了解进程中的内存结构

了解进程中的内存结构
2010年10月08日
　　接触过编程的人都知道，高级语言都能通过变量名来访问内存中的数据。那么这些变量在内存中是如何存放的呢?程序又是如何使用这些变量的呢?下面就会对此进行深入的讨论。下文中的C语言代码如没有特别声明，默认都使用VC编译的release版。
　　　　首先，来了解一下 C 语言的变量是如何在内存分部的。C 语言有全局变量(Global)、本地变量(Local)，静态变量(Static)、寄存器变量(Regeister)。每种变量都有不同的分配方式。先来看下面这段代码：
　　　　#include
　　　　int g1=0, g2=0, g3=0;
　　　　int main()
　　　　{
　　　　static int s1=0, s2=0, s3=0;
　　　　int v1=0, v2=0, v3=0;
　　　　//打印出各个变量的内存地址
　　　　printf("0x%08x\n",&v1); //打印各本地变量的内存地址
　　　　printf("0x%08x\n",&v2);
　　　　printf("0x%08x\n\n",&v3);
　　　　printf("0x%08x\n",&g1); //打印各全局变量的内存地址
　　　　printf("0x%08x\n",&g2);
　　　　printf("0x%08x\n\n",&g3);
　　　　printf("0x%08x\n",&s1); //打印各静态变量的内存地址
　　　　printf("0x%08x\n",&s2);
　　　　printf("0x%08x\n\n",&s3);
　　　　return 0;
　　　　}
　　　　编译后的执行结果是：
　　　　0x0012ff78
　　　　0x0012ff7c
　　　　0x0012ff80
　　　　0x004068d0
　　　　0x004068d4
　　　　0x004068d8
　　　　0x004068dc
　　　　0x004068e0
　　　　0x004068e4
　　　　输出的结果就是变量的内存地址。其中v1,v2,v3是本地变量，g1,g2,g3是全局变量，s1,s2,s3是静态变量。你可以看到这些变量在内存是连续分布的，但是本地变量和全局变量分配的内存地址差了十万八千里，而全局变量和静态变量分配的内存是连续的。这是因为本地变量和全局/静态变量是分配在不同类型的内存区域中的结果。对于一个进程的内存空间而言，可以在逻辑上分成3个部份：代码区，静态数据区和动态数据区。动态数据区一般就是“堆栈”。“栈(stack)”和“堆(heap)”是两种不同的动态数据区，栈是一种线性结构，堆是一种链式结构。进程的每个线程都有私有的“栈”，所以每个线程虽然代码一样，但本地变量的数据都是互不干扰。一个堆栈可以通过“基地址”和“栈顶”地址来描述。全局变量和静态变量分配在静态数据区，本地变量分配在动态数据区，即堆栈中。程序通过堆栈的基地址和偏移量来访问本地变量。
　　　　├―――――――┤低端内存区域
　　　　│ …… │
　　　　├―――――――┤
　　　　│ 动态数据区 │
　　　　├―――――――┤
　　　　│ …… │
　　　　├―――――――┤
　　　　│ 代码区 │
　　　　├―――――――┤
　　　　│ 静态数据区 │
　　　　├―――――――┤
　　　　│ …… │
　　　　├―――――――┤高端内存区域
　　　　堆栈是一个先进后出的数据结构，栈顶地址总是小于等于栈的基地址。我们可以先了解一下函数调用的过程，以便对堆栈在程序中的作用有更深入的了解。不同的语言有不同的函数调用规定，这些因素有参数的压入规则和堆栈的平衡。windows API的调用规则和ANSI C的函数调用规则是不一样的，前者由被调函数调整堆栈，后者由调用者调整堆栈。两者通过“__stdcall”和“__cdecl”前缀区分。先看下面这段代码：
　　　　#include
　　　　void __stdcall func(int param1,int param2,int param3)
　　　　{
　　　　int var1=param1;
　　　　int var2=param2;
　　　　int var3=param3;
　　　　printf("0x%08x\n",¶m1); //打印出各个变量的内存地址
　　　　printf("0x%08x\n",¶m2);
　　　　printf("0x%08x\n\n",¶m3);
　　　　printf("0x%08x\n",&var1);
　　　　printf("0x%08x\n",&var2);
　　　　printf("0x%08x\n\n",&var3);
　　　　return;
　　　　}
　　　　int main()
　　　　{
　　　　func(1,2,3);
　　　　return 0;
　　　　}
　　编译后的执行结果是：
　　　　0x0012ff78
　　　　0x0012ff7c
　　　　0x0012ff80
　　　　0x0012ff68
　　　　0x0012ff6c
　　　　0x0012ff70
　　　　├―――――――┤内存区域
　　　　│ …… │
　　　　├―――――――┤
　　　　│ var 1 │
