Win32 调试接口设计与实现浅析

　　所谓调试器实际上是一个很宽泛的概念，凡是能够以某种形式监控其他程序执行过程的程序，都可以泛称为调试器。在Windows平台上，根据调试器的实现原理大概可以将之分为三类：内核态调试器、用户态调试器和伪代码调试器。
内核态调试器直接工作在操作系统内核一级，在硬件与操作系统之间针对系统核心或驱动进行调试，常见的有SoftICE、WinDbg、WDEB386和i386KD等等；用户态调试器则通过操作系统提供的调试接口，在操作系统和用户态程序之间针对用户态程序进行调试，常见的有各种开发环境如VC/Delphi自带的调试器，OllyDbg等等；伪代码调试器则使用目标系统自定义的调试接口，调试由用户态程序支持的脚本语言或虚拟机代码，常见的如JVM/CLR的调试工具、VB的pcode调试器、Active Script调试器等等。
因为伪代码调试器跟具体系统实现相关性太强，不具备原理层面的通用性，本系列文章尽量不涉及其内容，以后如果有机会可以再讨论一下JVM/CLR/Active Script提供的调试接口；用户态调试器应用最广泛，参考资料也较为完整，我会花较大精力和大家探讨；核心态调试器则跟操作系统结合较为紧密，加上我也不是太熟悉，只能尽力而为了，呵呵。欢迎大家提出批评指正意见和建议 :)
此外强烈推荐John Robbins在MSDN的Bugslayer专栏，以及其所著的<Debugging Applications>一书（中文版《应用程序调试技术》），此书中对调试器从原理到应用都有很全面的讲解。

[1] 用户态调试器结构初探

用户态调试器直接使用Win32 API提供的调试接口，遵循Win32的事件驱动的设计思想，其实现思路非常简单，基本框架伪代码如下：

//启动要调试的进程或挂接调试器到已运行的进程上
CreateProcess(..., DEBUG_PROCESS, ...) or DebugActiveProcess(dwProcessId)

DEBUG_EVENT de;
BOOL bContinue = TRUE;
DWORD dwContinueStatus;

while(bContinue)
{
bContinue = WaitForDebugEvent(&de, INFINITE);

switch(de.dwDebugEventCode)
{
...
default:
{
dwContinueStatus = DBG_CONTINUE;
break;
}
}

ContinueDebugEvent(de.dwProcessId, de.dwThreadId, dwContinueStatus);
}

在调试器开始调试的时候，会启动被调试程序的新进程或者挂接(attach)到一个已运行进程上，此时Win32系统会启动调试接口的服务器端；然后调试器调用WaitForDebugEvent函数等待调试服务器端的调试事件被引发；调试器根据调试事件进行相应的处理；最后调用ContinueDebugEvent函数请求调试服务器继续执行被调试进程，以等待并处理下一个调试事件。

首先我们大致看看调试接口的服务器端的实现思路：调试服务的服务器端接口实际上是存在于被调试进程的调试端口(Debug Port)，此核心对象实现上跟Win32的完成端口类似，都是通过一个核心队列实现的LPC端口。启动调试服务器实际上就是挂接Win32的调试子系统到被调试进程，并在被调试进程内构造调试端口。调试器通过调试端口与Win32的调试子系统通讯；调试子系统响应系统操作所引发的调试事件，并通过调试端口将调试事件分发给核心态/用户态调试器。

建立被调试程序的新进程时，需要在CreateProcess函数的dwCreationFlags参数设置DEBUG_ONLY_THIS_PROCESS或DEBUG_PROCESS标志位，以表示新建的进程需要被调试。CreateProcess函数的调用路径如下

CreateProcessA/CreateProcessW (kernel32.dll)
CreateProcessInternalW (kernel32.dll)
NtCreateProcessEx (ntoskrnl.dll)
PspCreateProcess (ntos/ps/create.c:969)

CreateProcessInternalW函数根据传入的dwCreationFlags参数，决定是否要构造端口核心对象用于调试端口，并设置PEB的相应调试标志；PspCreateProcess会根据传入参数的调试选项和端口对象句柄，选择是否创建目标进程的调试端口；如果要创建则将传入的端口句柄转换成内核对象引用，保存在被调试程序进程的EPROCESS->DebugPort字段里。
Win32 API提供的IsDebuggerPresent函数就是通过判断CreateProcessInternalW函数在PEB中设置的标志位来判断当前进程是否被调试的。IsDebuggerPresent函数伪代码如下：

BOOL IsDebuggerPresent(void)
{
return NtCurrentTeb()->ProcessEnvironmentBlock->BeingDebugged;
}

TEB和PEB的结构可在http://www.ntinternals.net/上找到。

不过此种方法很容易被调试器直接修改PEB内存结构所欺骗，故而有另外一种直接通过检查EPROCESS->DebugPort字段是否被使用，来判断此进程是否正在被调试的方法。以前水木上也有过几次讨论，如blowfish的《检测debugger的方法补遗》一文给出的代码。Windows XP/2003开始由Win32 API提供的 CheckRemoteDebuggerPresent 函数也是使用相同的思路，通过调用 NtQueryInformationProcess 函数查询调试端口实现的，伪代码如下：

BOOL CheckRemoteDebuggerPresent(HANDLE hProcess, PBOOL pbDebuggerPresent)
{
enum PROCESS_INFO_CLASS { ProcessDebugPort = 7 };

if(hProcess && pbDebuggerPresent)
{
HANDLE hPort;

*pbDebuggerPresent = NT_SUCCESS(NtQueryInformationProcess(hProcess, ProcessDebugPort, &hPort, sizeof(hPort), NULL)) ? TRUE : FALSE;

return *pbDebuggerPresent;
}
return FALSE;
}

与直接创建被调试程序的新进程不同，调试已启动进程的 DebugActiveProcess 函数首先连接到Win32 系统调试服务器的端口上，然后激活当前正在运行的被调试进程的调试端口。DebugActiveProcess的伪代码如下：

BOOL DebugActiveProcess(DWORD dwProcessId)
{
if(DbgUiConnectToDbg())
{
HANDLE hProcess = ProcessIdToHandle(dwProcessId);

if(hProcess)
{
DbgUiDebugActiveProcess(hProcess);
NtClose(hProcess);
}
}
return FALSE;
}

DbgUiConnectToDbg函数(ntos/dll/dlluistb.c:27)尝试连接核心提供的调试子系统端口(名为"/DbgUiApiPort")，如果成功连接会获得一个端口对象(保存在DbgUiApiPort NtCurrentTeb()->DbgSsReserved[1])，和一个调试状态转换的信号灯句柄(保存在DbgStateChangeSemaphore NtCurrentTeb()->DbgSsReserved[0])用于等待调试事件。伪代码如下：

#define DbgStateChangeSemaphore (NtCurrentTeb()->DbgSsReserved[0])
#define DbgUiApiPort (NtCurrentTeb()->DbgSsReserved[1])

NTSTATUS DbgUiConnectToDbg( VOID )
{
NTSTATUS st = NtConnectPort(&DbgUiApiPort, L"//DbgUiApiPort", ..., &DbgStateChangeSemaphore);

if(NT_SUCCESS(st))
{
NtRegisterThreadTerminatePort(DbgUiApiPort);
}
else
{
DbgUiApiPort = NULL;
}
return st;
}

如果连接调试子系统成功，则调用NtRegisterThreadTerminatePort函数(ntos/ps/psdelete.c:1202)将调试端口加入到当前线程控制块的终止端口列表(ETHREAD->TerminationPortList)中。在线程结束的之前，会激活此列表中的端口，给调试器一个清理的机会。

DbgUiDebugActiveProcess函数完成具体的激活被调试进程的调试服务器的功能。伪代码如下：

#define DbgUiApiPort (NtCurrentTeb()->DbgSsReserved[1])

void DbgUiDebugActiveProcess(HANDLE hProcess)
{
return NtDebugActiveProcess(DbgUiApiPort) &&
DbgUiIssueRemoteBreakin(hProcess) &&
DbgUiStopDebugging(hProcess);
}

至于这几个函数的具体实现，等后面章节详细分析Win32调试子系统时再详细讲解，呵呵

在被调试进程启动了调试支持后，调试器调用WaitForDebugEvent函数等待调试事件的发生。此函数实际上是对DbgUiWaitStateChange函数(ntos/dll/dlluistb.c:93)的一个简单包装，通过等待DbgUiConnectToDbg函数获得的调试事件信号灯来完成实际功能。如果成功获得调试事件，还会通过NtRequestWaitReplyPort函数(ntos/lpc/lpcsend.c:717)向调试服务器通报DbgUiWaitStateChangeApi消息。

