Windows软件调试初探-启动过程
Windows软件调试初探-启动过程
本篇没特殊说明就是按照时间先后顺序写。
BootMgr
系统上电后执行固化在系统主板上的固件代码，检测和初始化基本硬件，如CPU、内存、键盘、显卡和磁盘等。之后加载并将执行权移交给操作系统启动程序，即NTLDR。NTLDR依次分为BootMgr、WinLoad、WinResume。BootMgr从系统引导配置数据BCD中读取启动设置，当有多个启动选线则显示启动菜单让用户选择。现有图形界面启动程序BootIM.exe，启用经典启动菜单可以：
1 | bcdedit /set bootmenupolicy Legacy |
为了启用BootMgr和WinLoad的调试引擎，执行以下命令。调试时先用WinDBG监听，之后会自动挂靠。打开调试模式后无法正常进入系统，只能进入安全模式将on改为off。NT内核加载后调试引擎在配置双机调试时已打开。
1 | bcdedit /set {bootmgr} bootdebug on |
查看栈帧：
1 | kd> kn |
其中bootmgfw!BmMain为BootMgr的64位代码入口函数，栈帧#07及往下为实模式执行痕迹。加载WinLoad.exe后，BootMgr启用新GDT和IDT，并把调用平台控制权移交给WinLoad，这一步在x86下用Archx86TransferTo32BitApplicationAsm函数。
此外NTLDR调用NTDETECT.COM做基本硬件检查并收集硬件信息，放入注册表。找不到该文件则直接重启，若发现缺少必须的硬件或固件如ACPI支持等则无法启动。
WinLoad
WinLoad启用CPU分页机制并改善运行环境，再初始化自己的支持库，当启用引导调试支持是初始化调试引擎。当用户按F8或上次没正常关机则显示“高级启动”菜单。函数OslpLoadSystemHive读取加载注册表System Hive。
WinLoad核心任务是加载操作系统内核文件和引导类型的设备驱动程序。首先加载NTOSKRNL.EXE。此时磁盘和文件系统驱动程序还没加载，WinLoad用的私有文件访问函数如FileIoOpen打开文件，打开失败则调用它的BlpFileOpen返回错误码0C000000Dh，否则成功返回0。
接下来加载硬件抽象层模块HAL.DLL、调试KDCOM.DLL以及依赖模块如PSHED.DLL、引导期间蓝屏显示BOOTVID.DLL、日志CLFS.SYS、模块完整性检查CI.DLL。然后加载引导类型的设备驱动程序。
其次用OslArchpKernelSetupPhase0位内核准备新GDT和IDT，用OslBuildKernelMemoryMap建立内存映射，用OslArchTranserToKernel把GDT和IDT地址加载到CPU并调用内核入口，把控制权移交给内核。
内核初始化
KiSystemStartup为NT内核模块入口函数，之前WinLoad为它传入LOADER_PARAMETER_BLOCK结构。该结构地址保存在全局变量KeLoaderBlock中但启动后被释放为0。
1 | 3: kd> dt !_LOADER_PARAMETER_BLOCK |
接下来检测CPU特征和初始化CPU、设置中断描述符表、建立和初始化处理器控制区PCR、建立任务状态段TSS、设置用户调用内核服务的MSR，这些操作在nt!KiInitializeBootStructures中，则nt!KiSystemStartup伪代码为：
1 | void KiSystemStartup(LOADER_PARAMETER_BLOCK* pLoaderParaBlock) { |
在KiInitializeBootStructures会第一次用-1参数调用MmInitSystem，即只做最基本初始化以满足启动阶段内存分配需求。KiInitializebootStructures返回后可以动态分配内存且已初始化PRC、GDT、IDT、TSS等。接下来用KdInitSystem初始化内核调试引擎。用Ctrl+Alt+K启用/停用内核调试引擎初始化断点，此时在启动进入NT内核时快速挂靠WinDBG，则主动挂靠到调试器，运行则需调试器脱离。
1 | kd> kc |
接下来KiInitializeKernel初始化NT内核。调试方法是用bp对它下断点，恢复执行并再次命中后，即可单步跟踪。每个CPU唤醒后都执行KiInitializeKernel但最先执行的0号CPU即启动处理器的工作较全面，主要工作有：
- 用
HvlPhase0Initialize检查是否在虚拟机中，如果是则检查虚拟机监视器VMM是否是微软公司的Hyper-V，是的话检查版本号，再用HvlEnglightenments得到VMM的优待以提高性能。 - 用
