总在用户态调试 C# 程序,终还是搭了一个内核态环境

一:背景

一直在用 WinDbg 调试用户态程序,并没有用它调试过 内核态,毕竟不是做驱动开发,也没有在分析 dump 中需要接触用内核态的需求,但未知的事情总觉得很酷,加上最近在看 《深入解析 Windows 操作系统》 一书,书中有不少案例需要深入到 内核态 ,所以这篇准备整理一下如何用 WinDbg 调试 C# 内核态吧。

操作环境:

  • Windbg Preview
  • 宿主机:Windows 10
  • 虚拟机:Windows 10

二:搭建内核态调试

1. 基本原理

操作系统的引导程序 BootMgrWinLoad 内置了调试模式,支持以 COM 接口互通,所以我们需要先添加一种可供调试的启动项,供引导程序 BootMgr 启动时弹框让我们选择。

2. 配置调试启动项

大家可以在 https://msdn.itellyou.cn/ 下载一个完整版的 Window10 ISO 包,这里就不细说了,启动虚拟机进入 Windows10 ,以管理员模式打开 CMD 窗口,执行如下 四条命令 来编辑 bcd (Boot Configuration Data)


bcdedit /dbgsettings serial baudrate:115200 debugport:1
bcdedit /copy {current} /d WinDbg
bcdedit /displayorder {current} {ID} 
bcdedit /debug {ID} ON

注意一下,这里的 {ID} 是 CMD 上生成的 GUID,这是你的启动项唯一键,别名是 WinDbg, 在我的界面上大概是这个样子:

3. 配置 COM 接口

这里有几个步骤要注意了,大致如下:

1) 把打印机选项移除了,因为它占用了 COM1 接口。

2) 新增一个 串行端口

3)在 使用命名管道 中填入 \\.\pipe\com_1, 同时勾选 轮询时主动放弃CPU

设置完之后点击确定,完整截图如下:

4. 配置 Windbg Preview

我们把 WinDbg 打开,选择 Attach to kernel 选项,然后选择 COM 模式,设置 Baud Rate = 115200 ,然后是 Port=\\.\pipe\com_1 ,配置完之后点击 OK, 完整截图如下:

如果一切正常的话,Windbg 应该是如下输出,等待COM连接状态。


Microsoft (R) Windows Debugger Version 10.0.25136.1001 AMD64
Copyright (c) Microsoft Corporation. All rights reserved.

Waiting for pipe \\.\pipe\com_1
Waiting to reconnect...


5. 启动虚拟机

这些都配置完之后,我们重新启动虚拟机,在 BootMgr 阶段会出现两个引导项,其中一个就是在 小项2 时配置的,我们选择它就好了,完整截图如下:

稍等片刻后 WinDbg 会显示连接成功,在进入初始化时会 int 3 中断, 如果你真的到了这一步,那恭喜你!!!



Microsoft (R) Windows Debugger Version 10.0.25136.1001 AMD64
Copyright (c) Microsoft Corporation. All rights reserved.

Waiting for pipe \\.\pipe\com_1
Waiting to reconnect...
Connected to Windows 10 10240 x64 target at (Thu Sep  1 23:23:35.235 2022 (UTC + 8:00)), ptr64 TRUE
Kernel Debugger connection established.  (Initial Breakpoint requested)

************* Path validation summary **************
Response                         Time (ms)     Location
Deferred                                       srv*c:\mysymbols_fix*https://msdl.microsoft.com/download/symbols
Error                                          D:\net5\ConsoleApp1\Debug
Deferred                                       srv*c:\mysymbols*https://msdl.microsoft.com/download/symbols
Symbol search path is: srv*c:\mysymbols_fix*https://msdl.microsoft.com/download/symbols;D:\net5\ConsoleApp1\Debug;srv*c:\mysymbols*https://msdl.microsoft.com/download/symbols
Executable search path is: 
Windows 10 Kernel Version 10240 MP (1 procs) Free x64
Edition build lab: 10240.17394.amd64fre.th1_st1.170427-1347
Machine Name:
Kernel base = 0xfffff802`a3c7b000 PsLoadedModuleList = 0xfffff802`a3fa0070
System Uptime: 0 days 0:00:00.092
nt!DebugService2+0x5:
fffff802`a3dcfca5 cc              int     3

因为是初始化中断,接下来在 WinDbg 命令面板中先用 g 执行,让操作系统继续跑下去,稍等片刻就会进入到 Windows 10 的操作界面。

6. netcore 测试

前段时间写了一篇文章,聊到了 ReadFile 从用户态切到内核态的过程,还画了一张图。

现在可以调试 内核态 那何不试试看呢??? 哈哈,说干就干,先上一段测试代码。


        static void Main(string[] args)
        {
            var i = 0;

            File.WriteAllText(@"C:\1.txt", "hello world!");
            while (true)
            {
                var str = File.ReadAllText(@"C:\1.txt");
                Console.WriteLine($"{i++}, content={str.Length}");
                Thread.Sleep(1000);
            }

            Console.ReadLine();
        }

为了方便观察用户态栈,我在虚拟机中的 Windows10 系统上安装一个 WinDbg10,目的就是拦截 ntdll!NtReadFile 函数时输出 用户态栈

bp ntdll!NtReadFile "k 10;gc"

可以看到每次只要程序输出一次,windbg10 都能成功拦截,接下来在宿主机的 WinDbg Preview 中先输入 .reload 重新加载下符号,目的就是方便看到用户态上的 ntdll.dll 函数名,但不一定好使,碰碰运气吧,接下来输入 nt!NtReadFile 观察内核态栈。

bp nt!NtReadFile

从新老Windbg截图中,可以清晰的看到,这个的 Child-SP 线程栈终于对接上了,也就验证了图上所说:ntdll!NtReadFile (用户态网关) -> nt!KiSystemServiceCopyEnd(内核态调度中心) -> nt!NtReadFile (内核态处理函数)

好了,本篇就先说这么多,希望对大家有帮助,也是对自己的一个总结。

posted @ 2022-09-03 11:56  一线码农  阅读(764)  评论(1编辑  收藏  举报