读取PE文件的导入表

　　　　在上一篇文章里，我使用一个 TreeList 控件，展示了 PE 文件的内容。在那里可充分了解PE的文件头的信息，但是对 section（备注：常见译文为节，段，块）的一些信息我们还没有涉及。比如全局变量等数据，代码，资源，导入表等信息都位于相应的 section 中，有些 section 通常具有特定的名字，例如资源通常位于 .rsrc，代码通常位于 .text，导入表通常位于 .idata 段，等等。文本讲述的是把一个PE文件的导入表打印出来。我注意到 MS 提供了一个比较有用的函数，ImageRvaToVa，我们稍后主要借助这个函数去从RVA定位我们的目标数据。

 

　　　　在开始之前，我们先做一些概念的定义和说明。

　　　　Image: PE格式镜像文件，这通常就是我们的exe，dll文件。

 

　　　　下面我们定义一些地址相关的概念，因为PE文件位于磁盘上，同时文件又可以被映射到虚拟内存中，在运行PE文件时它也被系统的Loader加载到内存中。所以这里就有了三个空间，如果我们不做一个清楚的说明，在后面我们很容易混淆。

 

　　　　（1）磁盘空间：这里我们使用的地址叫做文件地址（距离文件头部的偏移）。在PE头的相关属性名称中，文件中的数据称为原始数据 （rawData），文件中的数据使用的对齐称为 FileAlignment。

 

　　　　（2）虚拟内存空间：在这里的地址称为虚拟地址（Virtual Address）。同时PE文件的数据装载/映射到内存中后又分以下两种情况：

 

　　　　　　（a）PE文件的内存视图，即PE文件被映射到内存（MapViewOfFile）：

　　　　　　BaseAddress：内存映射文件的基础地址，从这里看过去，就和从编辑器打开看到的文件内容完全一致。

　　　　　　内存映射通常是处理大文件的一种有效方式。映射后我们在内存中看到的内容就是磁盘文件的一个视图。

　　　　　　因此我们吧PE文件映射到内存以后，通过某个数据的RVA，调用 ImageRvaToVa 可得到某个数据的VA，再减去映射文件的起始地址，就是文件地址。

 

　　　　　　(b) 进程空间，即在被调度之前，被loader装载到内存的时刻（例如双击执行一个exe）。

　　　　　　这里和前者的视图方式不同，属于一种地址映射关系，文件中的节内容根据NT文件头的信息被加载到进程空间的相应位置。

　　　　　　ImageBase：映射到进程空间的基础地址。

　　　　　　RVA：相对ImageOfBase的偏移。它加上ImageBase就是进程空间的VA。

　　　　　　在PE文件中的DataEntry，Section表中的VirutalAddress基本都属于RVA。

 

　　　　下面介绍以下这个函数：ImageRvaToVa：（注意这个函数要求XP和win2000系统以上，在VC6自带的SDK中没有。。。）

　　　　PVOID ImageRvaToVa(
  　　　　　　PIMAGE_NT_HEADERS NtHeaders,
  　　　　　　PVOID Base,
  　　　　　　ULONG Rva,
  　　　　　　PIMAGE_SECTION_HEADER* LastRvaSection
　　　　　　);

 

　　　　这个函数在（2）.（a）即内存映射文件后使用，它把RVA根据NT头的信息，换算成内存映射文件中的实际VA。看起来不是在进程空间使用的，因为在进程空间中，ImageBase + Rva 就是VA了，装载后NT头等信息也不再重要了。最后一个参数是可选的，或许是因为如果调用方主动提供，此 API 可提高一定效率（可以直接在节中的地址信息去判断）。第二个参数也可以提供一个假的地址给这个函数，这个函数也能计算。即这个函数不去校验Base是否是一个有效地址，因此实际上我们可以读取出NtHeader的信息后，用一个假地址传给这个函数，再把结果减去这个假地址，即可换算出文件地址。

 

　　　　好了，下面介绍下导入表的定位，这方面的资料和文章在看雪论坛的文集里面有很多。我再这里只做一个比较简洁的介绍。导入表本质上就是位于某个节中的一些数据，这些数据主要是一些C字符串（以0字符为结尾的dll和函数名称）以及一些指针（RVA地址），所以我们主要是需要了解如何定位到导入表，从而打印出导入表的信息。

　　　　首先导入表的RVA地址，就在optional Header的DataDirectory的第二个元素中。通过它我们定位到导入表。

　　　　导入表类似一个二级索引。一级是一个模块目录（IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR数组，这里把目录理解为一个以全0字节为结束的数组），它的每个元素代表了一个DLL。二级是导入地址表IAT（即 IMAGE_THUNK_DATA 数组，一个指针数组），每个元素指向一个 IMAGE_IMPORT_BY_NAME结构（该结构含有一个函数序号和一个函数名称字符串）。

