APC 篇—— APC 挂入

写在前面

此系列是本人一个字一个字码出来的，包括示例和实验截图。由于系统内核的复杂性，故可能有错误或者不全面的地方，如有错误，欢迎批评指正，本教程将会长期更新。 如有好的建议，欢迎反馈。码字不易，如果本篇文章有帮助你的，如有闲钱，可以打赏支持我的创作。如想转载，请把我的转载信息附在文章后面，并声明我的个人信息和本人博客地址即可，但必须事先通知我。

你如果是从中间插过来看的，请仔细阅读 羽夏看Win系统内核——简述 ，方便学习本教程。

看此教程之前，问几个问题，基础知识储备好了吗？保护模式篇学会了吗？练习做完了吗？没有的话就不要继续了。

🔒 华丽的分割线 🔒

NtReadVirtualMemory 分析

由于是仅仅分析挂靠时该函数是如何备份和恢复APC队列的，为了缩短篇幅增加可读性，我会尽可能使用IDA翻译的伪代码，你的伪代码结果应该和我的不一样，因为我进行了一些重命名操作。我们先定位到NtReadVirtualMemory这个伪代码：

NTSTATUS __stdcall NtReadVirtualMemory(HANDLE ProcessHandle, PVOID BaseAddress, PVOID Buffer, SIZE_T NumberOfBytesToRead, PSIZE_T NumberOfBytesRead)
{
  _KTHREAD *v5; // edi
  PSIZE_T v6; // ebx
  int v8; // [esp+10h] [ebp-28h] BYREF
  PVOID Object; // [esp+14h] [ebp-24h] BYREF
  KPROCESSOR_MODE AccessMode[4]; // [esp+18h] [ebp-20h]
  NTSTATUS v11; // [esp+1Ch] [ebp-1Ch]
  CPPEH_RECORD ms_exc; // [esp+20h] [ebp-18h]

  v5 = KeGetCurrentThread();
  AccessMode[0] = v5->PreviousMode;
  if ( AccessMode[0] )
  {
    if ( BaseAddress + NumberOfBytesToRead < BaseAddress
      || Buffer + NumberOfBytesToRead < Buffer
      || BaseAddress + NumberOfBytesToRead > MmHighestUserAddress
      || Buffer + NumberOfBytesToRead > MmHighestUserAddress )
    {
      return 0xC0000005;
    }
    v6 = NumberOfBytesRead;
    if ( NumberOfBytesRead )
    {
      ms_exc.registration.TryLevel = 0;
      if ( NumberOfBytesRead >= MmUserProbeAddress )
        *MmUserProbeAddress = 0;
      *NumberOfBytesRead = *NumberOfBytesRead;
      ms_exc.registration.TryLevel = -1;
    }
  }
  else
  {
    v6 = NumberOfBytesRead;
  }
  v8 = 0;
  v11 = 0;
  if ( NumberOfBytesToRead )
  {
    v11 = ObReferenceObjectByHandle(ProcessHandle, 0x10u, PsProcessType, AccessMode[0], &Object, 0);
    if ( !v11 )
    {
      v11 = MmCopyVirtualMemory(
              Object,
              BaseAddress,
              v5->ApcState.Process,
              Buffer,
              NumberOfBytesToRead,
              AccessMode[0],
              &v8);
      ObfDereferenceObject(Object);
    }
  }
  if ( v6 )
  {
    *v6 = v8;
    ms_exc.registration.TryLevel = -1;
  }
  return v11;
}

