栈回溯原理浅析

 
  文档名称：Windows NT Stack Trace 
 

 
  
   文档维护：welfear 
  
 

 
  
   创建时间：2009年6月7日
  
 

 
  
   更新内容：对StackWalk的分析(2009.6.17) 
  
 

 
  
   更新内容：对x64栈的分析(2009.6.19)
  
  

  

  

  在系统软件开发中有时会有得到函数调用者的信息的需要，为此WindowsNT专门提供了调用
  

  RtlGetCallerAddress为内核开发者使用，但它并没有公开所以也就不能为驱动开发者使用。
  

  然而在兼容过程中又无法避免使用它，所以我们只好探究其原理。
  

  RtlGetCallerAddress可以由两种方法实现，其原型如下：
  

  

  VOID
  

  RtlGetCallersAddress(
  

  OUT PVOID *CallersAddress, //address to save the first caller.
  

  OUT PVOID *CallersCaller //address to save the second caller.
  

  )
  

     
 

 
  第一种方法，它的主要实现是在RtlCaptureStackBackTrace中完成的。而在这个
  

  RtlCaptureStackBaceTrace在各个版本的WindowsNT中都有着重要的作用。这是一个比较通用
  

  的获得栈信息的函数。原型如下：
  

  

  USHORT
  

  RtlCaptureStackBackTrace(
  

  IN ULONG FramesToSkip, IN ULONG FramsToCapture,
  

  OUT PVOID *BackTrace, OUT PULONG BackTraceHash);
  

  

  栈信息的获得是通过另外一个导出函数RtlWalkFrameChain实现的。原型如下：
  

  

  ULONG
  

  RtlWalkFrameChain(OUT PVOID *Callers, IN ULONG Count, IN ULONG Flags);
  

  

  在X86平台上，它的工作原理很简单，就是通过EBP寄存器一步一步得到每个栈的信息。
  

  _asm mov FramePointer, EBP;
  

  在得到EBP内容之后，我们需要计算当前内核栈的范围，这是因为我们在计算数据时不能
  

  跑出一个范围，否则会有蓝屏的危险。栈的开始地址就设置为EBP指针指向的地址。
  

  而终止范围是比较难确定的。这个地址可以使用KeGetCurrentThread()->StackBase的值，但
  

  这并不保险，在DPC环境中，如果栈内存很换出，则还是会蓝屏。有一点是可以肯定的，
  

  当前的EBP栈是没有被换出的，如果可能就在当前栈所在页的上一页末作为栈的终止地址。
  

  我们知道在函数开始处都有：
  

  

  push ebp
  

  mov ebp, esp
  

  

  作为函数的最开始两句代码。这样根据EBP就可以找到所有的函数地址。
  

  NextFramePointer = *(PULONG_PTR)(FramePointer);
  

  ReturnAddress = *(PULONG_PTR)(FramePointer + sizeof(ULONG_PTR));
  

  这里有两点需要注意：
  

  1、ReturnAddress应该在StackStart和StackEnd之间。
  

  2、ReturnAddress不能小于64K（这是由WindowsNT的设计决定的）。
  

  

  

  

  

  在另一种实现中，RtlGetCallerAddress是个精简过的函数，因为RtlCaptureStackBackTrace
  

  太危险了也太复杂了。下面我们分析这个版本的RtlGetCallerAddress是如何工作的，
  

  这里面有几处偏移应该先交代一下：
  

  1、fs:124h是KTHREAD的首地址，实际上这句代码就是KeGetCurrentThread()产生的。
  

  2、eax + 18h是KTHREAD的InitialStack的偏移。
  

  3、eax + 1Ch是KTHREAD的StackLimit的偏移。
  

  

  为了方便阅读，代码将会被分段显示如下：
  

  

  .text:0044BAA4 000 push ebp
  

  .text:0044BAA5 004 mov ebp, esp
  

  .text:0044BAA7 004 push ebx
  

  .text:0044BAA8 008 push esi
  

  .text:0044BAA9 00C push edi
  

  .text:0044BAAA 010 mov eax, large fs:124h
  

  .text:0044BAB0 010 push dword ptr [eax+18h]
  

  .text:0044BAB3 014 push esp
  

  .text:0044BAB4 018 push offset loc_44BB2F
  

  .text:0044BAB9 01C push large dword ptr fs:0
  

  .text:0044BAC0 020 mov large fs:0, esp
  

  

  开头几句是为了当前线程内核栈的相关变量值，这里的loc_44BB2F是异常的处理函数。
  

  显然这里用到了VC的异常处理机制。具体细节可以毛老师的项目白皮书。
  

  