在处理完调试事件后，调试器调用的ContinueDebugEvent函数是DbgUiContinue函数的一个简单包装，也是使用NtRequestWaitReplyPort函数向调试服务器通报DbgUiContinueApi消息。

在完成调试功能后，WinXP/2003还提供了DebugActiveProcessStop函数停止调试。伪代码如下：

BOOL DebugActiveProcessStop(DWORD dwProcessId)
{
HANDLE hProcess = ProcessIdToHandle(dwProcessId);

if(hProcess)
{
CloseAllProcessHandles(dwProcessId);
DbgUiStopDebugging(hProcess);
if(NtClose(hProcess))
return TRUE;
}
return FALSE;
}

DbgUiStopDebugging函数(ntdll.dll)调用ZwRemoveProcessDebug函数(ntoskrnl.exe)关闭指定进程的调试端口，实现上是传入端口句柄和进程句柄，调用0xC7号系统服务完成最终功能。这个暂时就不深入讨论了，就此打住 :P

在了解这些后，对用户态调试器的实现应该就有了一个框架性的了解：其结构就是一个基于事件的模型，然后通过向调试子系统请求调试事件并完成具体操作。

[2] 调试事件

前面说到 Win32 下的用户态调试器实际上就是一个while循环，循环体内先等待一个调试事件，然后处理之，最后将控制权交还给调试服务器，就好像一个窗口消息循环一样。调试事件的核心实际上就是一个DEBUG_EVENT结构，在WinBase.h文件中定义如下：

typedef struct _DEBUG_EVENT {
DWORD dwDebugEventCode;
DWORD dwProcessId;
DWORD dwThreadId;
union {
EXCEPTION_DEBUG_INFO Exception;
CREATE_THREAD_DEBUG_INFO CreateThread;
CREATE_PROCESS_DEBUG_INFO CreateProcessInfo;
EXIT_THREAD_DEBUG_INFO ExitThread;
EXIT_PROCESS_DEBUG_INFO ExitProcess;
LOAD_DLL_DEBUG_INFO LoadDll;
UNLOAD_DLL_DEBUG_INFO UnloadDll;
OUTPUT_DEBUG_STRING_INFO DebugString;
RIP_INFO RipInfo;
} u;
} DEBUG_EVENT, *LPDEBUG_EVENT;

dwDebugEventCode字段给出此调试事件的类型，dwProcessId和dwThreadId字段分别给出调试事件发生的进程和线程ID号。

调试事件一般有以下几类：

#define EXCEPTION_DEBUG_EVENT 1
#define CREATE_THREAD_DEBUG_EVENT 2
#define CREATE_PROCESS_DEBUG_EVENT 3
#define EXIT_THREAD_DEBUG_EVENT 4
#define EXIT_PROCESS_DEBUG_EVENT 5
#define LOAD_DLL_DEBUG_EVENT 6
#define UNLOAD_DLL_DEBUG_EVENT 7
#define OUTPUT_DEBUG_STRING_EVENT 8
#define RIP_EVENT 9

CREATE_PROCESS_DEBUG_EVENT事件在创建一个新的进程的第一个线程时被引发；相应的EXIT_PROCESS_DEBUG_EVENT事件在被调试的进程结束最后一个线程运行时被引发；每次新建/退出一个线程时会有CREATE_THREAD_DEBUG_EVENT/EXIT_THREAD_DEBUG_EVENT事件被引发；每次载入/卸载一个DLL时会有LOAD_DLL_DEBUG_EVENT/UNLOAD_DLL_DEBUG_EVENT事件被引发；被调试程序使用OutputDebugString函数输出一个调试字符串时调试器会接受到一个OUTPUT_DEBUG_STRING_EVENT事件；异常被引发时调试器会接受到一个第一时间的EXCEPTION_DEBUG_EVENT事件，如果调试器不处理此异常，则进入被调试程序的正常SEH调用链，如果被调试进程也不处理，则会再次引发此事件；RIP_EVENT则一般用于报告错误事件。
一般来说程序的调试事件按照如下顺序被引发：

CREATE_PROCESS_DEBUG_EVENT

LOAD_DLL_DEBUG_EVENT x n // 静态载入的DLL

CREATE_THREAD_DEBUG_EVENT & EXIT_THREAD_DEBUG_EVENT // 多线程程序中成对出现

LOAD_DLL_DEBUG_EVENT & UNLOAD_DLL_DEBUG_EVENT // 动态载入 DLL 时成对出现

EXCEPTION_DEBUG_EVENT x n // 随机出现

OUTPUT_DEBUG_STRING_EVENT x n // 程序写调试信息时出现

EXIT_PROCESS_DEBUG_EVENT

接下来我们详细分析每种调试事件被引发的原因和时机。具体的调试事件内容这里就不罗嗦了，有兴趣写调试器的朋友可以参考MSDN和<Debugging Applications>中相关内容。

