调试实战 —— dll 加载失败之全局变量初始化篇
调试实战 —— dll 加载失败之全局变量初始化篇
前言
最近项目里总是遇到 dll
加载不上的问题,原因各种各样。今天先总结一个虽然不是项目中实际遇到的问题,但是却非常经典的问题。其它几种问题,后续慢慢总结。
示例代码包含一个 exe
工程,两个 dll
工程。 exe
会加载两个 dll
并调用它们的导出函数(GetCallCount
),结果只有一个 dll
的导出函数被成功调用。会是什么原因呢?
现象
运行效果如下图:
![run_result run_result](./images/run_result.png)
通过 dumpbin
已经确认两个 dll
都有名为 GetCallCount
的函数。但是只有一个调用成功了,另外一个却调用失败。
![dumpbin-exports dumpbin-exports](./images/dumpbin-exports.png)
使用 process explorer
观察 dll
加载情况,发现只加载了一个 dll
,没发现另外一个 dll
。
![loaded_dll loaded_dll](./images/loaded_dll.png)
对于这个问题,如果我们使用 process monitor
观察整个加载过程,看到的都是 Success
。如下图:
![procmon-trace procmon-trace](./images/procmon-trace.png)
说明,加载正常,在本地找到了这个文件,并正确的映射到内存空间中了。但为什么在进程中观察不到这个 dll
呢?是时候上调试器了。
上调试器
直接在 vs
中按 F5
启动,果然中断到 vs
中了。
![exception-and-call-stack exception-and-call-stack](./images/exception-and-call-stack.png)
从上图右侧部分,我们可以看到完整的调用栈。
这里简单介绍下相关代码。在 GlobalVariableInitializeOrder.cpp
的第 15
行调用了 HMODULE hDll2 = LoadLibraryA("GlobalVariableInitializeOrderDll2.dll");
加载对应的模块。
Common\Test2.cpp
的第 10
行定义了全局变量 CTest2 g_t2;
(在 dll
中),问题就出在这个全局变量的初始化代码中。
从上图左侧部分,我们可以得知错误代码是 0xc0000005
,内存访问异常。访问的地址是 0x00000004
,对应的指令位置是 0x001EA6DB
。
![invalid-eax invalid-eax](./images/invalid-eax.png)
从上图中的反汇编看,确实是挂在了 001EA6DB mov eax,dword ptr [eax]
。因为 eax
的值是 4
,我们需要查明 eax
为什么的值是 4
。相信很多小伙伴都知道,eax
用来保存函数调用的返回值。我们可以把注意力集中到 0x001EA6D6
处的 call
指令了,调用的是成员函数 _Root()
。
查看 vs
提供的源码,如下:
_Nodeptr& _Root() const
{ // return root of nonmutable tree
return (this->_Parent(this->_Myhead));
}
我们可以发现 _Root()
内部简单的调用了 _Parent()
函数,并把 this->_Myhead
当作参数传递过去了。再查看下 _Parent()
函数的源码,如下:
static _Nodepref _Parent(_Nodeptr _Pnode)
{ // return reference to parent pointer in node
return ((_Nodepref)_Pnode->_Parent);
}
务必注意: _Parent()
的返回值类型是 _Nodepref
,返回的是引用(最后三个字母 ref
已经说明了一切)!相当于返回的是 _Pnode->_Parent
的地址!我们可以查看 _Nodepref
的定义:typedef _Nodeptr& _Nodepref;
。
所以 _Root()
函数相当于 &(this->_Myhead->_Parent)
。我们来观察下 this
各个成员的值。
![watch-this-value watch-this-value](./images/watch-this-value.png)
可以看到 _Myhead
的值是 0
,类型是 std::_Tree_node<...>
。
我们再看下 _Tree_node
的定义:
template<class _Value_type, class _Voidptr>
struct _Tree_node
{
_Voidptr _Left; // offset: 0x0
_Voidptr _Parent; // offset: 0x4
_Voidptr _Right; // offset: 0x8
char _Color; // offset: 0xC
char _Isnil; // offset: 0xD
_Value_type _Myval; // offset: 0x10
private:
_Tree_node& operator=(const _Tree_node&);
};
从 _Tree_node
的定义可知, _Parent
的偏移是 4
(因为是 32
位的程序,如果是 64
位,那么是 8
)。
综上,地址 001EA6D6
处的 call
指令反回了 4
。接下来的两条指令是把返回值赋给局部变量 _Nodeptr _Pnode
。但是在执行第一条汇编指令 mov eax,dword ptr [eax]
时就挂了,因为 eax
的值是 4
,正常情况下访问 0x00000004
处的值当然会挂掉了。
至此,我们知道了崩溃的直接原因——访问非法地址。但是根本原因是什么呢?为什么 _Myhead
是 0
呢? 我猜测是因为 map
还没有初始化。但是该如何证实这个猜测呢?
