该标志为1，否则为0。 |
|
SF |
7 |
符号标志。运算结果未负数时，该标志为1，否则为0。 |
|
DF |
10 |
方向标志。该标志为1时，字符串指令每次操作后递减ESI和EDI，为0时递增。 |
|
OF |
11 |
溢出标志。有符号数发生溢出时，该标志为1，否则为0。 |
//获取被调试进程的主线程的上下文环境。 BOOL GetDebuggeeContext(CONTEXT* pContext) { Wow64SuspendThread(g_hThread); pContext->ContextFlags = CONTEXT_FULL; if (GetThreadContext(g_hThread, pContext) == FALSE) { CString strStatusMsg; strStatusMsg.Format(L"GetThreadContext failed"); MainDlg->m_wndStatusBar.SetPaneText(0,strStatusMsg);//在状态条上显示文字 return FALSE; } ResumeThread(g_hThread); return TRUE; }
4.跨进程读写内存
读取进程的内存使用ReadProcessMemory函数，该函数声明如下：
BOOL WINAPI ReadProcessMemory( HANDLE hProcess, //进程句柄 LPCVOID lpBaseAddress, //要读取的地址 LPVOID lpBuffer, //一个缓冲区的指针，保存读取到的内容 SIZE_T nSize, //要读取的字节数 SIZE_T* lpNumberOfBytesRead //一个变量的指针，保存实际读取到的字节数 );
要想成功读取到进程的内存，需要两个条件：一是hProcess句柄具有PROCESS_VM_READ的权限；二是由lpBaseAddress和nSize指定的内存范围必须位于用户模式地址空间内，而且是已分配的。
对于调试器来说，第一个条件很容易满足，因为调试器对被调试进程具有完整的权限，可以对其进行任意操作。
第二个条件意味着我们不能读取进程任意地址的内存，而是有一个限制。Windows将进程的虚拟地址空间分成了四个分区，如下表所示：（来自《Windows核心编程（第5版）》）
|
分区 |
地址范围 |
|
空指针赋值分区 |
0x00000000~0x0000FFFF |
|
用户模式分区 |
0x00010000~0x7FFEFFFF |
|
64KB禁入分区 |
0x7FFF0000~0x7FFFFFFF |
|
内核模式分区 |
0x80000000~0xFFFFFFFF |
空指针赋值分区主要为了帮助程序员检测对空指针的访问，任何对这一分区的读取或写入操作都会引发异常。64KB禁入分区正如其名字所言，是禁止访问的，由Windows保留。内核模式分区由Windows的内核部分使用，运行于用户态的进程不能访问这一区域。进程只能访问用户模式分区的内存，对于其它分区的访问将会引发ACCESS_VIOLATION异常。
另外，并不是用户模式分区的任意部分都可以访问。我们知道，在32位保护模式下，进程的4GB地址空间是虚拟的，在物理内存中不存在。如果要使用某一部分地址空间的话，必须先向操作系统提交申请，让操作系统为这部分地址空间分配物理内存。只有经过分配之后的地址空间才是可访问的，试图访问未分配的地址空间仍然会引发ACCESS_VIOLATION异常。
四、关于异常
根据异常发生时是否可以恢复执行，可以将异常分为三种类型，分别是错误异常，陷阱异常以及中止异常。
错误异常和陷阱异常一般都可以修复，并且在修复后程序可以恢复执行。两者的不同之处在于，错误异常恢复执行时，是从引发异常的那条指令开始执行；而陷阱异常是从引发异常那条指令的下一条指令开始执行。
下面来看一下异常的分发过程。为了突出重点，这里省略了很多细节：
1.程序发生了一个异常，Windows捕捉到这个异常，并转入内核态执行。
2.Windows检查发生异常的程序是否正在被调试，如果是，则发送一个EXCEPTION_DEBUG_EVENT调试事件给调试器，这是调试器第一次收到该事件；如果否，则跳到第4步。
3.调试器收到异常调试事件之后，如果在调用ContinueDebugEvent时第三个参数为DBG_CONTINUE，即表示调试器已处理了该异常，程序在发生异常的地方继续执行，异常分发结束；如果第三个参数为DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED，即表示调试器没有处理该异常，跳到第4步。
4.Windows转回到用户态中执行，寻找可以处理该异常的异常处理器。如果找到，则进入异常处理器中执行，然后根据执行的结果继续程序的执行，异常分发结束；如果没找到，则跳到第5步。
5.Windows又转回内核态中执行，再次检查发生异常的程序是否正在被调试，如果是，则再次发送一个EXCEPTION_DEBUG_EVENT调试事件给调试器，这是调试器第二次收到该事件；如果否，跳到第7步。
6.调试器第二次处理该异常，如果调用ContinueDebugEvent时第三个参数为DBG_CONTINUE，程序在发生异常的地方继续执行，异常分发结束；如果第三个参数为DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED，跳到第7步。
7.异常没有被处理，程序以“应用程序错误”结束。
简单来说就是有调试程序器存在的进程产生异常，会先给调试父进程通知，如果没处理则回到内核寻找(应该是SEH结构)，内核没处理则再次转交给调试父进程，如果还没有处理则结束进程。
软件异常：是程序主动触发异常，比如int 3，是陷阱异常，恢复的时候eip会指向指令的下一个
硬件异常: 是cpu的异常，比如除0的异常，是错误异常，恢复的时候eip会指向从出错的地方，继续执行。
我们之前在进程创建事件到达之后对于lpStartAddress设置了断点，
...SetCCBreakPointAt((SIZE_T)pInfo->lpStartAddress,TRUE); ...