首先是建立进程的CREATE_PROCESS_DEBUG_EVENT事件和建立线程的CREATE_THREAD_DEBUG_EVENT事件。这两个事件都是由DbgkCreateThread函数(ntos/dbgk/dbgkproc.h:211)引发的。此函数首先检查当前线程是否是具有调试端口的活动线程；然后检查当前线程是否是进程的创建的第一个线程；如果不是第一个线程，或者调试器是挂接(attach)到一个活动进程上（判断依据是此进程是否占用过用户态的CPU时间），则向调试子系统的调试服务器引发CREATE_THREAD_DEBUG_EVENT事件；否则转而报告CREATE_PROCESS_DEBUG_EVENT事件。

DbgkCreateThread函数伪代码如下：

VOID DbgkCreateThread(PVOID StartAddress)
{
if(!PsGetCurrentProcess()->DebugPort || PsGetCurrentThread()->DeadThread)
{
return;
}

PsLockProcess(Process,KernelMode,PsLockWaitForever); // 锁定进程中所有线程

if(PsGetCurrentProcess()->Pcb.UserTime &&
PsGetCurrentProcess()->CreateProcessReported == FALSE)
{
PsGetCurrentProcess()->CreateProcessReported = TRUE;

// 引发 CREATE_PROCESS_DEBUG_EVENT 事件
}
else
{
// 引发 CREATE_THREAD_DEBUG_EVENT 事件
}

PsUnlockProcess(PsGetCurrentProcess());
}

Win32在创建用户态线程的时候，大致流程如下：

CreateThread (kernel32.dll)
CreateRemoteThread (kernel32.dll)
NtCreateThread (ntoskrnl.exe)
PspCreateThread (ntos/ps/create.c:237)

PspCreateThread函数在创建用户态线程时，使用PspUserThreadStartup函数(ntos/ps/create.c:1639)作为线程入口函数，因此线程被创建后直接进入此函数。PspUserThreadStartup函数对非僵死线程和没有结束的线程初始化其APC；然后调用DbgkCreateThread函数通知调试器采取相应动作；最后将进程的用户态CPU时间设置为1，以标示此进程已启动。对一种特殊线程，非僵死线程但线程启动时已经停止，则直接调用DbgkCreateThread然后立刻调用PspExitThread，以通知调试器采取相应动作。PspUserThreadStartup函数伪代码如下：

VOID PspUserThreadStartup(IN PKSTART_ROUTINE StartRoutine, IN PVOID StartContext)
{
if(!PsGetCurrentThread()->DeadThread && !PsGetCurrentThread()->HasTerminated)
{
// 初始化线程 APC
}
else
{
if(!PsGetCurrentThread()->DeadThread)
{
DbgkCreateThread(StartContext);
}
PspExitThread(STATUS_THREAD_IS_TERMINATING);
}

DbgkCreateThread(StartContext);

if(PsGetCurrentProcess()->Pcb.UserTime == 0)
{
PsGetCurrentProcess()->Pcb.UserTime = 1;
}
}

与DbgkCreateThread函数对应的是DbgkExitThread函数(ntos/dbgk/dbgkproc.c:384)和DbgkExitProcess函数(ntos/dbgk/dbgkproc.c:439)，分别向调试服务器引发EXIT_THREAD_DEBUG_EVENT和EXIT_PROCESS_DEBUG_EVENT事件。
这两个函数由系统内核退出线程的PspExitThread函数(ntos/ps/psdelete.c:622)在合适的时候调用。PspExitThread函数检测当前进程PCB的线程列表是否只有当前线程一个线程，如果没有其他线程则调用DbgkExitProcess函数，否则调用DbgkExitThread函数。

Win32 系统中载入和卸载DLL，实际的函数调用流程如下：

LoadLibrary (kernel32.dll)
LoadLibraryEx (kernel32.dll)
BasepLoadLibraryAsDataFile (kernel32.dll)
NtMapViewOfSection (ntos/mm/mapview.c:204)
MmMapViewOfSection (ntos/mm/mapview.c:699)