我们可以看到，该函数实现内存拷贝是通过MmCopyVirtualMemory这个函数实现的，我们点击去看看：

NTSTATUS __stdcall MmCopyVirtualMemory(PEX_RUNDOWN_REF RunRef, int a2, PRKPROCESS KPROCESS, volatile void *Address, SIZE_T Length, KPROCESSOR_MODE AccessMode, int a7)
{
  struct _KPROCESS *v8; // ebx
  PRKPROCESS kprocess; // ecx
  NTSTATUS res; // esi
  struct _EX_RUNDOWN_REF *RunRefa; // [esp+8h] [ebp+8h]

  if ( !Length )
    return 0;
  v8 = RunRef;
  kprocess = RunRef;
  if ( RunRef == KeGetCurrentThread()->ApcState.Process )
    kprocess = KPROCESS;
  RunRefa = &kprocess[1].ProfileListHead.Blink;
  if ( !ExAcquireRundownProtection(&kprocess[1].ProfileListHead.Blink) )
    return STATUS_PROCESS_IS_TERMINATING;
  if ( Length <= 0x1FF )
    goto LABEL_10;
  res = MiDoMappedCopy(v8, a2, KPROCESS, Address, Length, AccessMode, a7);
  if ( res == STATUS_WORKING_SET_QUOTA )
  {
    *a7 = 0;
LABEL_10:
    res = MiDoPoolCopy(v8, a2, KPROCESS, Address, Length, AccessMode, a7);
  }
  ExReleaseRundownProtection(RunRefa);
  return res;
}

你可能看到一个新奇的函数ExAcquireRundownProtection，这个函数是申请一个锁，从网上查阅翻译过来是停运保护（RundownProtection）锁，名字怪怪的听起来怪怪的。
这个不涉及我们的核心，我们继续分析，发现它内部又是通过MiDoMappedCopy实现进程内存读取的：

NTSTATUS __stdcall MiDoMappedCopy(PRKPROCESS PROCESS, int a2, PRKPROCESS a3, volatile void *Address, SIZE_T Length, KPROCESSOR_MODE AccessMode, int a7)
{
  // [COLLAPSED LOCAL DECLARATIONS. PRESS KEYPAD CTRL-"+" TO EXPAND]

  v13 = 0;
  v22 = a2;
  v17 = Address;
  v7 = 0xE000;
  if ( Length <= 0xE000 )
    v7 = Length;
  v16 = &MemoryDescriptorList;
  Length_1 = Length;
  v19 = v7;
  v20 = 0;
  v14 = 0;
  v15 = 0;
  while ( Length_1 )
  {
    if ( Length_1 < v19 )
      v19 = Length_1;
    KeStackAttachProcess(PROCESS, &ApcState);
    BaseAddress = 0;
    v12 = 0;
    v11 = 0;
    ms_exc.registration.TryLevel = 0;
    if ( v22 == a2 && AccessMode )
    {
      v20 = 1;
      if ( Length && (a2 + Length < a2 || a2 + Length > MmUserProbeAddress) )
        ExRaiseAccessViolation();
      v20 = 0;
    }
    MemoryDescriptorList.Next = 0;
    MemoryDescriptorList.Size = 4 * (((v22 & 0xFFF) + v19 + 0xFFF) >> 12) + 28;
    MemoryDescriptorList.MdlFlags = 0;
    MemoryDescriptorList.StartVa = (v22 & 0xFFFFF000);
    MemoryDescriptorList.ByteOffset = v22 & 0xFFF;
    MemoryDescriptorList.ByteCount = v19;
    MmProbeAndLockPages(&MemoryDescriptorList, AccessMode, IoReadAccess);
    v12 = 1;
    BaseAddress = MmMapLockedPagesSpecifyCache(&MemoryDescriptorList, 0, MmCached, 0, 0, 0x20u);
    if ( !BaseAddress )
    {
      v13 = 1;
      ExRaiseStatus(STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES);
    }
    KeUnstackDetachProcess(&ApcState);
    KeStackAttachProcess(a3, &ApcState);
    if ( v22 == a2 )
    {
      if ( AccessMode )
      {
        v20 = 1;
        ProbeForWrite(Address, Length, 1u);
        v20 = 0;
      }
    }
    v11 = 1;
    qmemcpy(v17, BaseAddress, v19);
    ms_exc.registration.TryLevel = -1;
    KeUnstackDetachProcess(&ApcState);
    MmUnmapLockedPages(BaseAddress, &MemoryDescriptorList);
    MmUnlockPages(&MemoryDescriptorList);
    Length_1 -= v19;
    v22 += v19;
    v17 += v19;
  }
  *a7 = Length;
  return STATUS_SUCCESS;
}

