Windows环境下的调试器探究——硬件断点

  1. 与软件断点与内存断点不同，硬件断点不依赖被调试程序，而是依赖于CPU中的调试寄存器。

  2. 调试寄存器有7个，分别为Dr0~Dr7。

  3. 用户最多能够设置4个硬件断点，这是由于只有Dr0~Dr3用于存储线性地址。

  4. 其中，Dr4和Dr5是保留的。

假如在Dr0寄存器中写入线性地址，是否所有线程都会受影响？其实不会，每个线程都拥有一份独立的寄存器，切换线程时，寄存器的值也会被切换。

设置硬件断点

Dr0~Dr3用于设置硬件断点，由于只有4个断点寄存器，所以最多只能设置4个硬件调试断点。在7个寄存器里面，Dr7是最重要的寄存器

L0/G0 ~ L3/G3：控制Dr0~Dr3是否有效，局部还是全局；每次异常后，Lx都被清零，Gx不清零。

若Dr0有效，L0=1则为局部，G0=1则为全局，以此类推

断点长度(LENx)：00(1字节)、01(2字节)、11(4字节)

通过DR7的LEN控制

断点类型(R/Wx)：00(执行断点)、01(写入断点)、11(访问断点)

流程

被调试进程：

1）CPU执行时检测当前线性地址与调试寄存器（Dr0~Dr3）中的线性地址相等。

2）查IDT表找到对应的中断处理函数（nt!_KiTrap01） 

3）CommonDispatchException 

4）KiDispatchException 

5）DbgkForwardException收集并发送调试事件

最终调用DbgkpSendApiMessage(x, x)，第一个参数：消息类型，第二个参数：是否挂起其它线程

调试器进程：

1）循环判断

2）取出调试事件 

3）列出信息：寄存器、内存 

4）用户处理

处理硬件断点

1）硬件调试断点产生的异常是 STATUS_SINGLE_STEP（单步异常） 2）检测Dr6寄存器的B0~B3：哪个寄存器触发的异常

这里硬件断点有两种情况，一种情况是dr0-dr3寄存器引发的异常，另外一种情况就是TF=1引发的异常

这里如果是DR0寄存器引发的异常，那么B0=1，以此类推，如果是TF=1引发的异常，那么DR6的低4位为全0

首先看一下异常处理函数

之前我们是在创建进程的时候进行断点，但是因为硬件断点需要在线程创建完成之后，设置在被调试程序的上下文中

因此当被调试程序触发调试器设置的INT 3断点时，此时设置硬件断点较为合理

再就是硬件断点的代码，这里把Dr0寄存器置1，然后把16、17为置0为执行断点，异常长度为1字节(18、19位置0)，地址的话就是int3断点的地址+1

完整代码如下

// Debug4.cpp : Defines the entry point for the console application.
//#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <windows.h>
#include <tlhelp32.h>#define DEBUGGEE "C:\\ipmsg.exe"//被调试进程ID,进程句柄，OEP
DWORD dwDebuggeePID = 0;//被调试线程句柄
HANDLE hDebuggeeThread = NULL;
HANDLE hDebuggeeProcess = NULL;//系统断点
BOOL bIsSystemInt3 = TRUE;//被INT 3覆盖的数据
CHAR OriginalCode = 0;//原始内存属性
DWORD dwOriginalProtect;//线程上下文
CONTEXT Context;typedef HANDLE (__stdcall *FnOpenThread) (DWORD, BOOL, DWORD);VOID InitDebuggeeInfo(DWORD dwPID, HANDLE hProcess)
{dwDebuggeePID = dwPID;hDebuggeeProcess = hProcess;
}DWORD GetProcessId(LPTSTR lpProcessName)
{HANDLE hProcessSnap = NULL;PROCESSENTRY32 pe32 = {0};hProcessSnap = CreateToolhelp32Snapshot(TH32CS_SNAPPROCESS, 0);if(hProcessSnap == (HANDLE)-1){return 0;}pe32.dwSize = sizeof(PROCESSENTRY32);if(Process32First(hProcessSnap, &pe32)){do {if(!strcmp(lpProcessName, pe32.szExeFile))return (int)pe32.th32ProcessID;} while (Process32Next(hProcessSnap, &pe32));}else{CloseHandle(hProcessSnap);}return 0;
}BOOL WaitForUserCommand()
{BOOL bRet = FALSE;CHAR command;printf("COMMAND>");command = getchar();switch(command){case 't':bRet = TRUE;break;case 'p':bRet = TRUE;break;case 'g':bRet = TRUE;break;}getchar();return bRet;
}VOID SetHardBreakPoint(PVOID pAddress)
{//1. 获取线程上下文Context.ContextFlags = CONTEXT_FULL | CONTEXT_DEBUG_REGISTERS;GetThreadContext(hDebuggeeThread, &Context);//2. 设置断点位置Context.Dr0 = (DWORD)pAddress;Context.Dr7 |= 1;//3. 设置断点长度和类型Context.Dr7 &= 0xfff0ffff; //执行断点（16、17位 置0） 1字节（18、19位 置0）//5. 设置线程上下文SetThreadContext(hDebuggeeThread, &Context);
}BOOL Int3ExceptionProc(EXCEPTION_DEBUG_INFO *pExceptionInfo)