  .text:0044BAC7 020 xor esi, esi ; Logical Exclusive OR
  

  .text:0044BAC9 020 xor edi, edi ; Logical Exclusive OR
  

  .text:0044BACB 020 mov edx, ebp
  

  .text:0044BACD 020 mov edx, [edx]
  

  .text:0044BACF 020 cmp edx, ebp ; Compare Two Operands
  

  .text:0044BAD1 020 jbe short loc_44BAEE ; Jump if Below or Equal (CF=1 | ZF=1)
  

  

  这是比较当前栈和上一个栈的地址，当然如果没有问题的情况下自然是当前的地址低。否则就要跳到
  

  loc_44BB0D中退出了。
  

  

  .text:0044BAD3 020 cmp edx, [ebp+var_10] ; Compare Two Operands
  

  .text:0044BAD6 020 jnb short loc_44BB0D ; Jump if Not Below (CF=0)
  

  .text:0044BAD8 020 cmp edx, [eax+1Ch] ; Compare Two Operands
  

  .text:0044BADB 020 jb short loc_44BB0D ; Jump if Below (CF=1)
  

  

  edx一直保存着调用者的栈指针，它应该是在InitialStack和StackLimit之间。如果不是都要跳入loc_44BB0D
  

  检测Dpc环境下的栈情况。
  

  

  .text:0044BADD loc_44BADD: ; CODE XREF: RtlGetCallersAddress(x,x)+87j
  

  .text:0044BADD 020 mov esi, [edx+4]
  

  .text:0044BAE0 020 mov edx, [edx]
  

  .text:0044BAE2 020 cmp edx, ebp ; Compare Two Operands
  

  .text:0044BAE4 020 jbe short loc_44BAEE ; Jump if Below or Equal (CF=1 | ZF=1)
  

  .text:0044BAE6 020 cmp edx, [ebp+var_10] ; Compare Two Operands
  

  .text:0044BAE9 020 jnb short loc_44BAEE ; Jump if Not Below (CF=0)
  

  .text:0044BAEB 020 mov edi, [edx+4]
  

  

  esi保存了调用者函数的地址。edx由于mov edx, [edx]而继续向上找了一个栈，它应该在InitialStack和当前栈指针之间。
  

  最后edi保存了调用者的调用者返回地址。这样两个返回参数都已经得到了。
  

  

  .text:0044BAEE loc_44BAEE: ; CODE XREF: RtlGetCallersAddress(x,x)+2Dj
  

  .text:0044BAEE ; RtlGetCallersAddress(x,x)+40j ...
  

  .text:0044BAEE 020 mov ecx, [ebp+CallersAddress]
  

  .text:0044BAF1 020 jecxz short loc_44BAF5 ; Jump if ECX is 0
  

  .text:0044BAF3 020 mov [ecx], esi
  

  .text:0044BAF5
  

  .text:0044BAF5 loc_44BAF5: ; CODE XREF: RtlGetCallersAddress(x,x)+4Dj
  

  .text:0044BAF5 020 mov ecx, [ebp+CallersCaller]
  

  .text:0044BAF8 020 jecxz short loc_44BAFC ; Jump if ECX is 0
  

  .text:0044BAFA 020 mov [ecx], edi
  

  .text:0044BAFC
  

  .text:0044BAFC loc_44BAFC: ; CODE XREF: RtlGetCallersAddress(x,x)+54j
  

  .text:0044BAFC 020 pop large dword ptr fs:0
  

  .text:0044BB03 01C pop edi
  

  .text:0044BB04 018 pop edi
  

  .text:0044BB05 014 pop edi
  

  .text:0044BB06 010 pop edi
  

  .text:0044BB07 00C pop esi
  

  .text:0044BB08 008 pop ebx
  

  .text:0044BB09 004 pop ebp
  

  .text:0044BB0A 000 retn 8 ; Return Near from Procedure
  

  

  这些都是函数的扫尾工作。下面的工作是为了处理异常的，因为这个函数实在是太危险了。
  

  

  .text:0044BB0D
  

  .text:0044BB0D loc_44BB0D: ; CODE XREF: RtlGetCallersAddress(x,x)+32j
  

  .text:0044BB0D ; RtlGetCallersAddress(x,x)+37j
  

  .text:0044BB0D 020 cmp large dword ptr fs:994h, 0 ; Compare Two Operands
  

  .text:0044BB15 020 mov eax, large fs:988h
  

  .text:0044BB1B 020 jz short loc_44BAEE ; Jump if Zero (ZF=1)
  

