WinDBG详解进程初始化dll是如何加载的

1.讲故事

有朋友咨询个问题，他每次在调试 WinDbg 的时候，进程初始化断点之前都会有一些 dll 加载到进程中，比如下面这样：

Microsoft (R) Windows Debugger Version 10.0.25200.1003 X86
Copyright (c) Microsoft Corporation. All rights reserved.

CommandLine: D:\net6\ConsoleApp1\Debug\ConsoleApplication3.exe

************* Path validation summary **************
Response                         Time (ms)     Location
Deferred                                       srv*c:\mysymbols*https://msdl.microsoft.com/download/symbols
Symbol search path is: srv*c:\mysymbols*https://msdl.microsoft.com/download/symbols
Executable search path is: 
ModLoad: 00400000 0041f000   ConsoleApplication3.exe
ModLoad: 774b0000 77653000   ntdll.dll
ModLoad: 753a0000 75490000   C:\Windows\SysWOW64\KERNEL32.DLL
ModLoad: 75900000 75b14000   C:\Windows\SysWOW64\KERNELBASE.dll
ModLoad: 79bc0000 79d36000   C:\Windows\SysWOW64\ucrtbased.dll
ModLoad: 79ba0000 79bbe000   C:\Windows\SysWOW64\VCRUNTIME140D.dll
(44c.4b0c): Break instruction exception - code 80000003 (first chance)
eax=00000000 ebx=00000000 ecx=afe00000 edx=00000000 esi=774c1ff4 edi=774c25bc
eip=77561a42 esp=0019fa20 ebp=0019fa4c iopl=0         nv up ei pl zr na pe nc
cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000246
ntdll!LdrpDoDebuggerBreak+0x2b:
77561a42 cc              int     3

问是否可以用 WinDbg 解读下内部运作原理，哈哈，其实要了解运作原理，一定要熟知 PE 头，那这篇就安排上。

二：理解 PE 头结构

1. 测试代码

为了方便讲述，先上一段测试代码，这里故意加载 combase.dll 是为了提取 PE 中的某些数据结构，代码如下：

#include <iostream>
#include <Windows.h>

int main(int argc, char* argv[]) {

	LoadLibrary(L"combase.dll");

	getchar();
}

其实你仔细想一想也能知道，既然能做到初始化加载，必然在 PE 头上藏了什么东西，这些东西让 Windows 加载器可以顺利加载诸如 ntdll.dll, KERNEL32.dll 等等，接下来一起观察下。

2. 可视化观察 PE 头

要想可视化观察 PE 头，工具有很多，这里使用 PPEE 工具，截图如下：

从图中可以看到，其实初始化加载什么，由可选头中的 DIRECTORY_ENTRY_IMPORT 数据目录项决定，哪这里包含了哪些初始化 dll 呢？ 可以选中右边的 DIRECTORY_ENTRY_IMPORT 项即可，如下图所示：

肯定有朋友说，WinDbg 上显示的是 5 个，你这里才 3 个，还有 2 个为什么没有？ 很简单，多余的 ntdll.dll 和 KERNELBASE.dll 必然是依赖项哈。

3. 用 WinDbg 深入探究

玩 WinDbg 都喜欢刨根问底，拿可视化 PPEE 肯定忽悠不过去，那好吧，我们用 C 中的结构体去解剖它。

1. DOS Header 节

这一块信息在源码中是用 ntdll!_IMAGE_DOS_HEADER 结构来承载的，可以用 dt 输出，起始点就是我们的 ConsoleApplication3.dll 在进程的首位置，即： 0x400000。

0:000> dt 0x400000 _IMAGE_DOS_HEADER 
ConsoleApplication3!_IMAGE_DOS_HEADER
   +0x000 e_magic          : 0x5a4d
   +0x002 e_cblp           : 0x90
   +0x004 e_cp             : 3
   ...
   +0x024 e_oemid          : 0
   +0x026 e_oeminfo        : 0
   +0x028 e_res2           : [10] 0
   +0x03c e_lfanew         : 0n232

1. NT Header 节

接下来就是 NT Header 节，它在源码中是由 _IMAGE_NT_HEADERS 结构来承载的，起始位置的偏移已经保存在上面的 e_lfanew 字段中，即 0n232。

0:000> dt 0x400000+0n232 _IMAGE_NT_HEADERS
ConsoleApplication3!_IMAGE_NT_HEADERS
   +0x000 Signature        : 0x4550
   +0x004 FileHeader       : _IMAGE_FILE_HEADER
   +0x018 OptionalHeader   : _IMAGE_OPTIONAL_HEADER

1. _IMAGE_DATA_DIRECTORY

在 PPEE 的第一张截图中，我们查看的是 Data Directorys 数组中的第二项 DIRECTORY_ENTRY_IMPORT 内容，它里面定义了我们需要初始化导入的 dll，我们可以用 dt r3 展开一下，然后一直点点点就好了，简化后如下：

