Windows进程和线程and线程局部存储TLS---notes

2023-12-27 16:18:10

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线程局部存储

线程局部存储（Thread Local Storage， TLS）技术，实现了线程内部变量的存储访问，在该技术下定义的变量能被同一个线程内部的各个函数所调用，同时，杜绝了其他线程对这些变量的访问。

Windows进程和线程

什么是进程和线程

应用程序由一个或多个进程组成。用简单的术语来讲，进程是系统分配资源的最小单位，是一个执行程序。一个或多个线程在进程的上下文中运行。线程是操作系统分配处理器时间的基本单元。线程可以执行进程代码的任何部分，包括当前由另一个线程执行的部件。

每个进程都提供执行程序所需的资源。进程具有虚拟地址空间、可执行代码、系统对象的开放句柄、安全上下文、唯一进程标识符、环境变量、优先级类、最小和最大工作集大小以及至少一个执行线程。每个进程都使用单个线程（通常称为主线程）启动，但可以从其任何线程创建其他线程。

线程是进程内可计划执行的实体。进程的所有线程共享其虚拟地址空间和系统资源。

进程和线程的创建

内核模式下

在内核中一个进程的创建是从函数 NtCreatProcess开始的。该函数位于文件ntoskrnl.exe中，该文件位于%windir%\system32。它对用户传入的部分参数进行简单处理，然后交给函数 NtCreateProcessEx，其创建进程的步骤大致如下：

  1. 调用函数 ObCreatObject（内核的导出函数）创建Windows执行体内核对象EPROCESS，该对象为新进程的进程对象；该对象归系统所有，并由系统统一管理。
  2. 获取内存区对象的指针，根据传入的端口参数初始化新进程对象的相应字段。
  3. 如果父进程不为空，则创建一个全新的地址空间。
  4. 调用函数对新进场对象的基本优先级，访问权限，地址空间等进行初始化，并将映像映射到地址空间；加载Ntdll.dll。
  5. 调用函数 ExCreateHandle 在CID句柄表中创建一个进程ID项。CID是客户身份号，一般由进程号和线程号俩部分组成，用于识别某个进程。
  6. 审计本次创建欣慰，并构造PEB，将新进程加入全局进程链表PsActiveProcessHead中。
  7. 调用函数 ObInsertObject 将进程对象插入当前进程的句柄表中。
  8. 设置进程基本优先级，访问权限，创建时间。

通过上面的步骤，在内核模式下创建了一个进程。但是进程是惰性的，离开了线程，进程的空间只是一个固定在内存中的死空间；知道它的第一个线程被创建和初始化之后，进程中的代码才能被真正的运作起来。

与进程的创建类似，内核中线程的创建是从函数 NtCreateThread 开始的。之后交由函数 PspCreateThread。其大致步骤如下：

  1. 根据进程句柄获取进程对象并将其放到局部变量中。
  2. 调用函数 ObCreateObject 创建线程对象ETHREAD，并初始化。
  3. 获取进程的RundownProtect锁，以免线程创建过程中该进程被当掉。
  4. 创建线程环境块（TEB），初始化。
  5. 锁住进程，并将进程的活动线程数量加1，然后调用函数 ObInsertObject 将新线程加入到进程的线程链表中。
  6. 调用函数 KeStartThread，新线程即可运行。
用户模式

在用户层，创建一个进程通常使用Kernel32.dll中的函数 CreateProcess来完成。该函数一旦返回成功，新的进程和进程中的第一个线程就建立起来了。其大致过程如下：

  1. 调用函数 CreateProcessW 打开指定的可执行映像文件。
  2. 调用 ntdll.dll 中的存根函数 NtCreateProcessEx，该函数利用处理器的陷阱机制切换到内核模式下。在内核模式下，系统服务分发函数 KiSystemService 获得CPU控制权，它利用当前线程指定的系统服务表，调用执行体层的函数 NtCreateProcessEx，开始内核过程中的进程创建。执行体层的进程对象创建以后，进程的地址空间完成初始化，EPROCESS中的进程环境块（PEB）也完成初始化。
  3. PEB创建完之后，意味着进程的创建告一段落。这时候需要为进程创建第一个线程，调用函数 NtCreateThread 构造一个可供第一个线程运行的环境，如堆的大小初始化线程栈的大小等。这些值的默认初始值来自于PE文件头部相应的字段，ntdll.dll中的该函数依旧将任务交由执行层的 NtCreateThread来完成。执行体层的线程对象ETHREAD建立后，线程的ID、TEB也完成了初始化。
  4. 进程的第一个线程的启动函数是 kernel32.dll 中的 BaseProcessStart函数，此时的线程是被挂起的，要等到进程完全初始化才真正开始。
  5. kernel32.dll 向Windows子系统发送一个消息，该消息包含了刚建立的进程和线程相关信息；Windows子系统在收到后，开始在子系统内部建立进程环境。
  6. 当Windows子系统已经知道并登记了新进程和线程后，先前挂起的初始线程被允许恢复执行。在内核中，新线程的启动例程是 KiThreadStartup函数，之后经过一系列初始化，一直到该函数返回到用户模式，开始调用函数 Ntdll.LdrinitializeThunk,该函数是PE映像加载器的初始化函数。
  7. 初始化后，加载PE映像中的任何必要的DLL，并调用这些DLL的入口函数。
  8. 最后线程开始在用户模式下执行，它调用用户站中的线程启动函数。开始执行用户空间中的代码。

以上是对进程和线程创建的简单描述（大概了解就好，更详细的参照《Windows内核原理与实现》）；接下来的重点是在进程和线程创建中提到的PEB和TEB。

进程环境块PEB

操作系统会为每个进程设置一个数据结构，用来记录进程的相关信息。该结构就是PEB（Process Environment Block，进程环境块），PEB存在于用户地址空间中，记录了进程的相关信息。

在NT中，PEB位于进程空间的FS:[0x30]处。同时，TEB中的 ProcessEnvironmentBlock 就是PEB结构的地址，其结构的0x30偏移处是一个指向PEB的指针。

因此，访问PEB有俩种方法：

  1. 直接获取：

    mov eax, dword ptr fs:[30h]   ; fs:[30]里存放即是PEB地址

  2. 通过TEB获取：

    mov eax, dword ptr fs:[18h]     ;此时eax里为TEB的指针
mov eax, dword ptr [eax+30h]	;此时eax里为PEB的指针

PEB结构（部分）：
image-20231226195733857

其中，BeingDebugged成员用于指定该进程是否处于被调试状态，该值为0时进程未处于调试状态，若该值为非零值，则进程处于调试状态。（可以使用Windows API，如IsDebuggerPresent、CheckRemoteDebuggerPresent函数来访问该成员）

Ldr字段也是一个很重要的成员，该字段指向的结构记录了进程加载进内存的所有模块的基地址，通过Ldr指向的三个链表就可以找到kernel32.dll的基地址。

线程环境块TEB

**TEB（Thread Environment Block，线程环境块）**同样位于应用层之中。它包含了系统频繁使用的一些与线程相关的数据，进程中的每个线程都有一个自己的TEB。一个进程的所有TEB都存放在从0x7FFDE000开始的线性内存中，每4KB为一个完整的TEB。

在NT中，FS:[0]的地址指向了TEB结构，这个结构的开头是一个NT_TIB结构，具体（部分）如下：

image-20231226201240784

NT_TIB结构的0x18偏移处是一个Self指针，指向这个结构自身，也就是TEB结构的开头。TEB结构的0x30偏移处是一个指向PEB的指针。

在TEB结构的0xE10偏移处有个字段TlsSlots[]，是一个无类型的指针数组（TLS存储槽），它的大小是40h字节。也就是说，一个线程同时存在的动态TLS不能超过64项。

可以通过NtCurrentTeb函数调用和FS段寄存器俩种方法来访问TEB结构：

  1. NtCurrentTeb函数调用

    image-20231226202035720

  2. FS段寄存器访问

    mov eax, dword ptr fs:[18h]

什么是线程局部存储

线程局部存储（Thread Local Storage， TLS）技术，实现了线程内部变量的存储访问，在该技术下定义的变量能被同一个线程内部的各个函数所调用，同时，杜绝了其他线程对这些变量的访问。

TLS机制可以让程序拥有全局变量，但在不同的线程里却对应有不同的值。也就是说，进程中的所有线程都可以拥有全局变量，但这些变量其实是特定对某个线程才有意义的。

TLS技术分为俩种：动态线程局部存储技术和静态线程局部存储技术。

分类依据主要是：线程局部存储的数据所用空间在程序运行期，操作系统完成的是动态申请还是静态分配。动态线程局部存储通过四个Win32 API函数实现对线程局部数据的存储；而静态线程局部存储则通过预先在PE文件中声明数据存储空间，由PE加载器加载该PE进入内存后为其预留存储空间，由PE加载器加载该PE进入内存后为其预留存储空间实现。

动态线程局部存储

你可以放弃使用TLS，因为你对自己设计的程序有比较全面的把握。你清楚自己设计的进程里有总共有多少个线程，每个线程都使用了哪些数据结构，内存空间的申请、释放都在你的掌握之下，全局变量的访问全部采用了同步技术，那是没有问题的。如果你是一个DLL的开发者，你无法确定调用这个DLL的宿主程序里到底都多少个线程，每个线程的数据是如何定义的，这时，是你使用动态线程局部存储技术的最佳时机。

动态TLS存在以下四个API函数。

  • TlsAlloc
  • TlsGetValue
  • TlsSetValue
  • TlsFree

应用程序或DLL在合适的时候会调用这四个函数，通过索引对进程中每个线程的存储区进行统一操作。它们位于动态链接库文件kernel32.dll中。

静态线程局部存储

静态线程局部存储预先将变量定义在PE文件内部，一般使用**.tls**节存储，对相关API的调用由操作系统来完成。

在Visual C++中，一般只需要做出如下声明：

_declspec (thread) int tlsFlag = 1;

为了支持这种编程模式，PE的 .tls 节会包含以下信息：

  • 初始化数据
  • 用于每个线程初始化和终止的回调函数
  • TLS索引

注意：通过静态方式定义的TLS数据对象只能用于静态加载的映像文件。这使得在DLL中使用静态TLS数据并不可靠，除非你能确定这个DLL，以及静态链接到这个DLL的其他DLL永远不会被动态家长，如通过调用LoadLibrary这个API函数实施的动态加载那样

TLS的定位

附件随便拿的2023强网杯的babyre.exe。

使用StudyPE查看：

image-20231227095749339

TLS的文件偏移FOA是AB20。使用WinHex找到offset为AB20处就是TLS数据目录项了。

如果是根据RVA和FOA换算（书上的计算过程）：

之前学过一点PE头，TLS数据目录项是位于扩展PE头 IMAGE_OPTIONAL_HEADER的最后一个成员DataDirectory；它是一个结构数据，一般有十六个成员，TLS数据目录项就是第十个。

因此很容易就可以找到：

image-20231227100826590

再根据

image-20231227100904984

换算：1BF20-1A000 + 8C00 = AB20

（这里还有点懵）

TLS目录结构IMAGE_TLS_DIRECTORY32

线程局部存储数据结构以数据结构IMAGE_TLS_DIRECTORY32开始。该结构的详细定义如下：

image-20231227101225109

各字段的含义：

  • StartAddressOfRawData

    +0000h，双字。表示 TLS 模板的起始地址。这个模板是一块数据，用于对 TLS 数据进行初始化。

  • EndAddressOfRawData

    +0004h，双字。表示TLS 模板的结束地址。TLS的最后一个字节的地址，不包括用于填充的0。

  • AddressOflndex

    +0008h，双字。用于保存 TLS 索引的位置，索引的具体值由加载器确定。这个位置在普通的数据节中，因此，可以给它取一个容易理解的符号名，便于在程序中访问。

  • AddressOfCallBacks

    +000Ch，双字。这是一个指针，它指向由 TLS 回调函数组成的数组。这个数组是以NULL 结尾的，因此，如果没有回调函数的话，这个字段指向的位置处应该是 4 个字节的0。

  • SizeOfZeroFill

    +0010h，双字。TLS 模板中除了由 StartAddressOfRawData和 EndAddressOfRawData字段组成的已初始化数据界限之外的大小(以字节计)。TLS 模板的大小应该与映像文件中TLS数据的大小一致。用0填充的数据就是已初始化的非零数据后面的那些数据。

  • Characteristics

    +0014h，双字。保留未用。

TLS回调函数

IMAGE_TLS_DIRECTORY32结构中的成员AddressOfCallBacks就是回调函数组成的数组。

程序可以通过PE文件的方式提供一个或多个TLS回调函数，用以支持对TLS数据进行的附加的初始化和终止操作，这种操作类似于面向对象程序设计中的构造函数和析构函数（当一个线程被创建和销毁时，函数会被调用）。

因为回调函数会在入口点（AddressOfentryPoint）之前执行，也就是说，许多病毒或外壳程序会利用这一点进行一些特殊操作。例如，调用Windows API中的 IsDebuggerProcess 检测PEB中的BeingDebugged成员，来判断程序是否处于调试状态，进行一些反调试的操作。

回调函数的原型和DLL入口点函数参数相同：

typedef VOID (NTAPI *PIMAGE_TLS_CALLBACK){
	PVOID DllHandle,
	DWORD Reason,
	PVOID Reservd
};

参数解释：

  • Reserved：预留，为0
  • Reason：调用该回调函数的时机。
  • DllHandle：DLL的句柄

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文章来源:https://blog.csdn.net/Sciurdae/article/details/135246220
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