| 站点地图 | 联系我
| www.asm32.net | 2006版 | 资料中心 | linux | asm/asm32 | C/C++ | VC++ | java | 书签 | ASP.Net书签 | 上善若水 厚德载物
 现在位置 :: 主页 >> 资料中心 >> ROOT /
 

Windows中进程的内存结构

来源(博客园)

From: http://www.cnblogs.com/yewei/archive/2013/03/02/2940472.html

Windows中进程的内存结构

基础知识:堆栈是一种简单的数据结构,是一种只允许在其一端进行插入或删除的线性表。允许插入或删除操作的一端称为栈顶,另一端称为栈底,对堆栈的插入和删除操作被称为入栈和出栈。有一组CPU指令可以实现对进程的内存实现堆栈访问。其中,POP指令实现出栈操作,PUSH指令实现入栈操作。CPU的ESP寄存器存放当前线程的栈顶指针,EBP寄存器中保存当前线程的栈底指针。CPU的EIP寄存器存放下一个CPU指令存放的内存地址,当CPU执行完当前的指令后,从EIP寄存器中读取下一条指令的内存地址,然后继续执行。

接触过编程的人都知道,高级语言都能通过变量名来访问内存中的数据。那么这些变量在内存中是如何存放的呢?程序又是如何使用这些变量的呢?下面就会对此进行深入的讨论。下文中的C语言代码如没有特别声明,默认都使用VC编译的release版。

首先,来了解一下 C 语言的变量是如何在内存分部的。C 语言有全局变量(Global)、本地变量(Local),静态变量(Static)、寄存器变量(Register)。每种变量都有不同的分配方式。先来看下面这段代码:

#include <stdio.h>
int g1=0, g2=0, g3=0;
int main()
{
    static int s1=0, s2=0, s3=0;
    int v1=0, v2=0, v3=0;
    //打印出各个变量的内存地址
    printf("0x%08x\n",&v1); //打印各本地变量的内存地址
    printf("0x%08x\n",&v2);
    printf("0x%08x\n\n",&v3);
    printf("0x%08x\n",&g1); //打印各全局变量的内存地址
    printf("0x%08x\n",&g2);
    printf("0x%08x\n\n",&g3);
    printf("0x%08x\n",&s1); //打印各静态变量的内存地址
    printf("0x%08x\n",&s2);
    printf("0x%08x\n\n",&s3);
    return 0;
}


编译后的执行结果是:

0x0012ff78

0x0012ff7c

0x0012ff80

(在BC++/TC++中结果是

0x0012ff88

0x0012ff84

0x0012ff80

这样,这就说明在BC++/TC++中变量地址是倒序存放的。

而在Turbo C 2.0中,变量的存放是顺序的,也就是和VC++相同。它的输出结果类似于

0x0012ffdc

0x0012ffde

0x0012ffe0

(注:Turbo C++ 3.x及以前的版本,包括TC2.0中,int型占两个字节。以后的版本,比如BC++ 5.x是四个字节。)

0x004068d0

0x004068d4

0x004068d8

0x004068dc

0x004068e0

0x004068e4

(对于全局变量和静态变量,三种编译器的存放顺序都一样。是顺序的。而且全局和静态变量是放在同一块区域,表面上看就是说他们是连续存放的。)

输出的结果就是变量的内存地址。其中v1,v2,v3是本地变量(自动变量),g1,g2,g3是全局变量,s1,s2,s3是静态变量。你可以看到这些变量在内存是连续分布的,但是本地变量和全局变量分配的内存地址差了十万八千里,而全局变量和静态变量分配的内存是连续的。这是因为本地变量和全局/静态变量是分配在不同类型的内存区域中的结果。对于一个进程的内存空间而言,可以在逻辑上分成3个部份:代码区,静态数据区和动态数据区。动态数据区一般就是“堆栈”。“栈(stack)”和“堆(heap)”是两种不同的动态数据区,栈是一种线性结构,堆是一种链式结构。进程的每个线程都有私有的“栈”,所以每个线程虽然代码一样,但本地变量的数据都是互不干扰。一个堆栈可以通过“基地址”和“栈顶”地址来描述。全局变量和静态变量分配在静态数据区,本地变量分配在动态数据区,即堆栈中。程序通过堆栈的基地址和偏移量来访问本地变量。

├————————————┤低端内存区域(低地址)
│ ……                   │
├————————————┤
│ 动态数据区             │
├————————————┤
│ ……                   │
├————————————┤
│ 代码区               │
├————————————┤
│ 静态数据区             │
├————————————┤
│ ……                   │
├————————————┤高端内存区域(高地址)


