windows下的用户态调试的底层与上层实现

操作系统：windows XP

 

调试器通过CreateProcess传入带有DEBUG_PROCESS和DEBUG_ONLY_THIS_PROCESS的dwCreationFlags创建被调试进程。这种情况下，进程创建的早期（执行NtCreateProcess或NtCreateProcessEx之前），调用DbgUiConnectToDbg（）使调用线程和调试子系统建立连接。DbgUiConnectToDbg（）内部调用ZwCreateDebugObject创建一个DEBUG_OBJECT内核对象，并将其句柄保存在当前线程环境块（TEB)的的DbgSsReserved[1]中。调试进程与被调试进程就是通过DEBUG_OBJECT进行交互的。之后该线程便被认作是调试工作线程。
 
调用NtCreateProcess或NtCreateProcessEx时，
NTSYSAPI
NTSTATUS
NTAPI
NtCreateProcess(

OUT PHANDLE ProcessHandle,
IN ACCESS_MASK DesiredAccess,
IN POBJECT_ATTRIBUTES ObjectAttributes OPTIONAL,
IN HANDLE ParentProcess,
IN BOOLEAN InheritObjectTable,
IN HANDLE SectionHandle OPTIONAL,
IN HANDLE DebugPort OPTIONAL,
IN HANDLE ExceptionPort OPTIONAL );
DbgSsReserved[1]中的句柄将传入，内核中进程创建函数PspCreateProcess会检查它是否为空，若不为空，则取得该句柄的对象指针（PDEBUG_OBJECT），并将其存储于新创建进程EPROCESS的DebugPort中。之后新创建进程便被认作是被调试进程。
 
之后PspCreateProcess调用MmCreatePeb创建进程环境块（PEB）时，MmCreatePeb会根据DebugPort是否为空，相应设置PEB中BeingDebugged字段。
 
另一种情况是调试器附加到被调试进程。通过调用 BOOL DebugActiveProcess(DWORD dwProcessId)完成。首先会调用DebugUiConnectToDbg使调用进程与调试子系统建立连接。之后调用ProcessIdToHandle取得句柄。之后调用NTDLL中的DbgUiDebugActiveProcess。该函数调用NtDebugActiveProcess并传入ProcessHandle和DebugObject的handle。NtDebugActiveProcess内部根据句柄取得要被调试进程的EPROCESS和用于调试的调试对象DEBUG_OBJECT，之后向调试对象发送杜撰的调试事件（在调试循环中再说），之后调用DbgkpSetProcessDebugObject将调试对象的指针存储到被调试进程EPROCESS的DebugPort中，并调用DbgkpMarkProcessPeb设置被调试进程PEB的BeingDebugged字段。当NtDebugActiveProcess成功返回后，DbgUiDebugActiveProcess调用DbgUiIssueRemoteBreakIn在被调试进程中创建远程中断线程（后述），使被调试进程中断到调试器中。
 
之后调试器和被调试程序便建立起了调试会话。
 
之后调试线程进入了调试循环。调试线程使用WaitForDebugEvent等待调试事件。
 
调试事件即被调试进程所发生的某些特殊动作。例如线程、进程的创建和销毁等，当然还有非常重要的异常事件。被调试进程通过调试子系统发送给调试器，此时，调试器的WaitForDebugEvent将结束等待，并相应处理调试事件。具体如下：
 
调试子系统内核部分设计了一系列的函数来采集调试事件，并将收集到的调试事件以DBGKM_APIMSG这样的结构存储在调试子系统的调试消息队列中。当被调试进程创建新的进程或线程时，将产生相应的调试事件。在进程管理器创建新线程时，最后将调用PspUserThreadStartup准备启动线程。在该函数中，会调用调试子系统内核函数DbgkCreateThread，DbgkCreateThread将检查DebugPort是否为空，若为空，则立即返回，若不为空，继续检查进程的用户态运行时间（UserTime）是否为0，从而判断是否为进程中第一个线程。若是，若是，则通过DbgkpSendApiMessage()向DebugPort发送DbgKmCreateProcessApi消息，若不是，则发送DbgKmCreateThreadApi消息。
 
NTSTATUS DbgkpSendApiMessage（IN OUT PDGBKM_APIMSG ApiMsg, IN PVOID Port, IN BOOLEAN SuspendProcess)
其中Port一般是DebugPort中的指向DEBUG_OBJECT的指针。SuspendProcess说明是否要挂起被调试进程。若SuspendProcess为真，则该函数调用DbgkpSuspendProcess挂起被调试进程。之后调用DbgkpQueueMessage，该函数根据参数决定是否需要等待，若需要，则通过等待函数，直到收到调试器回复后返回。若是发送杜撰消息，则无需等待直接返回。之后若挂起了调试进程，则调用DbgkpResumeProcess唤醒被调试进程。
 
DbgkpSuspendProcess调用KeFreezeAllThreads()冻结除被调试进程中产生调试事件的线程的所有线程。之后如上文，该线程调用DbgkpQueueMessage发送消息并在大部分情况下调用KeWaitForSingleObject等待调试器的返回。之后调试子系统会通知调试器读取调试事件。调试器调试线程WaitForDebugObject返回，调试线程处理调试事件。完成之后调用ContinueDebugEvent。之后调试子系统唤醒被调试进程在等待的那个线程。该线程醒来后，会调用KeThawAllThreads()唤醒被调试进程中的所有线程。