Windows进程与线程学习笔记（九）—— 线程优先级/进程挂靠/跨进程读写

前言

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要点回顾

三种情况会导致线程切换：

1. 当前线程主动调用API：
   KiSwapThread -> KiSwapContext -> SwapContext
2. 当前线程时间片到期：
   KiDispatchInterrupt -> KiQuantumEnd -> SwapContext
3. 存在备用线程（KPCR.PrcbData.NextThread）
   KiDispatchInterrupt -> SwapContext

思考：在KiSwapThread与KiQuantumEnd函数中都是通过KiFindReadyThread来找下一个要切换的线程，KiFindReadyThread是根据什么条件来选择下一个要执行的线程呢?

线程优先级

调度链表

描述：

1. 在Windows 32位操作系统中，共有32个双向链表（调度链表）
2. 在Windows 64位操作系统中，共有64个双向链表（调度链表）
3. 线程在调度链表的中下标表示线程优先级（0~31/64）

分析 KiFindReadyThread

查找方式：

按照优先级别进行查找：31…30…29…28…
也就是说，在本次查找中，如果级别31的链表里面有线程，那么就不会查找级别为30的链表

注意：

1. Windows 32位操作系统中调度链表有32个，由于每次都从头开始查找效率太低，所以Windows通过一个DWORD类型的变量来记录：_KiReadySummary
2. 当向调度链表(32个)中挂入或者摘除某个线程时，会判断当前级别的链表是否为空，为空则将 _KiReadySummary 对应位置0，否则置1
   
3. 若当前级别链表的链表头和链表尾的值相同，并且等于它们的地址，说明不存在等待调度的线程
   若当前级别链表的链表头和链表尾的值相同，但不等于它们的地址，说明存在一个等待调度的线程
4. 多cpu会随机寻找 KiDispatcherReadyListHead 指向的数组中的线程。线程可以绑定某个cpu（API：setThreadAffinityMask）
5. 若当前CPU不存在就绪线程，则会执行空闲线程，每一个CPU都会指定一个空闲线程

   nt!_KPRCB
      +0x004 CurrentThread    : Ptr32 _KTHREAD		//当前线程
      +0x008 NextThread       : Ptr32 _KTHREAD		//就绪线程
      +0x00c IdleThread       : Ptr32 _KTHREAD		//空闲线程
   

分析 KiSwapThread

总结

1. 调度链表的下标即线程优先级
2. CPU通过遍历调度链表判断是否存在需要调度的线程
3. 若不存在需要调度的线程，则会执行空闲线程（_KPRCB.IdleThread）

进程挂靠

进程与线程的关系

1. 一个进程可以包含多个线程
2. 一个进程至少要有一个线程
3. 进程为线程提供资源，也就是提供Cr3的值，Cr3中存储的是页目录表基址
4. Cr3确定了，线程能访问的内存也就确定了

例：CPU解析线程代码 mov eax,dword ptr ds:[0x12345678]

1. CPU解析线性地址时要通过页目录表来找对应的物理页，页目录表基址存在
   Cr3寄存器中
2. 当前的Cr3的值来源于当前的进程(_KPROCESS.DirectoryTableBase(+0x018))

进程与线程的关联

1. 资源提供者（养父母）：_ETHREAD.Tcb.ApcState.Process
2. 线程创建者（亲生父母）：_ETHREAD.ThreadsProcess
3. 一般情况下，_ETHREAD.Tcb.ApcState.Process 和 _ETHREAD.ThreadsProcess 指向的是同一个进程
4. 将当前Cr3的值改为其它进程的Cr3，称为“进程挂靠”

   mov cr3, A.DirectoryTableBase
   mov eax,dword ptr ds:[0x12345678] //A进程的0x12345678内存
   mov cr3, B.DirectoryTableBase
   mov eax,dword ptr ds:[0x12345678] //B进程的0x12345678内存
   mov cr3, C.DirectoryTableBase
   mov eax,dword ptr ds:[0x12345678] //C进程的0x12345678内存

思考：在一份线程结构体中，存在着两个指向当前线程所属进程的指针，那么究竟是哪个提供了Cr3？
答案：线程切换的时候，会比较两个线程的EPROCESS是否为同一个，若不是同一个，则会将 _ETHREAD.Tcb.ApcState.Process 指向的 EPROCESS的DirectoryTableBase 取出，赋值给Cr3

分析 SwapContext

分析 NtReadVirtualMemory

MmCopyVirtualMemory：

MiDoPoolCopy：

KeStackAttachProcess：

KiAttachProcess：


KiSwapProcess：

思考：可不可以只修改Cr3而不修改养父母？
答案：不可以，假设刚刚修改完Cr3，还没读取内存时，发生了线程切换，当再次切换回来时，会根据养父母的值为Cr3赋值，Cr3又变回了原来的值，此时将变成自己读自己。如果我们自己来写这个代码，在切换Cr3后关闭中断，并且不调用会导致线程切换的API,就可以不用修改养父母的值

总结

1. 正常情况下，当前线程使用的Cr3是由其所属进程提供的（_ETHREAD.Tcb.ApcState.Process），正是因为如此，A进程中的线程只能访问A的内存
2. 如果要让A进程中的线程能够访问B进程的内存，就必须要修改Cr3的值为B进程的页目录表基址(B.DirectoryTableBase)，这就是所谓的“进程挂靠”

跨进程读写

描述：跨进程的本质是“进程挂靠”,正常情况下，A进程的线程只能访问A进程的地址空间，如果A进程的线程想访问B进程的地址空间，就要修改当前的Cr3的值为B进程的页目录表基值（KPROCESS.DirectoryTableBase）。即：mov cr3, B.DirectoryTableBase

分析代码：

mov cr3,B.DirectoryTableBase			//切换Cr3的值为B进程
mov eax,dword ptr ds:[0x12345678]		//将进程B 0x12345678的值存入eax中
mov dword ptr ds:[0x00401234],eax		//将数据存储到0x00401234中
mov cr3,A.DirectoryTableBase			//切换回Cr3的值

问题：以上代码是否存在问题？
答案：存在问题。当读取B进程内存之后，由于Cr3并未改变，写入的地址仍为B进程的地址。当Cr3切换回A进程后，A进程中并不存在读出来的值

思考：如何解决以上问题？

跨进程读

NtReadVirtualMemory执行流程：

1. 将当前线程的Cr3切换至目标进程的Cr3
2. 将要读的数据复制到高2G（暂存区）
3. 将当前线程的Cr3切换至原本进程的Cr3
4. 将要读的数据从高2G复制到目标位置

跨进程写

NtWriteVirtualMemory执行流程：

1. 将当前线程的数据复制到高2G（暂存区）
2. 将当前线程的Cr3切换至目标进程的Cr3
3. 将要写入的数据从高2G复制到目标位置
4. 将当前线程的Cr3切换至原本进程的Cr3

总结

每个进程的高2G内存空间的线性地址对应的物理页几乎是相同的，可以通过对高2G内存空间的利用，实现跨进程内存读写的操作