WinDBG详解进程初始化dll是如何加载的

一：背景

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：

1. Microsoft (R) Windows Debugger Version 10.0.25200.1003 X86
2. Copyright (c) Microsoft Corporation. All rights reserved.
4. CommandLine: D:\net6\ConsoleApp1\Debug\ConsoleApplication3.exe
6. ************* Path validation summary **************
7. Response                         Time (ms)     Location
8. Deferred                                       srv*c:\mysymbols*https://msdl.microsoft.com/download/symbols
9. Symbol search path is: srv*c:\mysymbols*https://msdl.microsoft.com/download/symbols
10. Executable search path is:
11. ModLoad: 00400000 0041f000   ConsoleApplication3.exe
12. ModLoad: 774b0000 77653000   ntdll.dll
13. ModLoad: 753a0000 75490000   C:\Windows\SysWOW64\KERNEL32.DLL
14. ModLoad: 75900000 75b14000   C:\Windows\SysWOW64\KERNELBASE.dll
15. ModLoad: 79bc0000 79d36000   C:\Windows\SysWOW64\ucrtbased.dll
16. ModLoad: 79ba0000 79bbe000   C:\Windows\SysWOW64\VCRUNTIME140D.dll
17. (44c.4b0c): Break instruction exception - code 80000003 (first chance)
18. eax=00000000 ebx=00000000 ecx=afe00000 edx=00000000 esi=774c1ff4 edi=774c25bc
19. eip=77561a42 esp=0019fa20 ebp=0019fa4c iopl=0         nv up ei pl zr na pe nc
20. cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000246
21. ntdll!LdrpDoDebuggerBreak+0x2b:
22. 77561a42 cc              int     3

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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：

1. #include <iostream>
2. #include <Windows.h>
4. int main(int argc, char* argv[]) {
6.         LoadLibrary(L"combase.dll");
8.         getchar();
9. }

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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。

• 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。

1. 0:000> dt 0x400000 _IMAGE_DOS_HEADER
2. ConsoleApplication3!_IMAGE_DOS_HEADER
3.    +0x000 e_magic          : 0x5a4d
4.    +0x002 e_cblp           : 0x90
5.    +0x004 e_cp             : 3
6.    ...
7.    +0x024 e_oemid          : 0
8.    +0x026 e_oeminfo        : 0
9.    +0x028 e_res2           : [10] 0
10.    +0x03c e_lfanew         : 0n232

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• 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。

1. 0:000> dt 0x400000+0n232 _IMAGE_NT_HEADERS
2. ConsoleApplication3!_IMAGE_NT_HEADERS
3.    +0x000 Signature        : 0x4550
4.    +0x004 FileHeader       : _IMAGE_FILE_HEADER
5.    +0x018 OptionalHeader   : _IMAGE_OPTIONAL_HEADER

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• _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：

1. 0:000> dt -r3 0x400000+0n232 _IMAGE_NT_HEADERS
2. ConsoleApplication3!_IMAGE_NT_HEADERS
3.    +0x000 Signature        : 0x4550
4.    +0x004 FileHeader       : _IMAGE_FILE_HEADER
5.       +0x000 Machine          : 0x14c
6.       ...
7.       +0x012 Characteristics  : 0x103
8.    +0x018 OptionalHeader   : _IMAGE_OPTIONAL_HEADER
9.       +0x000 Magic            : 0x10b
10.       +0x002 MajorLinkerVersion : 0xe ''
11.       ...
12.       +0x05c NumberOfRvaAndSizes : 0x10
13.       +0x060 DataDirectory    : [16] _IMAGE_DATA_DIRECTORY
14.          +0x000 VirtualAddress   : 0
15.          +0x004 Size             : 0
16. 0:000> dx -r1 (*((ConsoleApplication3!_IMAGE_DATA_DIRECTORY (*)[16])0x400160))
17. (*((ConsoleApplication3!_IMAGE_DATA_DIRECTORY (*)[16])0x400160))                 [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY [16]]
18.     [0]              [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY]
19.     [1]              [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY]
20.     [2]              [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY]
21.     ...
22.     [15]             [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY]
24. 0:000> dx -r1 (*((ConsoleApplication3!_IMAGE_DATA_DIRECTORY *)0x400168))
25. (*((ConsoleApplication3!_IMAGE_DATA_DIRECTORY *)0x400168))                 [Type: _IMAGE_DATA_DIRECTORY]
26.     [+0x000] VirtualAddress   : 0x1b1cc [Type: unsigned long]
27.     [+0x004] Size             : 0x50 [Type: unsigned long]

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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：

1. 0:005> dt 0x400000+0x1b1cc combase!_IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR
2.    +0x000 Characteristics  : 0x1b21c
3.    +0x000 OriginalFirstThunk : 0x1b21c
4.    +0x004 TimeDateStamp    : 0
5.    +0x008 ForwarderChain   : 0
6.    +0x00c Name             : 0x1b40c
7.    +0x010 FirstThunk       : 0x1b000

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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：

1. 0:005> da 0x400000+0x1b40c
2. 0041b40c  "KERNEL32.dll"

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• 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：

1. 0:005> dp 0x400000+0x1b21c
2. 0041b21c  0001b3e8 0001b3fc 0001b954 0001b942
3. 0041b22c  0001b934 0001b924 0001b912 0001b906
4. 0041b23c  0001b8fa 0001b8ea 0001b8d6 0001b8ba
5. ...
7. 0:005> dt 0x400000+0x0001b3e8 combase!_IMAGE_IMPORT_BY_NAME
8.    +0x000 Hint             : 0x382
9.    +0x002 Name             : [1]  "I"
11. 0:005> da 0x400000+0x0001b3e8+0x2
12. 0041b3ea  "IsDebuggerPresent"

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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。

1. typedef BOOL(CALLBACK* DeubbgerFunc)();
3. int main(int   argc, char* argv[])
4. {
5.         HMODULE hModule = LoadLibrary(L"KERNEL32.dll");
7.         DeubbgerFunc func = (DeubbgerFunc)GetProcAddress(hModule, "IsDebuggerPresent");
9.         BOOL b= func();
10. }

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• 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。

1. 0:005> dt 0x400000+0x1b1cc combase!_IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR
2.    +0x000 Characteristics  : 0x1b21c
3.    +0x000 OriginalFirstThunk : 0x1b21c
4.    +0x004 TimeDateStamp    : 0
5.    +0x008 ForwarderChain   : 0
6.    +0x00c Name             : 0x1b40c
7.    +0x010 FirstThunk       : 0x1b0000:005> dds 0x400000+0x1b0000041b000  753c20d0 KERNEL32!IsDebuggerPresentStub0041b004  753c16c0 KERNEL32!LoadLibraryWStub0041b008  753c2e80 KERNEL32!GetCurrentProcess0041b00c  753bf550 KERNEL32!GetProcAddressStub0041b05c  753b9910 KERNEL32!TerminateProcessStub...

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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：

三：总结

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。