　　　　总结一下，我们的定位过程：

　　　　（1）通过 NtHeaders.OptionalHeader.DataDirectory[1].VirtualBase --> 定位到导入表(IID Table)。

　　　　（2）遍历每个 IID，直到遇到全0为止。

　　　　　　　　通过 IID.Name -> 定位到 DLL 名字。

　　　　　　　　通过 IID.OriginalFirstThunk 或者 FirstThunk -> 定位到IAT ( image_thunk_data32[] )；

　　　　　　　　　　遍历指针目录，知道遇到NULL为止。

　　　　　　　　　　　　通过 thunk_data.AddressOfData -> 定位到一个 IMAGE_IMPORT_BY_NAME 的地址，再根据它寻址到真正的函数序号和函数名称。

 

　　　　为什么存在二级指针呢，这是很容易解释的。所以我们需要一个DLL目录，由于DLL名称的长度和函数个数不固定，所以向下扩展了一级，而每个函数的函数名称又是不固定的，所以又要向下扩展一级，这样要找到真正的函数名称必须经过这样两级定向。

 

　　　　因此这个二级索引的导入表就是这样的定位方式（每个数组都是一个高地址方向半开口的样子， C字符串也是这样的字符数组），如下图所示（注意每个数组的元素的size是固定的，但由于数组是半开口，所以数组本身属于size不固定）：

　　　　　　

　　　　

 

　　　　特点就是，每次遇到长度无法预测的成员，就用指针把它从元素中扩展出去（用一个指针指向它），这样我们就保证每个数组的元素都是固定的size，这样它才能成为线性表结构（满足用指针的加减或者[]操作符进行元素读取）。例如DLL的名称是可变长度的，因此它被扔到元素定义的外面去，在元素中保留为一个指针。每个DLL的函数目录也是可变长度的（函数个数是不确定的），因此它在元素中也是一个指针。而函数目录中函数信息又被扔出去，用指针指向它。

 

　　　　下面看一下相关代码，很短，通过上面的讲解，下面的代码就很明了，很简单了：

 

 

code_print_import_table

//  ImageRvaToVa.cpp : Defines the entry point for the console application.
//

#include  " stdafx.h "
#include  < stdio.h >
#include  < windows.h >
#include  < Dbghelp.h >   // ImageRvaToVa

int  main( int  argc,  char *  argv[])
{
     int  i, j;
    HANDLE hFile  =  CreateFile(
         " E:\\RfCard.exe " ,  // PE文件名
        GENERIC_READ, 
        FILE_SHARE_READ,
        NULL,
        OPEN_EXISTING,
        FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,
        NULL);

     if (hFile  ==  INVALID_HANDLE_VALUE)
    {
        printf( " Create File Failed.\n " );
         return   0 ;
    }

    HANDLE hFileMapping  =  CreateFileMapping(hFile, NULL, PAGE_READONLY,     0 ,  0 , NULL);

     if  (hFileMapping  ==  NULL  ||  hFileMapping  ==  INVALID_HANDLE_VALUE) 
    { 
        printf( " Could not create file mapping object (%d).\n " , GetLastError());
         return   0 ;
    }

    LPBYTE lpBaseAddress  =  (LPBYTE)MapViewOfFile(hFileMapping,    //  handle to map object
        FILE_MAP_READ,  0 ,  0 ,  0 );
 
     if  (lpBaseAddress  ==  NULL) 
    { 
        printf( " Could not map view of file (%d).\n " , GetLastError()); 
         return   0 ;
    }

    PIMAGE_DOS_HEADER pDosHeader  =  (PIMAGE_DOS_HEADER)lpBaseAddress;
    PIMAGE_NT_HEADERS pNtHeaders  =  (PIMAGE_NT_HEADERS)(lpBaseAddress  +  pDosHeader -> e_lfanew);
    
     // 导入表的rva：0x2a000;
    DWORD Rva_import_table  =  pNtHeaders -> OptionalHeader.DataDirectory[IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_IMPORT].VirtualAddress;

     if (Rva_import_table  ==   0 )
    {
        printf( " no import table! " );
         goto  UNMAP_AND_EXIT;
    }

     // 这个虽然是内存地址，但是减去文件开头的地址，就是文件地址了
     // 这个地址可以直接从里面读取你想要的东西了
    PIMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR pImportTable  =  (PIMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR)ImageRvaToVa(
        pNtHeaders, 
        lpBaseAddress, 
        Rva_import_table,
        NULL
        );