0:000> dt -r3 0x400000+0n232 _IMAGE_NT_HEADERS
ConsoleApplication3!_IMAGE_NT_HEADERS
   +0x000 Signature        : 0x4550
   +0x004 FileHeader       : _IMAGE_FILE_HEADER
      +0x000 Machine          : 0x14c
      ...
      +0x012 Characteristics  : 0x103
   +0x018 OptionalHeader   : _IMAGE_OPTIONAL_HEADER
      +0x000 Magic            : 0x10b
      +0x002 MajorLinkerVersion : 0xe ''
      ...
      +0x05c NumberOfRvaAndSizes : 0x10
      +0x060 DataDirectory    : [16] _IMAGE_DATA_DIRECTORY
         +0x000 VirtualAddress   : 0
         +0x004 Size             : 0
0:000> dx -r1 (*((ConsoleApplication3!_IMAGE_DATA_DIRECTORY (*)[16])0x400160))
(*((ConsoleApplication3!_IMAGE_DATA_DIRECTORY (*)[16])0x400160))                 [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY [16]]
    [0]              [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY]
    [1]              [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY]
    [2]              [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY]
    ...
    [15]             [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY]

0:000> dx -r1 (*((ConsoleApplication3!_IMAGE_DATA_DIRECTORY *)0x400168))
(*((ConsoleApplication3!_IMAGE_DATA_DIRECTORY *)0x400168))                 [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY]
    [+0x000] VirtualAddress   : 0x1b1cc [Type: unsigned long]
    [+0x004] Size             : 0x50 [Type: unsigned long]

从输出的 VirtualAddress=0x1b1cc 中可以看到，我们 PPEE 截图二中的 DIRECTORY_ENTRY_IMPORT 真实内容是在偏移 0x1b1cc 处，它是一个 combase!_IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR 结构体，输出如下：

0:005> dt 0x400000+0x1b1cc combase!_IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR
   +0x000 Characteristics  : 0x1b21c
   +0x000 OriginalFirstThunk : 0x1b21c
   +0x004 TimeDateStamp    : 0
   +0x008 ForwarderChain   : 0
   +0x00c Name             : 0x1b40c
   +0x010 FirstThunk       : 0x1b000

到这里就很关键了，涉及到如下几点信息：

• 加载的 dll 名字是什么?

可以从 Name 字段提取，参考如下代码：

0:005> da 0x400000+0x1b40c
0041b40c  "KERNEL32.dll"

• 加载的 方法名 是什么？

这需要提取 OriginalFirstThunk 字段，这里是一个 _IMAGE_IMPORT_BY_NAME类型的指针数组，代码如下：

0:005> dp 0x400000+0x1b21c
0041b21c  0001b3e8 0001b3fc 0001b954 0001b942
0041b22c  0001b934 0001b924 0001b912 0001b906
0041b23c  0001b8fa 0001b8ea 0001b8d6 0001b8ba
...

0:005> dt 0x400000+0x0001b3e8 combase!_IMAGE_IMPORT_BY_NAME
   +0x000 Hint             : 0x382
   +0x002 Name             : [1]  "I"

0:005> da 0x400000+0x0001b3e8+0x2
0041b3ea  "IsDebuggerPresent"

结合上面的输出，我们知道 IsDebuggerPresent() 是属于 KERNEL32.dll 下的，有了这两点信息，Windows 加载器就可以用 LoadLibrary 和 GetProcAddress 方法将其加载到进程中了，转化为 C 代码大概是这样的。

typedef BOOL(CALLBACK* DeubbgerFunc)();

int main(int   argc, char* argv[])
{
	HMODULE hModule = LoadLibrary(L"KERNEL32.dll");

	DeubbgerFunc func = (DeubbgerFunc)GetProcAddress(hModule, "IsDebuggerPresent");

	BOOL b= func();
}

• func 函数地址会保存吗？

当然会保存了，会放在 _IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR 结构下的 FirstThunk 字段中，这是一个函数地址的指针数组，可以用 dds 观察。

0:005> dt 0x400000+0x1b1cc combase!_IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR
   +0x000 Characteristics  : 0x1b21c
   +0x000 OriginalFirstThunk : 0x1b21c
   +0x004 TimeDateStamp    : 0
   +0x008 ForwarderChain   : 0
   +0x00c Name             : 0x1b40c
   +0x010 FirstThunk       : 0x1b000

0:005> dds 0x400000+0x1b000
0041b000  753c20d0 KERNEL32!IsDebuggerPresentStub
0041b004  753c16c0 KERNEL32!LoadLibraryWStub
0041b008  753c2e80 KERNEL32!GetCurrentProcess
0041b00c  753bf550 KERNEL32!GetProcAddressStub
0041b05c  753b9910 KERNEL32!TerminateProcessStub
...

还有一点要注意，如果你在代码中使用 IsDebuggerPresent() 方法的话，它会从 0041b000 位置上取函数地址，参考如下汇编代码：

对初学者来说，搞懂这些还是有一定困难的，我在网上找了一份很好的参考图，大家可以对照着这张图理解，在此感谢作者。

• INT 是 Windows 需要加载的函数名列表。
• IAT 是存放 GetProcAddress 返回函数地址的列表。