PointInfo newBp; newBp.lpPointAddr = address; newBp.chOldByte = SetBreakPointMemory(newBp.lpPointAddr); //保存原来的字节，用来恢复 newBp.isOnlyOne = TRUE; //一次性断点 newBp.nPtNum = g_BpList.size()+1; newBp.ptType = BP_CC; //CC断点类型 g_BpList.push_back(newBp); 这是自己构造的一个结构体，构造好了之后存入链表当中
当程序断下来之后我们得到异常处理结构体
typedef struct _EXCEPTION_DEBUG_INFO { EXCEPTION_RECORD ExceptionRecord; DWORD dwFirstChance; } EXCEPTION_DEBUG_INFO, *LPEXCEPTION_DEBUG_INFO;
dwFirstChance表示是第一次被调试器捕获还是第二次
如果R3调试器第一次捕获了，在ContinueDebugEvent函数传递DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED继续调试，表示这个错误没有处理，让内核异常处理器去处理，内核处理器不干了，就在此把异常给R3调试器，这时dwFirstChance为FALSE，表示是第二次收到异常。
之前在看的资料是软件断点恢复的地方是 (异常发生的地方的BreakEIP) + 1，所以调试器在处理的时候EIP要 减一，这样就从断开的指令重新开始执行，不然可能指令被破坏(因为一般CC设置在指令的开始)，但是在我调试的时候发现，在处理FirstChance的时候EIP为 BreakEIP + 1，但是在第二次的时候EIP就已经是BreakEIP，所以在第一次异常的时候处理需要EIP-1，第二次异常的时候就不需要EIP-1了，系统已经自动从那个地方执行了。
//处理断点异常 BOOL OnSoftBreakPoint(const EXCEPTION_DEBUG_INFO* pInfo) { //第一次接收到断点 if (pInfo->dwFirstChance == TRUE) { //获取断点类型 int bpType = GetBreakPointType((DWORD)pInfo->ExceptionRecord.ExceptionAddress); if(bpType==BP_CC) { //遍历断点列表，恢复CC RecoverUserBreakPoint((DWORD)pInfo->ExceptionRecord.ExceptionAddress); SaveResetUserBreakPoint((DWORD)pInfo->ExceptionRecord.ExceptionAddress); //软件断点，恢复的地方在eip+1的地方，所以要重断点的地方重新执行 CONTEXT context; GetDebuggeeContext(&context); --context.Eip; SetDebuggeeContext(&context); //设置TF标志，让CPU执行一步就中断下来 SetTrapFlag(); } } else { //如果第二次处理则不需要EIP--; //RecoverUserBreakPoint((DWORD)pInfo->ExceptionRecord.ExceptionAddress); //SaveResetUserBreakPoint((DWORD)pInfo->ExceptionRecord.ExceptionAddress); //第二次的时候已经-1了，不需要 //设置TF标志,方便恢复 //SetTrapFlag(); } //如果是代码中的断点或者用户设置的断点，则暂停被调试进程的执行，并通知用户。 CString strStatusMsg; strStatusMsg.Format(L"A break point occured at %p",(DWORD)pInfo->ExceptionRecord.ExceptionAddress); MainDlg->m_wndStatusBar.SetPaneText(0,strStatusMsg);//在状态条上显示文字 g_alwaysContinue = TRUE; //用户按Go会执行ContinueDebugEvent，传入DEBUG_CONTINUE g_debuggeeStatus = STATUS_INTERRUPTED; return FALSE; //程序会断下来 }
寄存器的TF位表示CPU每执行一次就会触发一个EXCEPTION_SINGLE_STEP异常
我们把CC断点恢复之后就设置TF位，使程序断下来，这样我们就可以重新设置CC断点(如果是一次性断点就不用恢复了)
//单步执行异常的处理函数。
BOOL OnSingleStep(const EXCEPTION_DEBUG_INFO* pInfo) {
if(g_resetUserBpAddress != 0)
{
for (std::list<PointInfo>::iterator it = g_BpList.begin();
it != g_BpList.end();
++it) {
if (it->lpPointAddr == g_resetUserBpAddress)
{
if(it->isOnlyOne==FALSE) //如果不是一次断点则重新设置断点
{
SetBreakPointMemory(it->lpPointAddr);
}
g_resetUserBpAddress = 0;
}
}
}
HandledException(TRUE);
return TRUE;
}
目前实现的功能是显示汇编代码，在程序入口断下来，显示寄存器，内存。
参考
http://www.cnblogs.com/zplutor/archive/2011/03/04/1971279.html
http://bbs.pediy.com/showthread.php?t=206292
代码
http://pan.baidu.com/s/1skFefEH 密码 yzf1
posted on 2016-03-30 00:58 ciyze0101 阅读(1871) 评论(0) 编辑 收藏 举报