KiDetectFpuLeakage检查与浮点指令有关的安全漏洞。 - 用
KiSetPageAttributesTable初始化页属性表。 - 用
KiConfigureInitialNodes和KiConfigureProcessorBlock检查系统拓扑结构，配置初始节点和处理器块。 - 用
KeAddProcessorAffinityEx不知道干啥。 - 用
KeCompactServiceTable初始化系统服务表。 - 用
KiSetCacheInformation初始化CPU高速缓存信息。 - 用
KiInitSystem初始化内核部件全局数据结构，如蓝屏回调函数链表KeBugCheckCallbackListHead、性能堪察器列表KiProfileListHead和各种同步对象。 - 用
HviGetHypervisorFeatures获取VMM特征。 - 用
KeInitializeProcess初始化全局结构KiInitialProcess描述的初始进程。 - 用
KiEnableXSave通过设置IA32_XSS寄存器，索引0xDA0设置CPU浮点协处理器状态保存选项。 - 用
KiInitializeIdleThread创建空闲进程。 - 用
HalInitSystem为当前CPU做硬件抽象层初始化。 - 用
InitBootProcessor执行只需要启动处理器（0号处理器）执行的动作。调用每个执行体初始化函数，称为阶段0初始化。 - 在
KiCompleteKernelInit中：用nt!PsInitialSystemProcess把一个初始化线程附加到系统进程中让其接班，等当前线程跳入空闲循环后CPU转去执行新系统线程，开始新一轮执行体初始化；用KeInitializeDpc初始化延迟过程调用DPC对象KiProcessPendingForegroundBoosts和KiTriggerForegroundBoostDpc。 - 用
KiIdleLoop进入空闲循环休息，永不返回。
执行体的阶段0初始化
InitBootProcessor调用进程管理器的阶段0初始化函数PspInitPhase0：
1 | kd> k |
内核全局变量InitializationPhase记录当前哪一阶段初始化，0代表阶段0：
1 | 3: kd> dd nt!InitializationPhase L1 |
InitBootProcessor主要动作有：
- 解析内核启动参数字符串，寻找是否包含用于测试和验证使用的选项，如“PERFMEM”、“BURNMEMORY”、“PORCEGROUPAWARE”等。
- 用
RtlInitNlsTable和RtlResetRtlTranslations初始化支持多语言设施。 - 用
WheaInitializeServices初始化WHEA服务。 - 以参数0调用
HalInitSystem。 - 用
KeInitializeClock设置CPU时钟中断并判断是否启用动态时钟，不启用则原因写入KiDynamicTickDisableReason中，动态时钟指系统空闲时减少时钟中断次数来降低系统功耗。 - 用
PsInitializeQuotaSystem初始化配额管理设备。 - 用
CmGetSystemControlValues读取注册表系统控制数据。 - 用
KeInitializeTimerTable初始化定时器表。 - 用
ExComputeTickCountMultiplier计算时钟计数器换算因子。 - 用
ExInitSystem对执行体运行时库初始化。 - 用
KeNumaInitialize初始化NUMA有关设施。 - 用
VerifierInitSystem初始化内核验证器。 - 再次用
MmInitSystem初始化内存管理器，其中并内存管理器调用MiReloadBootLoadedDrivers重新加载WinLoad加载到内存中引导类型驱动程序。 - 用
HalInitializeBios初始化固件有关信息。 - 用
InbvDriverInitialize初始化系统自带显示驱动程序。 - 若启动了内核调试，则反复用
DbgLoadImageSymbols向内核调试器发送WinLoad模块加载通知。 - 用
HeadlessInit不知道干啥。 - 用
BootApplicationPersistentDataInitialize处理固件等早期启动程序希望持久化的数据。某些启动程序没有磁盘这样的持久存储设备，所以在ACPI标准中定义了接口让操作系统帮助固件保存一些信息。 - 用
HalQueryMaximumProcessorCount查询当前处理器组所支持的逻辑处理器总数。 - 用
ObInitSystem初始化对象管理器。 - 用
SeInitSystem初始化安全管理器。 - 用