经过分析，发现与APC备份恢复的都是在进程挂靠相关函数上：KeStackAttachProcess和KeUnstackDetachProcess。我们先看看KeStackAttachProcess：

void __stdcall KeStackAttachProcess(PRKPROCESS PROCESS, PRKAPC_STATE ApcState)
{
  _KTHREAD *CurrentThread; // esi
  char PROCESSa; // [esp+10h] [ebp+8h]

  CurrentThread = KeGetCurrentThread();
  if ( KeGetPcr()->PrcbData.DpcRoutineActive )
    KeBugCheckEx(
      5u,
      PROCESS,
      CurrentThread->ApcState.Process,
      CurrentThread->ApcStateIndex,
      KeGetPcr()->PrcbData.DpcRoutineActive);
  if ( CurrentThread->ApcState.Process == PROCESS )
  {
    ApcState->Process = 1;
  }
  else
  {
    PROCESSa = KeRaiseIrqlToDpcLevel();
    if ( CurrentThread->ApcStateIndex )
    {
      KiAttachProcess(CurrentThread, PROCESS, PROCESSa, ApcState);
    }
    else
    {
      KiAttachProcess(CurrentThread, PROCESS, PROCESSa, &CurrentThread->SavedApcState);
      ApcState->Process = 0;
    }
  }
}

重点我们来看看ApcStateIndex，上一篇我们讲过，当正常状态为0，挂靠状态为1.也就是说，他将会走如下代码：

KiAttachProcess(CurrentThread, PROCESS, PROCESSa, ApcState);

点击去看看里面有啥代码：

void __stdcall KiAttachProcess(_KTHREAD *thread, PRKPROCESS Process, KIRQL irql, PRKAPC_STATE ApcState)
{
  // [COLLAPSED LOCAL DECLARATIONS. PRESS KEYPAD CTRL-"+" TO EXPAND]

  ++Process->StackCount;
  KiMoveApcState(&thread->ApcState, ApcState);
  InitializeListHead(thread->ApcState.ApcListHead);
  InitializeListHead(&thread->ApcState.ApcListHead[1]);
  thread->ApcState.Process = Process;
  thread->ApcState.KernelApcInProgress = 0;
  thread->ApcState.KernelApcPending = 0;
  thread->ApcState.UserApcPending = 0;
  if ( ApcState == &thread->SavedApcState )
  {
    thread->ApcStatePointer[0] = &thread->SavedApcState;
    thread->ApcStatePointer[1] = &thread->ApcState;
    thread->ApcStateIndex = 1;
  }
  if ( Process->State )
  {
    thread->State = 1;
    thread->ProcessReadyQueue = 1;
    v9 = Process->ReadyListHead.Blink;
    thread->WaitListEntry.Flink = &Process->ReadyListHead;
    thread->WaitListEntry.Blink = v9;
    v9->Flink = &thread->WaitListEntry;
    Process->ReadyListHead.Blink = &thread->WaitListEntry;
    if ( Process->State == 1 )
    {
      Process->State = 2;
      v10 = KiProcessInSwapListHead;
      v11 = &Process->SwapListEntry;
      Processa = &Process->SwapListEntry;
      ApcStatea = KiProcessInSwapListHead;
      do
      {
        v11->Next = v10;
        v12 = v10;
        v10 = ApcStatea;
        _ECX = &KiProcessInSwapListHead;
        _EDX = Processa;
        __asm { cmpxchg [ecx], edx }
      }
      while ( ApcStatea != v12 );
      KiSetSwapEvent();
    }
    thread->WaitIrql = irql;
    KiSwapThread();
  }
  else
  {
    v4 = &Process->ReadyListHead;
    while ( 1 )
    {
      v8 = v4->Flink;
      if ( v4->Flink == v4 )
        break;
      v5 = v8->Flink;
      v6 = v8 - 12;
      v7 = v8->Blink;
      v7->Flink = v5;
      v5->Blink = v7;
      BYTE1(v6[37].Flink) = 0;
      KiReadyThread(v6);
    }
    KiSwapProcess(Process, ApcState->Process);
    KiUnlockDispatcherDatabase(irql);
  }
}