     // 减去内存映射的首地址，就是文件地址了。。（很简单吧）
    printf( " FileAddress Of ImportTable: %p\n " , ((DWORD)pImportTable  -  (DWORD)lpBaseAddress));

     // 现在来到了导入表的面前：IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR 数组（以0元素为终止）
     // 定义表示数组结尾的null元素！
    IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR null_iid;
    IMAGE_THUNK_DATA null_thunk;
    memset( & null_iid,  0 ,  sizeof (null_iid));
    memset( & null_thunk,  0 ,  sizeof (null_thunk));

     // 每个元素代表了一个引入的DLL。
     for (i = 0 ; memcmp(pImportTable  +  i,  & null_iid,  sizeof (null_iid)) != 0 ; i ++ )
    {
         // LPCSTR: 就是 const char*
        LPCSTR szDllName  =  (LPCSTR)ImageRvaToVa(
            pNtHeaders, lpBaseAddress, 
            pImportTable[i].Name,  // DLL名称的RVA
            NULL);

         // 拿到了DLL的名字
        printf( " -----------------------------------------\n " );
        printf( " [%d]: %s\n " , i, szDllName);
        printf( " -----------------------------------------\n " );

         // 现在去看看从该DLL中引入了哪些函数
         // 我们来到该DLL的 IMAGE_TRUNK_DATA 数组（IAT：导入地址表）前面
        PIMAGE_THUNK_DATA32 pThunk  =  (PIMAGE_THUNK_DATA32)ImageRvaToVa(
            pNtHeaders, lpBaseAddress,
            pImportTable[i].OriginalFirstThunk, //【注意】这里使用的是OriginalFirstThunk
            NULL);

         for (j = 0 ; memcmp(pThunk + j,  & null_thunk,  sizeof (null_thunk)) != 0 ; j ++ )
        {
             // 这里通过RVA的最高位判断函数的导入方式，
             // 如果最高位为1，按序号导入，否则按名称导入
             if (pThunk[j].u1.AddressOfData  &   IMAGE_ORDINAL_FLAG32 )
            {
                printf( " \t [%d] \t %ld \t 按序号导入\n " , j, pThunk[j].u1.AddressOfData  &   0xffff );
            }
             else
            {
                 // 按名称导入，我们再次定向到函数序号和名称
                 // 注意其地址不能直接用，因为仍然是RVA！
                PIMAGE_IMPORT_BY_NAME pFuncName  =  (PIMAGE_IMPORT_BY_NAME)ImageRvaToVa(
                    pNtHeaders,    lpBaseAddress,
                    pThunk[j].u1.AddressOfData,
                    NULL);
                
                printf( " \t [%d] \t %ld \t %s\n " , j, pFuncName -> Hint, pFuncName -> Name);
            }
        }
    }


UNMAP_AND_EXIT:

     // 关闭文件，句柄。。
    UnmapViewOfFile(lpBaseAddress);
    CloseHandle(hFileMapping);
    CloseHandle(hFile);
    getchar();
     return   0 ;
}

 

 　　　　【注意】在上面的代码中我标示为高亮红色字体的部分，我使用的是 OriginalFirstThunk ，对于没有事先绑定的PE文件来说， OriginalFirstThunk 和 FirstThunk 是并行的内容相同的数组。但是对于已经经过绑定的PE文件来说， FirstThunk 数组中的元素会被设置成真正的函数地址（VA）！因此如果这时用 FirstThunk 数组尝试获取函数名称是得不到的。所以上面的代码应该使用 OriginalFirstThunk ，这样无论对于绑定还是未绑定的PE文件，都能够定向到相应的函数名称。

 

　　　　【注意】：

　　　　（1）请在项目属性中的链接选项中，添加 Dbghelp.lib;

　　　　（2）上面对PE文件的名称采用了硬编码，如果为了灵活期间，可以从命令行获取PE文件的路径。

 