NtMapViewOfSection函数在调用MmMapViewOfSection函数(ntos/mm/mapview.c:699)完成实际的内存文件映射之后，会根据映射节的标记位以及目标进程是否是当前进程，判断是否要调用DbgkMapViewOfSection函数(ntos/dbgk/dbgkproc.c:495)，通知调试服务器有新的映象文件被加载。与之对应MmUnmapViewOfSection函数(ntos/mm/umapview.c:88)也在判断标志位和目标进程是否是当前进程后，在函数末尾调用DbgkUnMapViewOfSection函数(ntos/dbgk/dbgkproc.c:567)通知调试服务器有映象文件被卸载。

与前面的几种事件不同，OutputDebugString函数(kernel32.dll)实际上是通过异常实现的。而且有趣的是，这个函数是为数不多的W后缀Unicode版本实现上转而调用A后缀Ansi版本，完成实际功能的例子。OutputDebugStringA函数(kernel32.dll)实际上使用RaiseException函数引发了一个异常号为0x40010006的软件异常，并将字符串的指针和长度作为异常参数传递。

DbgkForwardException函数(ntos/dbgk/dbgkport.c:96)作为实际引发EXCEPTION_DEBUG_EVENT调试事件的函数，在系统的异常分发KiDispatchException函数(ntos/ke/i386/exceptn.c:797)中被调用。KiDispatchException函数根据异常被引发时的状态，分别完成核心和用户态的异常处理工作。

对核心态异常，首先给核心调试程序一个处理机会，然后试图分发到基于帧的SEH异常链去，没有被处理的话则再给核心调试程序一个机会，如果还是没被处理，就只能调用KeBugCheckEx函数(ntos/ke/bugcheck.c:157)蓝屏了，呵呵。
对用户态异常，还是首先试图让核心调试器处理，如果不行才调用DbgkForwardException函数分发，没有被处理的话则多次尝试，如果还是没被处理，就停止线程并报告异常给用户。KiDispatchException函数伪代码如下：

VOID KiDispatchException (IN PEXCEPTION_RECORD ExceptionRecord, IN PKEXCEPTION_FRAME ExceptionFrame,
IN PKTRAP_FRAME TrapFrame, IN KPROCESSOR_MODE PreviousMode, IN BOOLEAN FirstChance)
{
CONTEXT ContextFrame;

KeContextFromKframes(TrapFrame, ExceptionFrame, &ContextFrame); // 从核心异常帧(Frame)构造异常上下文(Context)

if (ExceptionRecord->ExceptionCode == STATUS_BREAKPOINT) // 处理调试断点 int 3
{
ContextFrame.Eip--;
}

if (PreviousMode == KernelMode)
{
if (FirstChance == TRUE)
{
if (KiDebugRoutine && KiDebugRoutine(..., FALSE) != FALSE) goto Handle1

if(RtlDispatchException(ExceptionRecord, &ContextFrame) == TRUE) goto Handled1;
}

if (KiDebugRoutine && KiDebugRoutine(..., TRUE) != FALSE) goto Handle1

KeBugCheckEx(...); // 核心错误，以可控方式崩溃 -_-b 说白了就是Deadth Blue Screen，呵呵
}
else // PreviousMode = UserMode
{
if (FirstChance == TRUE)
{
if (KiDebugRoutine && KiDebugRoutine(..., FALSE) != FALSE) goto Handle1

if (DbgkForwardException(ExceptionRecord, TRUE, FALSE)) goto Handled2;

// 将异常信息转换到用户模式，并尝试分发
}

if (DbgkForwardException(ExceptionRecord, TRUE, TRUE))
{
goto Handled2;
}
else if (DbgkForwardException(ExceptionRecord, FALSE, TRUE))
{
goto Handled2;
}
else
{
ZwTerminateThread(NtCurrentThread(), ExceptionRecord->ExceptionCode);
KeBugCheckEx(...);
}
}

Handled1:
KeContextToKframes(TrapFrame, ExceptionFrame, &ContextFrame,
ContextFrame.ContextFlags, PreviousMode);

Handled2:
}

DbgkForwardException函数分别针对DebugException和SecondChance参数的三种组合被调用。DebugException为True时向调试端口发送信息，否则向异常端口发送。

至此，我们对几种常见的调试事件的引发机制就大概有了一个了解，下一节将介绍将这些调试事件和最终用户态调试器关联起来的Win32中调试子系统的实现思路。