我们就可以看到里面与APC备份相关操作了：

if ( ApcState == &thread->SavedApcState )
  {
    thread->ApcStatePointer[0] = &thread->SavedApcState;
    thread->ApcStatePointer[1] = &thread->ApcState;
    thread->ApcStateIndex = 1;
  }

我们再来看看KeUnstackDetachProcess这个函数：

void __stdcall KeUnstackDetachProcess(PRKAPC_STATE ApcState)
{
  PRKAPC_STATE v1; // ebx
  _KTHREAD *CurrentThread; // esi
  _KPROCESS *CurrentProcess; // edi
  int v4; // eax
  int v7; // ecx
  _KAPC_STATE *v8; // [esp-Ch] [ebp-20h]
  int v9; // [esp+4h] [ebp-10h]
  int v10; // [esp+Ch] [ebp-8h]
  signed __int8 v11; // [esp+13h] [ebp-1h]

  v1 = ApcState;
  if ( ApcState->Process != 1 )
  {
    CurrentThread = KeGetCurrentThread();
    v11 = KeRaiseIrqlToDpcLevel();
    if ( !CurrentThread->ApcStateIndex
      || CurrentThread->ApcState.KernelApcInProgress
      || CurrentThread->ApcState.ApcListHead[0].Flink != &CurrentThread->ApcState
      || CurrentThread->ApcState.ApcListHead[1].Flink != &CurrentThread->ApcState.ApcListHead[1] )
    {
      KeBugCheck(6u);
    }
    CurrentProcess = CurrentThread->ApcState.Process;
    if ( !--CurrentProcess->StackCount && CurrentProcess->ThreadListHead.Flink != &CurrentProcess->ThreadListHead )
    {
      CurrentProcess->State = 3;
      v4 = KiProcessOutSwapListHead;
      v10 = KiProcessOutSwapListHead;
      do
      {
        CurrentProcess->SwapListEntry.Next = v4;
        v9 = v4;
        v4 = v10;
        _ECX = &KiProcessOutSwapListHead;
        _EDX = &CurrentProcess->SwapListEntry;
        __asm { cmpxchg [ecx], edx }
      }
      while ( v10 != v9 );
      KiSetSwapEvent();
      v1 = ApcState;
    }
    v8 = &CurrentThread->ApcState;
    if ( v1->Process )
    {
      KiMoveApcState(v1, v8);
    }
    else
    {
      KiMoveApcState(&CurrentThread->SavedApcState, v8);
      CurrentThread->SavedApcState.Process = 0;
      CurrentThread->ApcStatePointer[0] = &CurrentThread->ApcState;
      CurrentThread->ApcStatePointer[1] = &CurrentThread->SavedApcState;
      CurrentThread->ApcStateIndex = 0;
    }
    if ( CurrentThread->ApcState.ApcListHead[0].Flink != &CurrentThread->ApcState )
    {
      LOBYTE(v7) = 1;
      CurrentThread->ApcState.KernelApcPending = 1;
      HalRequestSoftwareInterrupt(v7);
    }
    KiSwapProcess(CurrentThread->ApcState.Process, CurrentProcess);
    KiUnlockDispatcherDatabase(v11);
  }
}

我们很快找到了与APC恢复相关的代码：

if ( v1->Process )
   {
     KiMoveApcState(v1, v8);
   }
   else
   {
     KiMoveApcState(&CurrentThread->SavedApcState, v8);
     CurrentThread->SavedApcState.Process = 0;
     CurrentThread->ApcStatePointer[0] = &CurrentThread->ApcState;
     CurrentThread->ApcStatePointer[1] = &CurrentThread->SavedApcState;
     CurrentThread->ApcStateIndex = 0;
   }