　　　　下面是我用某个PE文件所产生的输出：

 

output_result

FileAddress Of ImportTable:  00028000
-----------------------------------------
[ 0 ]: USER32.dll
-----------------------------------------
         [ 0 ]      198      EndDialog
         [ 1 ]      158      DialogBoxParamA
-----------------------------------------
[ 1 ]: KERNEL32.dll
-----------------------------------------
         [ 0 ]      265      GetEnvironmentVariableA
         [ 1 ]      27       CloseHandle
         [ 2 ]      170      FlushFileBuffers
         [ 3 ]      294      GetModuleHandleA
         [ 4 ]      336      GetStartupInfoA
         [ 5 ]      202      GetCommandLineA
         [ 6 ]      372      GetVersion
         [ 7 ]      125      ExitProcess
         [ 8 ]      81       DebugBreak
         [ 9 ]      338      GetStdHandle
         [ 10 ]     735      WriteFile
         [ 11 ]     429      InterlockedDecrement
         [ 12 ]     501      OutputDebugStringA
         [ 13 ]     318      GetProcAddress
         [ 14 ]     450      LoadLibraryA
         [ 15 ]     432      InterlockedIncrement
         [ 16 ]     292      GetModuleFileNameA
         [ 17 ]     670      TerminateProcess
         [ 18 ]     247      GetCurrentProcess
         [ 19 ]     685      UnhandledExceptionFilter
         [ 20 ]     178      FreeEnvironmentStringsA
         [ 21 ]     179      FreeEnvironmentStringsW
         [ 22 ]     722      WideCharToMultiByte
         [ 23 ]     262      GetEnvironmentStrings
         [ 24 ]     264      GetEnvironmentStringsW
         [ 25 ]     621      SetHandleCount
         [ 26 ]     277      GetFileType
         [ 27 ]     373      GetVersionExA
         [ 28 ]     413      HeapDestroy
         [ 29 ]     411      HeapCreate
         [ 30 ]     415      HeapFree
         [ 31 ]     703      VirtualFree
         [ 32 ]     559      RtlUnwind
         [ 33 ]     282      GetLastError
         [ 34 ]     577      SetConsoleCtrlHandler
         [ 35 ]     440      IsBadWritePtr
         [ 36 ]     437      IsBadReadPtr
         [ 37 ]     423      HeapValidate
         [ 38 ]     191      GetCPInfo
         [ 39 ]     185      GetACP
         [ 40 ]     305      GetOEMCP
         [ 41 ]     409      HeapAlloc
         [ 42 ]     699      VirtualAlloc
         [ 43 ]     418      HeapReAlloc
         [ 44 ]     484      MultiByteToWideChar
         [ 45 ]     447      LCMapStringA
         [ 46 ]     448      LCMapStringW
         [ 47 ]     339      GetStringTypeA
         [ 48 ]     342      GetStringTypeW
         [ 49 ]     618      SetFilePointer
         [ 50 ]     636      SetStdHandle

 

　　　　到这里，我们基本算了解了import table。不过还需要额外解释一下的是，在iid中含有两个指向thunk数组（即IAT：导入地址表）的指针（orignal first thunk 和 first thunk），两个指针指向不同的地址，但这两个thunk数组的元素值是相同的，最终指向的是同一个地址（函数序号和名称元素）。也就是说，thunk数组在PE文件中有两份，他们的地址不同，但最终指向完全相同。画出图形的话是类似下面这样（注意最终指向相同，4个指针画出来类似一个菱形）：

 

　　　　IID.OrignalFirstThunk---> thunk1[] -------\

　　　　---------------------------------------------   > IMAGE_IMPORT_BY_NAME ( hint, name [] )

　　　　IID.FirstThunk-----------> thunk2[] -------/

 

　　　　即在上面的代码里，用 iid 的无论哪一个thunk指针最终得到的都是相同的结果。PE文件中OrignalFirstThunk是一个对thunk表的原始备份，它始终是不变的。而FirstThunk在系统装载PE以后，将会修改，把他们替换成函数的真正地址（即进行绑定），这时它们就不再是指向函数序号和名称了，而是真正的函数地址（映射到进程空间之内的），你对某个DLL函数的调用在代码中本质上是调用一个存根（因为编译器不知道导入函数的实际地址），在存根处跳转到 FirstThunk 数组指明的实际函数地址。程序一旦运行起来，导入表将不再那么关键了，重要的是实际IAT（FirstThunk）。这时OrignalFirstThunk 数组就成为了一个被替换前的原始备份，当需要重新绑定时（例如DLL版本不对）需要用到它，这是“Orignal” 的含义。First的含义是，指向的是IAT的第一个元素（thunk）。Thunk可能是新造出来的词，没有确切的解释，大概是是被加载后被系统替换掉了值，有真真假假，虚虚实实的语义，同时也有一种说法是有“预先想到”的含义（备注：在ATL中也有Thunk这个词）。

 

