总在用户态调试 C# 程序，终还是搭了一个内核态环境

Posted 2022-09-05 dotNET跨平台

一：背景

一直在用 WinDbg 调试用户态程序，并没有用它调试过 内核态，毕竟不是做驱动开发，也没有在分析 dump 中需要接触用内核态的需求，但未知的事情总觉得很酷，加上最近在看 《深入解析 Windows 操作系统》 一书，书中有不少案例需要深入到 内核态 ，所以这篇准备整理一下如何用 WinDbg 调试 C# 内核态吧。

操作环境：

• Windbg Preview

• 宿主机：Windows 10

• 虚拟机：Windows 10

二：搭建内核态调试

1. 基本原理

操作系统的引导程序 BootMgr 和 WinLoad 内置了调试模式，支持以 COM 接口互通，所以我们需要先添加一种可供调试的启动项，供引导程序 BootMgr 启动时弹框让我们选择。

2. 配置调试启动项

大家可以在 https://msdn.itellyou.cn/ 下载一个完整版的 Window10 ISO 包，这里就不细说了，启动虚拟机进入 Windows10 ，以管理员模式打开 CMD 窗口，执行如下 四条命令 来编辑 bcd (Boot Configuration Data)。

bcdedit /dbgsettings serial baudrate:115200 debugport:1
bcdedit /copy current /d WinDbg
bcdedit /displayorder current ID 
bcdedit /debug ID ON

注意一下，这里的 ID 是 CMD 上生成的 GUID，这是你的启动项唯一键，别名是 WinDbg， 在我的界面上大概是这个样子：

3. 配置 COM 接口

这里有几个步骤要注意了，大致如下：

1） 把打印机选项移除了，因为它占用了 COM1 接口。

2） 新增一个 串行端口。

3）在 使用命名管道 中填入 \\\\.\\pipe\\com_1, 同时勾选 轮询时主动放弃CPU。

设置完之后点击确定，完整截图如下：

4. 配置 Windbg Preview

我们把 WinDbg 打开，选择 Attach to kernel 选项，然后选择 COM 模式，设置 Baud Rate = 115200 ，然后是 Port=\\\\.\\pipe\\com_1 ，配置完之后点击 OK, 完整截图如下：

如果一切正常的话，Windbg 应该是如下输出，等待COM连接状态。

Microsoft (R) Windows Debugger Version 10.0.25136.1001 AMD64
Copyright (c) Microsoft Corporation. All rights reserved.

Waiting for pipe \\\\.\\pipe\\com_1
Waiting to reconnect...

5. 启动虚拟机

这些都配置完之后，我们重新启动虚拟机，在 BootMgr 阶段会出现两个引导项，其中一个就是在 小项2 时配置的，我们选择它就好了，完整截图如下：

稍等片刻后 WinDbg 会显示连接成功，在进入初始化时会 int 3 中断, 如果你真的到了这一步，那恭喜你！！！

Microsoft (R) Windows Debugger Version 10.0.25136.1001 AMD64
Copyright (c) Microsoft Corporation. All rights reserved.

Waiting for pipe \\\\.\\pipe\\com_1
Waiting to reconnect...
Connected to Windows 10 10240 x64 target at (Thu Sep  1 23:23:35.235 2022 (UTC + 8:00)), ptr64 TRUE
Kernel Debugger connection established.  (Initial Breakpoint requested)

************* Path validation summary **************
Response                         Time (ms)     Location
Deferred                                       srv*c:\\mysymbols_fix*https://msdl.microsoft.com/download/symbols
Error                                          D:\\net5\\ConsoleApp1\\Debug
Deferred                                       srv*c:\\mysymbols*https://msdl.microsoft.com/download/symbols
Symbol search path is: srv*c:\\mysymbols_fix*https://msdl.microsoft.com/download/symbols;D:\\net5\\ConsoleApp1\\Debug;srv*c:\\mysymbols*https://msdl.microsoft.com/download/symbols
Executable search path is: 
Windows 10 Kernel Version 10240 MP (1 procs) Free x64
Edition build lab: 10240.17394.amd64fre.th1_st1.170427-1347
Machine Name:
Kernel base = 0xfffff802`a3c7b000 PsLoadedModuleList = 0xfffff802`a3fa0070
System Uptime: 0 days 0:00:00.092
nt!DebugService2+0x5:
fffff802`a3dcfca5 cc              int     3

因为是初始化中断，接下来在 WinDbg 命令面板中先用 g 执行，让操作系统继续跑下去,稍等片刻就会进入到 Windows 10 的操作界面。

6. netcore 测试

前段时间写了一篇文章，聊到了 ReadFile 从用户态切到内核态的过程，还画了一张图。

现在可以调试 内核态 那何不试试看呢？？？哈哈，说干就干，先上一段测试代码。

static void Main(string[] args)
        
            var i = 0;

            File.WriteAllText(@"C:\\1.txt", "hello world!");
            while (true)
            
                var str = File.ReadAllText(@"C:\\1.txt");
                Console.WriteLine($"i++, content=str.Length");
                Thread.Sleep(1000);
            

            Console.ReadLine();
        

为了方便观察用户态栈，我在虚拟机中的 Windows10 系统上安装一个 WinDbg10，目的就是拦截 ntdll!NtReadFile 函数时输出 用户态栈。

bp ntdll!NtReadFile "k 10;gc"

可以看到每次只要程序输出一次，windbg10 都能成功拦截，接下来在宿主机的 WinDbg Preview 中先输入 .reload 重新加载下符号，目的就是方便看到用户态上的 ntdll.dll 函数名，但不一定好使，碰碰运气吧，接下来输入 nt!NtReadFile 观察内核态栈。

bp nt!NtReadFile

从新老Windbg截图中，可以清晰的看到，这个的 Child-SP 线程栈终于对接上了，也就验证了图上所说:ntdll!NtReadFile (用户态网关) -> nt!KiSystemServiceCopyEnd（内核态调度中心） -> nt!NtReadFile （内核态处理函数）。

好了，本篇就先说这么多，希望对大家有帮助，也是对自己的一个总结。