(补注:对于基于Intel x86架构的计算机,系统采用小端字节序来存放数据,所谓小端字节序是指低序字节低地址,高序字节高地址(内存地址增大方向),大端字节序反之,给定系统所用的字节序称为主机字节序;CPU也以小端字节序形式读取数据。)



堆栈是一个先进后出的数据结构,栈顶地址总是小于等于栈的基地址(栈是倒着长的)。我们可以先了解一下函数调用的过程,以便对堆栈在程序中的作用有更深入的了解。不同的语言有不同的函数调用规定,这些因素有参数的压入规则和堆栈的平衡。Windows API的调用规则和ANSI C的函数调用规则是不一样的,前者由被调函数调整堆栈,后者由调用者调整堆栈。两者通过“__stdcall”和“__cdecl”前缀区分。先看下面这段代码:

#include <stdio.h>
void __stdcall func(int param1,int param2,int param3)
{
    int var1=param1;
    int var2=param2;
    int var3=param3;
    printf("0x%08x\n",&param1); //打印出各个变量的内存地址
    printf("0x%08x\n",&param2);
    printf("0x%08x\n\n",&param3);
    printf("0x%08x\n",&var1);
    printf("0x%08x\n",&var2);
    printf("0x%08x\n\n",&var3);
    return;
}
int main()
{
    func(1,2,3);
    return 0;
}


编译后的执行结果是:

0x0012ff78

0x0012ff7c

0x0012ff80

0x0012ff68

0x0012ff6c

0x0012ff70

├—————————————┤<—函数执行时的栈顶(ESP)、低端内存区域(低地址)
│ ……                     │
├—————————————┤
│ var 1                    │
├—————————————┤
│ var 2                    │
├—————————————┤
│ var 3                    │
├—————————————┤
│ RET                      │
├—————————————┤<—“__cdecl”函数返回后的栈顶(ESP)
│ parameter 1              │
├—————————————┤
│ parameter 2              │
├—————————————┤
│ parameter 3              │
├—————————————┤<—“__stdcall”函数返回后的栈顶(ESP)
│ ……                     │
├—————————————┤<—栈底(基地址 EBP)、高端内存区域(高地址)



上图就是函数调用过程中堆栈的样子了。首先,三个参数以从右到左的次序压入堆栈,先压“param3”,再压“param2”,最后压入“param1”(在BC++/TC++则是顺序压栈,情况刚好相反,刚才地址上的倒序就是由此造成的);然后压入函数的返回地址(RET),接着跳转到函数地址接着执行(这里要补充一点,介绍UNIX下的缓冲溢出原理的文章中都提到在压入RET后,继续压入当前EBP,然后用当前ESP代替EBP。然而,有一篇介绍Windows下函数调用的文章中说,在Windows下的函数调用也有这一步骤,但根据我的实际调试,并未发现这一步,这还可以从param3和var1之间只有4字节的间隙这点看出来);第三步,将栈顶(ESP)减去一个数,为本地变量分配内存空间,上例中是减去12字节(ESP=ESP-3*4,每个int变量占用4个字节,对于较新的编译器来说);接着就初始化本地变量的内存空间。然后执行函数体。由于“__stdcall”调用由被调函数调整堆栈,所以在函数返回前要恢复堆栈,先回收本地变量占用的内存(ESP=ESP+3*4),然后取出返回地址,填入EIP寄存器,再回收参数占用的内存(ESP=ESP+3*4),继续执行调用者的代码。参见下列汇编代码:

;--------------func 函数的汇编代码-------------------

:00401000 83EC0C sub esp, 0000000C //创建本地变量的内存空间

:00401003 8B442410 mov eax, dword ptr [esp+10]

:00401007 8B4C2414 mov ecx, dword ptr [esp+14]

:0040100B 8B542418 mov edx, dword ptr [esp+18]

:0040100F 89442400 mov dword ptr [esp], eax

:00401013 8D442410 lea eax, dword ptr [esp+10]

:00401017 894C2404 mov dword ptr [esp+04], ecx

……………………(省略若干代码)