　　　　现在我们回头在看下IID和Thunk的定义，可以很好的理解那些注释，IID的OriginalFirstThunk指向的是未绑定之前的IAT（导入地址表），这个IAT表示的是应该导入该DLL的哪些名称（序号）的函数。而FirstThunk在绑定（被替换成实际函数地址）后指向的实际的函数地址。所以Thunk里面是一个union，里面的 AddressOfData 指是绑定之前它指向函数的hint和名称，Function 指的得是绑定后它就成了实际函数地址。

 

typedef_iid_and_thunk 

typedef  struct  _IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR {
    union {
        DWORD   Characteristics;             //  0 for terminating null import descriptor
        DWORD   OriginalFirstThunk;          //  RVA to original unbound IAT (PIMAGE_THUNK_DATA)
    };
    DWORD   TimeDateStamp;                   //  0 if not bound,
                                             //  -1 if bound, and real date\time stamp
                                             //      in IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_BOUND_IMPORT (new BIND)
                                             //  O.W. date/time stamp of DLL bound to (Old BIND)

    DWORD   ForwarderChain;                  //  -1 if no forwarders
    DWORD   Name;
    DWORD   FirstThunk;                      //  RVA to IAT (if bound this IAT has actual addresses)
} IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR;
typedef IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR UNALIGNED  * PIMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR;


typedef  struct  _IMAGE_THUNK_DATA32 {
    union {
        DWORD ForwarderString;       //  PBYTE 
        DWORD Function;              //  PDWORD
        DWORD Ordinal;
        DWORD AddressOfData;         //  PIMAGE_IMPORT_BY_NAME
    } u1;
} IMAGE_THUNK_DATA32;

 

　　　　假如引用的 DLL 是确定的，那么在加载时的函数绑定工作就可以事先完成，在加载时只需要核对以下DLL的时间戳是否吻合（如果不能吻合则和没有绑定一样处理，再次人工绑定），这样就可以节省程序加载的时间，随操作系统提供的一些工具比如记事本，计算器等工具都经过了事先绑定。通过 VC 提供的 Dependency 工具可以查看到你链接的 DLL 是否经过了事先绑定。如果没有绑定，那些导入的函数的地址将显示未绑定（not bound）。借助 IDE 提供的 Bind 工具可以进行预先绑定，从而减少你的程序启动时间。或者通过编程方式，用 BindImageEx 函数去绑定一个 Image 文件。

　　　　例如，如果你开发好了应用程序，在打包安装程序之前，可以用这两个命令行工具进行优化，从而加快程序启动的速度。

 

　　　　（1）优化DLL的首选ImageBase:

 

　　　　ReBase.EXE -b 10000000 *.dll

 

　　　　（2）事先绑定DLL：（在客户端上，系统DLL未必是有效的绑定，但是对于你自己提供的DLL，该绑定一定有效）

 

　　　　Bind.EXE -o -u -v 你的可执行文件.exe

 

　　　　经过 Rebase 和 Bind 以后，可以提高你的程序的启动速度。系统提供的DLL都经过了Rebase，这样它们在被加载时几乎总能成功加载到首选的ImageBase。系统提供的工具也基本都经过事先绑定。

 

　　　　IID中的ForwardChain，是函数转发器，即一个DLL文件可以导出一个假定的函数，这个函数是实际上位于另一个DLL中的函数，这样在逻辑上就成为一个“链式结构”，系统在加载时需要分析转发器，把引用的实际DLL映射到进程空间。在操作系统的 Kernel32.dll 中可以看到转发器，比如 Kernel32.dll 中的 HeapAlloc 被转发到 NTDLL 中的 RtlAllocateHeap。但转发器在实际应用中则比较少见。如果要指定一个转发器，需要在代码中使用形式如下面的语句：

 

　　　　#pragma comment ( linker, "/export:FuncName = DllName.SomeOtherFuncName" )

 

　　　　【参考资料】

　　　　关于PE文件相关的知识，主要参考：

　　　　（1）《看雪论坛五周年精华》（1~9）。

 

　　　　关于函数转发器部分，主要参考：

　　　　（2）《Window核心编程》第20章：DLL的高级操作技术。

 

　　　　使用 Rebase 命令行工具重设 DLL 的首选ImageBase：

　　　　（3）ms-help://MS.VSCC.v80/MS.MSDN.v80/MS.WIN32COM.v10.en/tools/tools/rebase.htm

 

　　　　使用 Bind 命令工具进行预先绑定：

　　　　（4）ms-help://MS.VSCC.v80/MS.MSDN.v80/MS.WIN32COM.v10.en/tools/tools/bind.htm

 

　　　　【修订历史】

　　　　（1）把文中范例代码中的 FirstThunk 替换为 OriginalFirstThunk，并给出原因。2010-12-28 0:18:53。