分析至此，本题就结束了。

QueueUserAPC 引发的血案

还记着 APC 篇——备用 APC 队列 提供的第一题的参考代码中的一行注释了吗？

DWORD WINAPI ThreadProc(VOID* Param)
{
    for (int i =0 ;i<100;i++)
    {
        SleepEx(1000,TRUE); //思考为什么？
        //Sleep(1000);
        printf("Running\n");
    }
    return 0;
}

为什么我用SleepEx函数而不是用Sleep吗？你思考这个问题了吗？我们来看看下面几个图：
我们将SleepEx函数用Sleep替换，并注释掉主函数的Sleep看看效果：

APC正常被执行，接下来我们去掉注释掉主函数的Sleep，继续运行看看：

这次竟然发现APC没有执行，到底是为什么呢？我们改回原答案，就可以正常执行APC了，也就是我在参考中给的效果图：

原因将会在本篇后部分进行揭晓。

KAPC

无论是正常状态还是挂靠状态，都有两个APC队列，一个内核队列，一个用户队列。每当要挂入一个APC函数时，不管是内核APC还是用户APC，内核都要准备一个KAPC的数据结构，并且将这个KAPC结构挂到相应的APC队列中。现在我们看看KAPC的结构：

kd> dt _KAPC
ntdll!_KAPC
   +0x000 Type             : Int2B
   +0x002 Size             : Int2B
   +0x004 Spare0           : Uint4B
   +0x008 Thread           : Ptr32 _KTHREAD
   +0x00c ApcListEntry     : _LIST_ENTRY
   +0x014 KernelRoutine    : Ptr32     void 
   +0x018 RundownRoutine   : Ptr32     void 
   +0x01c NormalRoutine    : Ptr32     void 
   +0x020 NormalContext    : Ptr32 Void
   +0x024 SystemArgument1  : Ptr32 Void
   +0x028 SystemArgument2  : Ptr32 Void
   +0x02c ApcStateIndex    : Char
   +0x02d ApcMode          : Char
   +0x02e Inserted         : UChar

Type

指明结构体的类型，APC类型为0x12。

Size

该结构体的大小，值为0x30。

Thread

指向目标线程的线程结构体的指针，因为任何一个APC都是让目标线程进行完成。

ApcListEntry

APC队列挂的位置。

KernelRoutine

指向一个函数，调用ExFreePoolWithTag释放APC。

NormalRoutine

存储着用户APC总入口或真正的内核APC函数地址，里面具体的细节将会在后面的文章进行介绍。

NormalContext

当为内核APC，该成员存储着NULL；如果为用户APC，则为真正的APC函数。

SystemArgument1

APC函数的参数。

SystemArgument2

APC函数的参数。

ApcStateIndex

挂哪个队列，有四个值：0、1、2、3，里面的细节将在后面进行介绍。

ApcMode

指示该APC是内核APC还是用户APC。

Inserted

表示本APC是否已挂入队列。挂入前值为0，挂入后值为1。

挂入流程

为了方便理解，我们先撸一下函数大体调用流程：

graph TD QueueUserAPC--用户层调用--> NtQueueApcThread -.->KeInitializeApc -.->KeInsertQueueApc-.->KiInsertQueueApc

其中QueueUserAPC这个函数位于kernel32.dll，它会调用内核模块的NtQueueApcThread进行实现，经历过重重调用，使用KeInitializeApc为APC结构体分配内存并进行初始化，调用KeInsertQueueApc进行插入到指定队列，而插入最终由KiInsertQueueApc实现。