PspInitPhase0使进程管理器阶段0初始化，下面详细讲。 - 用
DbgkInitialize初始化支持用户态调试的内核设施。
PspInitPhase0初始化进程链表结构，链表头结构记录到全局变量PsActiveProcessHead中，这也是!process命令的原理。之后创建进程和线程对象类型，有了类型后才能创建该内核类型的内核对象。KiInitializeKernel用KeInitializeProcess初始化非正式进程对象KiInitialProcess，这个进程对象是直接静态变量定义的。之后又有PspInitializeJobStructures、PspInitializeSiloStructures、ExCreateHandleTable、PspInitializeSystemPartitionPhase等，然后用PspCreateProcess创建第一个真正的进程对象即系统进程，ID为4。然后给这个新进程赋予名字System，进程对象地址赋给全局变量PsInitialSystemProcess，把KiInitialProcess地址赋给PsIdleProcess。然后为System进程创建第一个线程，起始地址为Phase1Initialization函数。
1 | fffff804`03a3aa4e 488d054b9cd5ff lea rax, [nt!Phase1Initialization (fffff804`037946a0)] |
该线程中断请求级别IRQL较高而无法执行。在KiInitializeKernel返回后，KiSystemStartup将当前CPU的IRQL降到DISPATCH_LEVEL，并跳转到KiIdleLoop退化成空闲进程第一个空闲线程。下次发生时钟中断、内核调度线程时系统线程执行，开始阶段1初始化。虽然空闲线程属于空闲进程，但生活在系统进程的进程空间中。
执行体阶段1初始化
系统线程中第一个线程的工作函数为Phase1Initialization，冗长的部分在其中Phase1InitializationDiscard中执行，然后又调用nt!IoInitSystem、nt!Phase1InitializationIoReady、nt!MmFreeBootDriverInitializationCode。
1 | # Child-SP RetAddr Call Site |
Phase1InitializationDiscard用HalInitSystem再一次给HAL初始化机会，用KeInitializeClock初始化时钟和系统时间。之后开始用KeStartAllProcessors来唤醒同伴，简称KSAP。KSAP用HAL的HalEnumerateProcessors来枚举系统里所有处理器。对于每个处理器都提供IDT、PCR、ISR栈。ISR栈指中断服务例程栈，专门负责处理NMI、双误、机器检查异常等特殊中断情况，因为CPU需切换到全新线程上下文。最后KSAP用HalStartNextProcessor唤醒一个新CPU。
1 | kd> k |
唤醒后的CPU都会从内核入口开始执行，如KiInitializeKernel等，但只有第一个CPU会执行所有逻辑如KiInitSystem。初始化空闲进程也只有0号CPU执行，但每个CPU都需要用KiInitializeIdleThread为字节创建一个空闲线程。全局变量KeNumberProcessors为系统CPU个数，初始值为0，每初始化结束一个CPU该值自增1。其他CPU依次返回KiInitializeKernel和KiSystemStartup直接开始KiIdleLoop执行自己的空闲线程。
1 | 1: kd> k |
下一步进行I/O初始化，即建立设备树，枚举系统各种设备并加载驱动程序。总线驱动程序还需要进一步枚举自己的子设备。例如观察设备树：
1 | 3: kd> !devnode |
设备树以及子节点在注册表中HKEY_LOCAL_MACHINE\\SYSTEM\\CurrentControlSet\\Enum\\Root，一级子节点中必然有ACPI_HAL。如ACPI_HAL的Service键值为“\\Driver\\ACPI_HAL”，告诉I/O管理器为该设备安装ACPI驱动程序ACPI.sys。该驱动程序读取系统固件中设备表并枚举，分别安装驱动程序。其中PCI总线设备会触发加载其驱动PCL.sys，加载后按照PCI协议枚举PCI设备如子总线控制器、USB总线控制器等，由此不断加入设备树。该I/O阶段1初始化 的函数为IoInitSystem，其中IoInitSystemPreDrivers负责初始化内建的和启动类型的驱动程序，IopInitializeSystemDrivers初始化系统类型驱动程序。
nt!InbvIndicateProgress返回启动总进程，但功能几乎丧失。