  .text:0044BB1D 020 cmp edx, eax ; Compare Two Operands
  

  .text:0044BB1F 020 mov [ebp+var_10], eax
  

  .text:0044BB22 020 jnb short loc_44BAEE ; Jump if Not Below (CF=0)
  

  .text:0044BB24 020 sub eax, 3000h ; Integer Subtraction
  

  .text:0044BB29 020 cmp edx, eax ; Compare Two Operands
  

  .text:0044BB2B 020 ja short loc_44BADD ; Jump if Above (CF=0 & ZF=0)
  

  .text:0044BB2D 020 jmp short loc_44BAEE ; Jump
  

  

  994是DpcRoutineActive的偏移地址。如果没有当前Dpc函数运行，那一定是出问题了跳到loc_44BAEE准备返回。
  

  988是DpcStack的偏移地址。如果当前是Dpc Stack，那么edx的值应该在DpcStack和DpcStackLimit范围之内。
  

  DpcStackLimit的值是通过DpcStack减掉内核栈大小得到的。普通的内核栈都是3个PAGE_SIZE，每个PAGE_SIZE
  

  在x86中是4KB。所以要减掉3000h那么大。最后有两条路可以走，一是跳到loc_44BADD继续计算，二是跳到loc_44BAEE
  

  准备返回。
  

  

  .text:0044BB2F
  

  .text:0044BB2F loc_44BB2F: ; DATA XREF: RtlGetCallersAddress(x,x)+10o
  

  .text:0044BB2F 020 mov eax, [esp+1Ch+var_10]
  

  .text:0044BB33 020 mov edi, [eax+9Ch]
  

  .text:0044BB39 020 mov esp, [esp+1Ch+var_14]
  

  .text:0044BB3D 020 jmp short loc_44BAEE ; Jump
  

  

  简单处理了一下异常列表。实际上没什么用。
  

  

  

  在应用程序中，有时需要通过观察栈信息进行调试分析。例如下面的代码就是从VC2003中的atlutil.h文件中
  

  摘录的： 
 

见评论。

针对这段代码有几点需要说明：
1、应用层中一般使用GetThreadContext或通过设置未捕获异常来得到某一时刻的CPU各个寄存器的状态。
2、在出现未捕获异常时，异常过滤函数得到的是出问题的函数出错时的状态，这样可以很好的获得出错信息。
3、GetThreadContext的使用在MSDN中有说明，它不能获得当前线程的上下文信息。使用这个函数需要挂起
当前线程。在VC2005中附带的代码来看，它先是另外创建了一个线程，然后在本线程WaitForSingleObject等待
新创建的线程退出，然后再继续运行。
4、无论是VC20003还是VC2005，它们的代码都有问题。VC2005中的代码使用下面的方式：
while (WaitForSingleObject(hThread, 0) != WAIT_TIMEOUT);
看注释的意思是CE对WaitForSingleObject支持不好而这么做的。
而VC2003的代码问题就比较多了，GetThreadContext应该是获得挂起线程的上下文，这在VC2005的注释里也提到了。
5、StackWalk的作用是前面分析Stack Trace。使用它的好处是代码有可移植性。使用之前需要用GetThreadContext的内容
初始化。
6、在MSDN中有如下一段对GetThreadContext的描述：

You cannot get a valid context for a running thread. Use the SuspendThread function to suspend the thread before calling GetThreadContext.
If you call GetThreadContext for the current thread, the function returns successfully; however, the context returned is not valid.

但我直接使用GetCurrentThread来调用GetThreadContext得到的结果是正确的，而且VC自带的代码也这么用，真让人不解。
可后来修改的代码和注释表明似乎，这是个问题。现在我的理解是要得到“当前”的CPU状态要先SuspendThread，而想得到
进入内核前的CPU状态则可以直接使用GetThreadContext获得，MSDN中的无效是指得到并不是调用者“当时”的CPU状态。



x64只支持一种调用方式：fastcall。x64调用的前四个参数使用RCX、RDX、R8、R9，然后才使用栈传递。调用者负责维护栈平衡。
在x64中,VC不支持asm关键字，所以获得EBP要困难一些。但我记得在Linux中有一个获得EBP的巧妙方法。

VOID
GetCallerAddress(ULONG_PTR arg)
{
    ULONG_PTR EBP = (&arg)[-1];
}

在应用层中使用Stack Trace技术就不用那么小心了，直接使用循环，然后捕获异常就可以了。

具体代码见：《Authoring a Stack Walker for x86》。
x64栈详细信息见《Assembler Language Functions for Windows x64 and Vista 》。