KeInitializeApc 函数说明

为了做好本篇练习，我们先过一下KeInitializeApc的相关说明：

VOID KeInitializeApc
(
    IN PKAPC Apc,   //KAPC 指针
    IN PKTHREAD Thread, //目标线程
    IN KAPC_ENVIRONMENT TargetEnvironment,  //四种状态
    IN PKKERNEL_ROUTINE KernelRoutine,  //销毁 KAPC 的函数地址
    IN PKRUNDOWN_ROUTINE RundownRoutine OPTIONAL,
    IN PKNORMAL_ROUTINE NormalRoutine,  //用户 APC 总入口或者内核 APC 函数
    IN KPROCESSOR_MODE Mode,//要插入用户 APC 队列还是内核 APC 队列
    IN PVOID Context//内核APC：NULL，用户APC：真正的APC函数
)

ApcStateIndex 详解

该成员与KTHREAD + 0x165偏移处的属性同名，但含义不一样。该ApcStateIndex有四个值，如下面表格所示：

值	含义
0	原始环境
1	挂靠环境
2	当前环境
3	插入APC时的当前环境

前两个值挺好理解，当值为0时，就是指线程的“亲生父母”；如果值为1时，就是指自己的“养父母”。后面的两个值比较绕，下面将会详细解释一下：

上一篇我们说过，线程在正常情况下ApcStatePointer[0]指向ApcState，ApcStatePointer[1]指向SavedApcState；而在挂靠情况下ApcStatePointer[0]指向SavedApcState，ApcStatePointer[1]指向ApcState。当值为2的时候，插入的是当前进程的队列。什么是当前队列，是我不管你环境是挂靠还是不挂靠，我就插入当前进程的APC队列里面，以初始化APC的时候为基准。还剩下最玄学的一个值，当值为3时，插入的是当前进程的APC队列，此时有修复ApcStateIndex的操作，以插入APC的时候为基准。

KiInsertQueueApc 调用流程

为了降低本篇思考题难度，我把该函数的调用流程说一下：

根据KAPC结构中的ApcStateIndex找到对应的APC队列
再根据KAPC结构中的ApcMode确定是用户队列还是内核队列
将KAPC挂到对应的队列中（挂到KAPC的ApcListEntry处）
再根据KAPC结构中的Inserted置1，标识当前的KAPC为已插入状态
修改KAPC_STATE结构中的KernelApcPending/UserApcPending

Alertable 详解

Alertable属性位于KTHREAD当中，如下所示：

kd> dt _KTHREAD
ntdll!_KTHREAD
   ...
   +0x164 Alertable        : UChar
   ...

我们可以发现很多与线程相关的结尾带Ex的函数的参数都会有一个bAlertable，举例如下：

DWORD SleepEx(
  DWORD dwMilliseconds, // time-out interval
  BOOL bAlertable        // early completion option
);
DWORD WaitForSingleObjectEx(
  HANDLE hHandle,       // handle to object
  DWORD dwMilliseconds, // time-out interval
  BOOL bAlertable       // alertable option
);

该值指示线程是否运行被APC吵醒，我们开头说QueueUserAPC 引发的血案解决办法就是由该属性捣的鬼。当该属性为0时，当前插入的用户APC函数未必有机会执当UserApcPending = 0时就会无法执行插入的APC，如果Alertable = 1 ，就会使UserApcPending = 1，从而将目标线程唤醒，从等待链表中被摘出来，并挂到调度链表当中执行。

本节练习

本节的答案将会在下一节进行讲解，务必把本节练习做完后看下一个讲解内容。不要偷懒，实验是学习本教程的捷径。

俗话说得好，光说不练假把式，如下是本节相关的练习。如果练习没做好，就不要看下一节教程了，越到后面，不做练习的话容易夹生了，开始还明白，后来就真的一点都不明白了。本节练习不多，请保质保量的完成，本篇参考将会在正文给出。

1️⃣ 逆向分析QueueUserAPC完整的调用流程。
2️⃣ 如果在一个无法被唤醒的线程插入一个APC，然后紧接又插入一个，如果设置线程可被唤醒，那么它会执行几个APC呢？请用代码论证。

APC 篇—— APC 执行

posted @ 2022-01-28 16:28 寂静的羽夏阅读(984) 评论(0) 编辑收藏举报

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