　　　　├―――――――┤
　　　　│ var 2 │
　　　　├―――――――┤
　　　　│ var 3 │
　　　　├―――――――┤
　　　　│ RET │
　　　　├―――――――┤内存区域
　　　　上图就是函数调用过程中堆栈的样子了。首先，三个参数以从又到左的次序压入堆栈，先压“param3”，再压“param2”，最后压入“param1”;然后压入函数的返回地址(RET)，接着跳转到函数地址接着执行(这里要补充一点，介绍UNIX下的缓冲溢出原理的文章中都提到在压入RET后，继续压入当前EBP，然后用当前ESP代替EBP。然而，有一篇介绍windows下函数调用的文章中说，在windows下的函数调用也有这一步骤，但根据我的实际调试，并未发现这一步，这还可以从param3和var1之间只有4字节的间隙这点看出来);第三步，将栈顶(ESP)减去一个数，为本地变量分配内存空间，上例中是减去12字节(ESP=ESP-3*4，每个int变量占用4个字节);接着就初始化本地变量的内存空间。由于“__stdcall”调用由被调函数调整堆栈，所以在函数返回前要恢复堆栈，先回收本地变量占用的内存(ESP=ESP+3*4)，然后取出返回地址，填入EIP寄存器，回收先前压入参数占用的内存(ESP=ESP+3*4)，继续执行调用者的代码。参见下列汇编代码：
　　　　;--------------func 函数的汇编代码-------------------
　　　　:00401000 83EC0C sub esp, 0000000C //创建本地变量的内存空间
　　　　:00401003 8B442410 mov eax, dword ptr [esp+10]
　　　　:00401007 8B4C2414 mov ecx, dword ptr [esp+14]
　　　　:0040100B 8B542418 mov edx, dword ptr [esp+18]
　　　　:0040100F 89442400 mov dword ptr [esp], eax
　　　　:00401013 8D442410 lea eax, dword ptr [esp+10]
　　　　:00401017 894C2404 mov dword ptr [esp+04], ecx
　　　　……………………(省略若干代码)
　　　　:00401075 83C43C add esp, 0000003C ;恢复堆栈，回收本地变量的内存空间
　　　　:00401078 C3 ret 000C ;函数返回，恢复参数占用的内存空间
　　　　;如果是“__cdecl”的话，这里是“ret”，堆栈将由调用者恢复
　　　　;-------------------函数结束-------------------------
　　　　;--------------主程序调用func函数的代码--------------
　　　　:00401080 6A03 push 00000003 //压入参数param3
　　　　:00401082 6A02 push 00000002 //压入参数param2
　　　　:00401084 6A01 push 00000001 //压入参数param1
　　　　:00401086 E875FFFFFF call 00401000 //调用func函数
　　　　;如果是“__cdecl”的话，将在这里恢复堆栈，“add esp, 0000000C”
　　　　聪明的读者看到这里，差不多就明白缓冲溢出的原理了。先来看下面的代码：
　　　　#include
　　　　#include
　　　　void __stdcall func()
　　　　{
　　　　char lpBuff[8]="\0";
　　　　strcat(lpBuff,"AAAAAAAAAAA");
　　　　return;
　　　　}
　　　　int main()
　　　　{
　　　　func();
　　　　return 0;
　　　　}
　　　　编译后执行一下回怎么样?哈，“"0x00414141"指令引用的"0x00000000"内存。该内存不能为"read"。”，“非法操作”喽!"41"就是"A"的16进制的ASCII码了，那明显就是strcat这句出的问题了。"lpBuff"的大小只有8字节，算进结尾的’\0’，那strcat最多只能写入7个"A"，但程序实际写入了11个"A"外加1个’\0’。再来看看上面那幅图，多出来的4个字节正好覆盖了RET的所在的内存空间，导致函数返回到一个错误的内存地址，执行了错误的指令。如果能精心构造这个字符串，使它分成三部分，前一部份仅仅是填充的无意义数据以达到溢出的目的，接着是一个覆盖RET的数据，紧接着是一段shellcode，那只要着个RET地址能指向这段shellcode的第一个指令，那函数返回时就能执行shellcode了。但是软件的不同版本和不同的运行环境都可能影响这段shellcode在内存中的位置，那么要构造这个RET是十分困难的。一般都在RET和shellcode之间填充大量的NOP指令，使得exploit有更强的通用性。
　　　　├―――――――┤内存区域
　　　　│ …… │
　　　　├―――――――┤内存区域