:00401075 83C43C add esp, 0000003C ;恢复堆栈,回收本地变量的内存空间

:00401078 C3 ret 000C ;函数返回,恢复参数占用的内存空间

;如果是“__cdecl”的话,这里是“ret”,堆栈将由调用者恢复

;-------------------函数结束-------------------------

;--------------主程序调用func函数的代码--------------

:00401080 6A03 push 00000003 //压入参数param3

:00401082 6A02 push 00000002 //压入参数param2

:00401084 6A01 push 00000001 //压入参数param1

:00401086 E875FFFFFF call 00401000 //调用func函数

;如果是“__cdecl”的话,将在这里恢复堆栈,“add esp, 0000000C”

聪明的读者看到这里,差不多就明白缓冲溢出的原理了。先来看下面的代码:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
void __stdcall func()
{
    char lpBuff[8]="\0";
    strcat(lpBuff,"AAAAAAAAAAA");
    return;
}
int main()
{
    func();
    return 0;
}


编译后执行一下回怎么样?哈,“"0x00414141"指令引用的"0x00000000"内存。该内存不能为"read"。”,“非法操作”喽!"41"就是"A"的16进制的ASCII码了,那明显就是strcat这句出的问题了。"lpBuff"的大小只有8字节,算进结尾的'\0',那strcat最多只能写入7个"A",但程序实际写入了11个"A"外加1个'\0'。再来看看上面那幅图,多出来的4个字节正好覆盖了RET的所在的内存空间,导致函数返回到一个错误的内存地址,执行了错误的指令。如果能精心构造这个字符串,使它分成三部分,前一部份仅仅是填充的无意义数据以达到溢出的目的,接着是一个覆盖RET的数据,紧接着是一段shellcode,那只要着个RET地址能指向这段shellcode的第一个指令,那函数返回时就能执行shellcode了。但是软件的不同版本和不同的运行环境都可能影响这段shellcode在内存中的位置,那么要构造这个RET是十分困难的。一般都在RET和shellcode之间填充大量的NOP指令,使得exploit有更强的通用性。

├———————————┤<—低端内存区域
│ ……                 │
├———————————┤<—由exploit填入数据的开始
│                      │
│ buffer               │<—填入无用的数据
│                      │
├———————————┤
│ RET                  │<—指向shellcode,或NOP指令的范围
├———————————┤
│ NOP                  │
│ ……                 │<—填入的NOP指令,是RET可指向的范围
│ NOP                  │
├———————————┤
│                      │
│ shellcode            │
│                      │
├———————————┤<—由exploit填入数据的结束
│ ……                 │
├———————————┤<—高端内存区域



Windows下的动态数据除了可存放在栈中,还可以存放在堆中。了解C++的朋友都知道,C++可以使用new关键字来动态分配内存。来看下面的C++代码:

#include <stdio.h>
#include <iostream.h>
#include <windows.h>
void func()
{
    char *buffer=new char[128];
    char bufflocal[128];
    static char buffstatic[128];
    printf("0x%08x\n",buffer); //打印堆中变量的内存地址
    printf("0x%08x\n",bufflocal); //打印本地变量的内存地址
    printf("0x%08x\n",buffstatic); //打印静态变量的内存地址
}
void main()
{
    func();
    return;
}


程序执行结果为:

0x004107d0

0x0012ff04

0x004068c0

可以发现用new关键字分配的内存即不在栈中,也不在静态数据区。VC编译器是通过Windows下的“堆(heap)”来实现new关键字的内存动态分配。在讲“堆”之前,先来了解一下和“堆”有关的几个API函数:

HeapAlloc 在堆中申请内存空间

HeapCreate 创建一个新的堆对象

HeapDestroy 销毁一个堆对象

HeapFree 释放申请的内存

HeapWalk 枚举堆对象的所有内存块

GetProcessHeap 取得进程的默认堆对象

GetProcessHeaps 取得进程所有的堆对象

LocalAlloc

GlobalAlloc

当进程初始化时,系统会自动为进程创建一个默认堆,这个堆默认所占内存的大小为1M。堆对象由系统进行管理,它在内存中以链式结构存在。通过下面的代码可以通过堆动态申请内存空间:

HANDLE hHeap=GetProcessHeap(); 
char *buff=HeapAlloc(hHeap,0,8); 


其中hHeap是堆对象的句柄,buff是指向申请的内存空间的地址。那这个hHeap究竟是什么呢?它的值有什么意义吗?看看下面这段代码吧:

#pragma comment(linker,"/entry:main") //定义程序的入口
#include <windows.h>
_CRTIMP int (__cdecl *printf)(const char *, ...); //定义STL函数printf
/*---------------------------------------------------------------------------
写到这里,我们顺便来复习一下前面所讲的知识:
(*注)printf函数是C语言的标准函数库中函数,VC的标准函数库由msvcrt.dll模块实现。
由函数定义可见,printf的参数个数是可变的,函数内部无法预先知道调用者压入的参数个数,函数只能通过分析第一个参数字符串的格式来获得压入参数的信息,由于这里参数的个数是动态的,所以必须由调用者来平衡堆栈,这里便使用了__cdecl调用规则。BTW,Windows系统的API函数基本上是__stdcall调用形式,只有一个API例外,那就是wsprintf,它使用__cdecl调用规则,同printf函数一样,这是由于它的参数个数是可变的缘故。
---------------------------------------------------------------------------*/
void main()
{
    HANDLE hHeap=GetProcessHeap();
    char *buff=HeapAlloc(hHeap,0,0x10);
    char *buff2=HeapAlloc(hHeap,0,0x10);
    HMODULE hMsvcrt=LoadLibrary("msvcrt.dll");
    printf=(void *)GetProcAddress(hMsvcrt,"printf");
    printf("0x%08x\n",hHeap);
    printf("0x%08x\n",buff);
    printf("0x%08x\n\n",buff2);
}


执行结果为:

0x00130000

0x00133100

0x00133118

hHeap的值怎么和那个buff的值那么接近呢?其实hHeap这个句柄就是指向HEAP首部的地址。在进程的用户区存着一个叫PEB(进程环境块)的结构,这个结构中存放着一些有关进程的重要信息,其中在PEB首地址偏移0x18处存放的ProcessHeap就是进程默认堆的地址,而偏移0x90处存放了指向进程所有堆的地址列表的指针。windows有很多API都使用进程的默认堆来存放动态数据,如Windows 2000下的所有ANSI版本的函数都是在默认堆中申请内存来转换ANSI字符串到Unicode字符串的。对一个堆的访问是顺序进行的,同一时刻只能有一个线程访问堆中的数据,当多个线程同时有访问要求时,只能排队等待,这样便造成程序执行效率下降。

最后来说说内存中的数据对齐。所谓数据对齐,是指数据所在的内存地址必须是该数据长度的整数倍,DWORD数据的内存起始地址能被4除尽,WORD数据的内存起始地址能被2除尽,BYTE数据占用一个字节,因此对内存起始地址没有特殊要求。x86 CPU能直接访问对齐的数据,当他试图访问一个未对齐的数据时,会在内部进行一系列的调整,这些调整对于程序来说是透明的,但是会降低运行速度,所以编译器在编译程序时会尽量保证数据对齐。同样一段代码,我们来看看用VC、Dev-C++和lcc三个不同编译器编译出来的程序的执行结果:

#include <stdio.h>
int main()
{
    int a;
    char b;
    int c;
    printf("0x%08x\n",&a);
    printf("0x%08x\n",&b);
    printf("0x%08x\n",&c);
    return 0;
}


这是用VC编译后的执行结果:

0x0012ff7c

0x0012ff7b

0x0012ff80

变量在内存中的顺序:b(1字节)-a(4字节)-c(4字节)。

这是用Dev-C++编译后的执行结果:

0x0022ff7c

0x0022ff7b

0x0022ff74

变量在内存中的顺序:c(4字节)-中间相隔3字节-b(占1字节)-a(4字节)。

这是用lcc编译后的执行结果:

0x0012ff6c

0x0012ff6b

0x0012ff64

变量在内存中的顺序:同上。

三个编译器都做到了数据对齐,但是后两个编译器显然没VC“聪明”,让一个char占了4字节,浪费内存哦。

在<windef.h>中有这样的代码:

typedef unsigned char BYTE;

typedef unsigned long DWORD;

typedef unsigned short WORD;

对于字符数组,有的编译器统一用WORD来存储,可能会导致浪费内存,但效率较高(如TC2.0和TC++3.0,针对16位处理器);有的采用DWORD来存储,同样浪费内存;有的则采用BYTE,但可能会导致浪费时间(因为数据不一定对齐,如BC++5.0)。

分类: C++

Link: http://www.asm32.net/article_details.aspx?id=6372


浏览次数 0 发布时间 2014/5/21 22:16:03 从属分类 ROOT 【评论】【 】【打印】【关闭
 
| www.asm32.net | 2006版 | 资料中心 | linux | asm/asm32 | C/C++ | VC++ | java | 书签 | ASP.Net书签 | 京ICP备09029108号-1