至此内核空间初始化完毕。执行体的阶段1初始化结束前，Phase1Initialization创建第一个用映像文件创建的进程，即会话管理器进程SMSS.EXE。
创建用户空间
用StartFirstUserProcess创建会话管理器进程，SMSS会话管理器程序全程叫会话管理器子系统。
1 | 0: kd> k |
失败则触发0x6F蓝屏SESSION3_INITIALIZATION_FAILED。Phase1Initialization通过等待SMSS进程句柄确保它持续运行。等待超时则SMSS进程还在运行，否则SMSS意外退出，这时引发0x71号蓝屏SESSION5_INITIALIZAION_FAILED。等待SMSS几秒没发现退出则确信正常启动了。此后Phase1Initialization直接返回导致该线程退出。
SMSS初始化后创建一个LPC端口\\SmApiPort用于对外提供服务，如切换或建立新会话请求。注册表中配置SMSS的表键为HKEY_LOCAL_MACHINE\\SYSTEM\\CurrentControlSet\\ControlSet\\Control\\Session Manager。其中PendingFileRenameOperations子键记录之前挂起的文件删除/改名任务。然后执行BootExecute表键的命令，一般是磁盘检查程序autochk.exe。之后SMSS建立虚拟内存机制所需的页面交换文件。然后建立SubSystems表键下的环境子系统，先加载Win32K.sys，再根据键值内容创建Windows子系统服务进程CSRSS.exe，如下：
1 | %SystemRoot%\system32\csrss.exe ObjectDirectory=\Windows SharedSection=1024,20480,768 Windows=On SubSystemType=Windows ServerDll=basesrv,1 ServerDll=winsrv:UserServerDllInitialization,3 ServerDll=sxssrv,4 ProfileControl=Off MaxRequestThreads=16 |
ServerDll是CSRSS要加载的服务模块，病毒或恶意软件可能会把自己模块加进来。
建立Windows子系统后，SMSS创建WinLoad，负责安全登录工作，掌控登录、重启、关机和屏幕保护程序等。
WinLogon创建0号窗口站和默认桌面对象。窗口站是会话的下一层组织结构，一个会话中可有多个窗口站，同一时刻每个会话只有一个窗口站可与用户交互。每个窗口站有自己的剪贴板，可有多个桌面。WinLogon用Windows子系统内核模块Win32K服务的NtUserCreateWindowStation创建窗口站，之后用NtUserCreateDesktop创建桌面。首先创建一个WinLogon桌面供自己使用，再创建Default桌面供应用程序使用。之后WinLogon用SetActiveDesktop将自己桌面设为当前活动桌面，于是登录桌面便呈现在用户面前。
1 | 0: kd> sxe ld:win32k |
当用户退出或锁定屏幕时，WinLogon将自己桌面切到前台（设为活动的），该桌面又称安全桌面。创建桌面后WinLogon创建服务管理器Services.exe和本地安全认证子系统LSASS.exe。
Credential Provider模型接收用户登录信息，如用户名、密码或指纹，与LSASS进程交互。接下来WinLogon引发用户初始化动作，执行“HKEY_LOCAL_MACHINE\\SOFTWARE\\Microsoft\\Windows NT\\CurrentVersion\\Winlogon\\UserInit”，内容一般是UserInit程序：
1 | C:\Windows\system32\userinit.exe, |
UserInit启动后运行“HKEY_CURRENT_USER\\SOFTWARE\\Policies\\Microsoft\\Windows\\SystemScripts”和“HKEY_LOCAL_MACHINE\\SOFTWARE\\Policies\\Microsoft\\Windows\\System\\Scripts”表键下定义的登录脚本。接下来UserInit启动外壳程序，先后在“HKEY_CURRENT_USER\\SOFTWARE\\Microsoft\\Windows NT\\CurrentVersion\\Winlogon”和“HKEY_LOCAL_MACHINE\\SOFTWARE\\Microsoft\\Windows NT\\CurrentVersion\\Winlogon”表键中找Shell键值，内容是Explorer.exe。