继续深入
CTest2
的构造函数里调用的是 CTest1::GetMap()
,GetMap()
内部会返回 CTest1
的静态变量 static std::map<std::string, std::string> s_manager;
的引用。
如果能证明在 CTest2::g_t2
初始化时,CTest1::s_manager
还没初始化,那么我们就证实了我们的猜测。
我想到两个办法:
- 在
map
的构造函数中输出一条日志。在调用g_t2
的构造函数时,查看是否有我们在map
中新加的日志。 - 明确每个全局变量的初始化顺序。
第一种方法比较简单,直接修改 vs
提供的源码即可,注意修改只读属性。本文以第 2
种方法为例展开。
全局变量初始化简介
本小节根据上面的调用栈简单的介绍全局变量的初始化过程(只介绍我们关心的部分)。
不知道各位小伙伴儿是否记得上面的调用栈。切换到 8
号栈帧,如下图:
![__DllMainCRTStartup-call-_CRT_INIT __DllMainCRTStartup-call-_CRT_INIT](./images/__DllMainCRTStartup-call-_CRT_INIT.png)
可以发现,在 __DllMainCRTStartup()
函数中,当 dwReason == DLL_PROCESS_ATTACH
或者 dwReason == DLL_THREAD_ATTACH
的时候,会调用 _CRT_INIT()
函数。_CRT_INIT()
会执行运行时库的初始化相关功能,比如,初始化全局变量。然后才会调用用户提供的 DllMain()
函数。
继续切换到 7
号栈帧,如下图:
![crt_init crt_init](./images/crt_init.png)
通过注释可知,_initterm()
是在调用 C++ constructors
。
我们继续切换到 6
号栈帧,如下图:
![_initterm _initterm](./images/_initterm.png)
根据注释猜测,应该是在依次调用每个全局变量的初始化函数。pfbegin
指向了保存全局变量初始化函数的表格的起始位置,pfend
指向最后一个有效位置的下一个位置,跟标准库中的容器多么相似啊。如果 *pfbegin
的值不为 0
,说明表格对应的位置有有效的初始化函数,需要调用,否则就跳过。
在 vs
中,我们想遍历出这个表格的内容有些费劲。是时候请 windbg
出场了。
windbg 出场
在使用 windbg
之前一定要设置好符号路径,否则很多内容看不到。
使用 windbg
打开要运行的程序,在命令窗口输入 bm GlobalVariableInitializeOrderDll2!_CRT_INIT
,埋伏好断点后执行 g
命令继续运行。
![set-breakpoint-by-bm set-breakpoint-by-bm](./images/set-breakpoint-by-bm.png)
很快,就中断到我们设置好的断点处了。在调用 _initterm()
的地方设置好断点,执行 g
命令(也可以和 vs
一样按 F5
),断下来后,单步进入 _initterm()
函数,执行 dv
查看局部变量。
![single-step-to-initterm single-step-to-initterm](./images/single-step-to-initterm.png)
从输出结果可知,pfbegin = 0x001f6000
,pfend = 0x001f6250
。然后我们就可以用强悍的 dps
来查看pfbegin
和 pfend
之间的内容了。在命令窗口执行,dps 0x001f6000 0x001f6250
。因为有很多空项,这里只截取中间部分。
![dps-0x001f6000-0x001f6250 dps-0x001f6000-0x001f6250](./images/dll2-dps-0x001f6000-0x001f6250.png)
我们可以很明显的看到,g_t2
的构造函数在前,s_manager
的构造函数在后。
至此,已经证实了我们之前的猜想。
对比强化
因为工程 GlobalVariableInitializeOrderDll1
和工程 GlobalVariableInitializeOrderDll2
代码一模一样,只有一点点的不同,就是这一点不同导致了一个 dll
可以正常使用,另外一个却不能正常使用。
我们可以用相同的手法观察 GlobalVariableInitializeOrderDll1.dll
的初始化过程。
在命令窗口输入 bm GlobalVariableInitializeOrderDll1!_CRT_INIT;g
,埋伏好断点后运行起来。再次中断后,使用相同的办法进入_initterm()
函数,通过 dv
命令得到 pfbegin = 0x10026000
和 pfend = 0x10026250
的值,然后执行 dps 0x10026000 0x10026250
,如下图(同样有很多空项,只截取了中间部分):
![dps-0x001f6000-0x001f6250 dps-0x001f6000-0x001f6250](./images/dll1-dps-0x10026000-0x10026250.png)
我们发现,s_manager
的构造函数在前,g_t2
的构造函数在后。
修复
我们应该从根本上消除对全局变量的依赖,只需要把 s_manager
放到 GetMap()
中就可以了。
static std::map<std::string, std::string>& GetMap()
{
static std::map<std::string, std::string> s_manager;
return s_manager;
}
但有时候,由于各种各样的原因,我们不能消除这种依赖。我们还可以调整全局变量的初始化顺序。只要有办法让 g_t2
在 s_manager
之后再初始化就可以了。对比两个 dll
工程文件,我们发现有一处关键的不同点。
![difference-of-project1-2 difference-of-project1-2](./images/difference-of-project1-2.png)
在能正常加载的 dll
对应的工程中, Test1.cpp, Test2.cpp
出现的顺序是 Test1.cpp, Test2.cpp
,在不能正常加载的 dll
对应的工程中,出现的顺序是 Test2.cpp, Test1.cpp
。调整 dll2.vcxproj
中的文件顺序和 dll1.vcxproj
一样,再次编译运行,一切顺利。
![success success](./images/success.png)
动手实战
强烈建议你也动手实战一番,毕竟纸上来的终觉浅。如果你也想动手实战,可以下载完整的工程文件,使用 vs2013
编译运行即可。如果没装 vs2013
,也可以手动改成其它版本的 vs
。
完整的测试工程下载链接:
百度云 链接: https://pan.baidu.com/s/1gW1dZsNYZoo0s_rfaO2Jzg 提取码: 7irh
CSDN 链接:https://download.csdn.net/download/xiaoyanilw/12405380
总结
-
永远不要让一个全局变量依赖另外一个全局变量。
-
全局变量是在
DllMain
或者main
函数执行前进行初始化的。 -
在
32
位程序中,一般使用eax
保存函数的返回值。 -
dps
命令可以按地址遍历给定范围的内容。 -
dv
命令可以查看局部变量和参数。
参考资料
如果有小伙伴儿对全局变量初始化感兴趣,可以参考以下几篇文档: