windows进程中的内存结构

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 <stdio.h>
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 <stdio.h>
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

├———————┤<—函数执行时的栈顶（ESP）、低端内存区域
│ …… │
├———————┤
│ var 1 │
├———————┤
│ var 2 │
├———————┤
│ var 3 │
├———————┤
│ RET │
├———————┤<—“__cdecl”函数返回后的栈顶（ESP）
│ parameter 1 │
├———————┤
│ parameter 2 │
├———————┤
│ parameter 3 │
├———————┤<—“__stdcall”函数返回后的栈顶（ESP）
│ …… │
├———————┤<—栈底（基地址 EBP）、高端内存区域

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 <stdio.h>
#include <string.h>
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。

├———————┤<—低端内存区域
│ …… │
├———————┤<—由exploit填入数据的开始
│ │
│ buffer │<—填入无用的数据
│ │
├———————┤
│ RET │<—指向shellcode，或NOP指令的范围
├———————┤
│ NOP │
│ …… │<—填入的NOP指令，是RET可指向的范围
│ NOP │
├———————┤
│ │
│ shellcode │
│ │
├———————┤<—由exploit填入数据的结束
│ …… │
├———————┤<—高端内存区域

windows下的动态数据除了可存放在栈中，还可以存放在堆中。了解C++的朋友都知道，C++可以使用new关键字来动态分配内存。来看下面的C++代码：

#include <stdio.h>
#include <iostream.h>
#include <windows.h>

void func()
{
char *buffer=new char[128];
char bufflocal[128];
static char buffstatic[128];
printf("0x%08x\n",buffer); //打印堆中变量的内存地址
printf("0x%08x\n",bufflocal); //打印本地变量的内存地址
printf("0x%08x\n",buffstatic); //打印静态变量的内存地址
}

void main()
{
func();
return;
}

程序执行结果为：

0x004107d0
0x0012ff04
0x004068c0

可以发现用new关键字分配的内存即不在栈中，也不在静态数据区。VC编译器是通过windows下的“堆(heap)”来实现new关键字的内存动态分配。在讲“堆”之前，先来了解一下和“堆”有关的几个API函数：

HeapAlloc 在堆中申请内存空间
HeapCreate 创建一个新的堆对象
HeapDestroy 销毁一个堆对象
HeapFree 释放申请的内存
HeapWalk 枚举堆对象的所有内存块
GetProcessHeap 取得进程的默认堆对象
GetProcessHeaps 取得进程所有的堆对象
LocalAlloc
GlobalAlloc

当进程初始化时，系统会自动为进程创建一个默认堆，这个堆默认所占内存的大小为1M。堆对象由系统进行管理，它在内存中以链式结构存在。通过下面的代码可以通过堆动态申请内存空间：

HANDLE hHeap=GetProcessHeap();
char *buff=HeapAlloc(hHeap,0,8);

其中hHeap是堆对象的句柄，buff是指向申请的内存空间的地址。那这个hHeap究竟是什么呢？它的值有什么意义吗？看看下面这段代码吧：

#pragma comment(linker,"/entry:main") //定义程序的入口
#include <windows.h>

_CRTIMP int (__cdecl *printf)(const char *, ...); //定义STL函数printf
/*---------------------------------------------------------------------------
写到这里，我们顺便来复习一下前面所讲的知识：
(*注)printf函数是C语言的标准函数库中函数，VC的标准函数库由msvcrt.dll模块实现。
由函数定义可见，printf的参数个数是可变的，函数内部无法预先知道调用者压入的参数个数，函数只能通过分析第一个参数字符串的格式来获得压入参数的信息，由于这里参数的个数是动态的，所以必须由调用者来平衡堆栈，这里便使用了__cdecl调用规则。BTW，Windows系统的API函数基本上是__stdcall调用形式，只有一个API例外，那就是wsprintf，它使用__cdecl调用规则，同printf函数一样，这是由于它的参数个数是可变的缘故。
---------------------------------------------------------------------------*/
void main()
{
HANDLE hHeap=GetProcessHeap();
char *buff=HeapAlloc(hHeap,0,0x10);
char *buff2=HeapAlloc(hHeap,0,0x10);
HMODULE hMsvcrt=LoadLibrary("msvcrt.dll");
printf=(void *)GetProcAddress(hMsvcrt,"printf");
printf("0x%08x\n",hHeap);
printf("0x%08x\n",buff);
printf("0x%08x\n\n",buff2);
}

执行结果为：

0x00130000
0x00133100
0x00133118

hHeap的值怎么和那个buff的值那么接近呢？其实hHeap这个句柄就是指向HEAP首部的地址。在进程的用户区存着一个叫PEB(进程环境块)的结构，这个结构中存放着一些有关进程的重要信息，其中在PEB首地址偏移0x18处存放的ProcessHeap就是进程默认堆的地址，而偏移0x90处存放了指向进程所有堆的地址列表的指针。windows有很多API都使用进程的默认堆来存放动态数据，如windows 2000下的所有ANSI版本的函数都是在默认堆中申请内存来转换ANSI字符串到Unicode字符串的。对一个堆的访问是顺序进行的，同一时刻只能有一个线程访问堆中的数据，当多个线程同时有访问要求时，只能排队等待，这样便造成程序执行效率下降。

最后来说说内存中的数据对齐。所位数据对齐，是指数据所在的内存地址必须是该数据长度的整数倍，DWORD数据的内存起始地址能被4除尽，WORD数据的内存起始地址能被2除尽，x86 CPU能直接访问对齐的数据，当他试图访问一个未对齐的数据时，会在内部进行一系列的调整，这些调整对于程序来说是透明的，但是会降低运行速度，所以编译器在编译程序时会尽量保证数据对齐。同样一段代码，我们来看看用VC、Dev-C++和lcc三个不同编译器编译出来的程序的执行结果：

#include <stdio.h>

int main()
{
int a;
char b;
int c;
printf("0x%08x\n",&a);
printf("0x%08x\n",&b);
printf("0x%08x\n",&c);
return 0;
}

这是用VC编译后的执行结果：
0x0012ff7c
0x0012ff7b
0x0012ff80
变量在内存中的顺序：b(1字节)-a(4字节)-c(4字节)。

这是用Dev-C++编译后的执行结果：
0x0022ff7c
0x0022ff7b
0x0022ff74
变量在内存中的顺序：c(4字节)-中间相隔3字节-b(占1字节)-a(4字节)。

这是用lcc编译后的执行结果：
0x0012ff6c
0x0012ff6b
0x0012ff64
变量在内存中的顺序：同上。

三个编译器都做到了数据对齐，但是后两个编译器显然没VC“聪明”，让一个char占了4字节，浪费内存哦。

基础知识：
堆栈是一种简单的数据结构，是一种只允许在其一端进行插入或删除的线性表。允许插入或删除操作的一端称为栈顶，另一端称为栈底，对堆栈的插入和删除操作被称为入栈和出栈。有一组CPU指令可以实现对进程的内存实现堆栈访问。其中，POP指令实现出栈操作，PUSH指令实现入栈操作。CPU的ESP寄存器存放当前线程的栈顶指针，EBP寄存器中保存当前线程的栈底指针。CPU的EIP寄存器存放下一个CPU指令存放的内存地址，当CPU执行完当前的指令后，从EIP寄存器中读取下一条指令的内存地址，然后继续执行。