{BOOL bRet = FALSE;//1. 将INT 3修复为原来的数据（如果是系统断点，不用修复）if(bIsSystemInt3){bIsSystemInt3 = FALSE;return TRUE;}else{WriteProcessMemory(hDebuggeeProcess, pExceptionInfo->ExceptionRecord.ExceptionAddress, &OriginalCode, 1, NULL);}//2. 显示断点位置printf("Int 3断点：0x%p \r\n", pExceptionInfo->ExceptionRecord.ExceptionAddress);//3. 获取线程上下文Context.ContextFlags = CONTEXT_FULL | CONTEXT_DEBUG_REGISTERS;GetThreadContext(hDebuggeeThread, &Context);//4. 修正EIPContext.Eip--;SetThreadContext(hDebuggeeThread, &Context);//5. 显示反汇编代码、寄存器等/*硬件断点需要设置在被调试进程的的线程上下文中。因此当被调试程序触发调试器设置的INT 3断点时，此时设置硬件断点较为合理。*/SetHardBreakPoint((PVOID)((DWORD)pExceptionInfo->ExceptionRecord.ExceptionAddress+1));//6. 等待用户命令while(bRet == FALSE){bRet = WaitForUserCommand();}return bRet;
}BOOL AccessExceptionProc(EXCEPTION_DEBUG_INFO *pExceptionInfo)
{BOOL bRet = FALSE;DWORD dwAccessFlag;  //访问类型 0为读 1为写DWORD dwAccessAddr;  //访问地址DWORD dwProtect;  //内存属性//1. 获取异常信息，修改内存属性dwAccessFlag = pExceptionInfo->ExceptionRecord.ExceptionInformation[0];dwAccessAddr = pExceptionInfo->ExceptionRecord.ExceptionInformation[1];printf("内存断点 : dwAccessFlag - %x dwAccessAddr - %x \n", dwAccessFlag, dwAccessAddr);VirtualProtectEx(hDebuggeeProcess, (VOID*)dwAccessAddr, 1, dwOriginalProtect, &dwProtect);//2. 获取线程上下文Context.ContextFlags = CONTEXT_FULL | CONTEXT_DEBUG_REGISTERS;GetThreadContext(hDebuggeeThread, &Context);//3. 修正EIP(内存访问异常，不需要修正EIP)printf("Eip: 0x%p \n", Context.Eip);//4. 显示汇编/寄存器等信息//5. 等待用户命令while(bRet == FALSE){bRet = WaitForUserCommand();}return bRet;
}BOOL SingleStepExceptionProc(EXCEPTION_DEBUG_INFO *pExceptionInfo)
{BOOL bRet = FALSE;//1. 获取线程上下文Context.ContextFlags = CONTEXT_FULL | CONTEXT_DEBUG_REGISTERS;GetThreadContext(hDebuggeeThread, &Context);//2. 判断是否是硬件断点导致的异常if(Context.Dr6 & 0xF) //B0~B3不为空 硬件断点{//2.1 显示断点信息printf("硬件断点：%x 0x%p \n", Context.Dr7&0x00030000, Context.Dr0);//2.2 将断点去除Context.Dr0 = 0;Context.Dr7 &= 0xfffffffe;}else //单步异常{//2.1 显示断点信息printf("单步：0x%p \n", Context.Eip);//2.2 将断点去除Context.Dr7 &= 0xfffffeff;}SetThreadContext(hDebuggeeThread, &Context);//6. 等待用户命令while(bRet == FALSE){bRet = WaitForUserCommand();}return bRet;
}BOOL ExceptionHandler(DEBUG_EVENT *pDebugEvent)
{ BOOL bRet = TRUE;EXCEPTION_DEBUG_INFO *pExceptionInfo = NULL;pExceptionInfo = &pDebugEvent->u.Exception;//得到线程句柄，后面要用FnOpenThread MyOpenThread = (FnOpenThread)GetProcAddress(LoadLibrary("kernel32.dll"), "OpenThread");hDebuggeeThread = MyOpenThread(THREAD_ALL_ACCESS, FALSE, pDebugEvent->dwThreadId);switch(pExceptionInfo->ExceptionRecord.ExceptionCode){//INT 3异常case EXCEPTION_BREAKPOINT:bRet = Int3ExceptionProc(pExceptionInfo);break;//访问异常case EXCEPTION_ACCESS_VIOLATION:bRet = AccessExceptionProc(pExceptionInfo);break;//单步执行case EXCEPTION_SINGLE_STEP:bRet = SingleStepExceptionProc(pExceptionInfo);break;}return bRet;
}VOID SetInt3BreakPoint(LPVOID addr)
{CHAR int3 = 0xCC;//1. 备份ReadProcessMemory(hDebuggeeProcess, addr, &OriginalCode, 1, NULL);//2. 修改WriteProcessMemory(hDebuggeeProcess, addr, &int3, 1, NULL);
}VOID SetMemBreakPoint(PCHAR pAddress)
{//1. 访问断点VirtualProtectEx(hDebuggeeProcess, pAddress, 1, PAGE_NOACCESS, &dwOriginalProtect); //PTE P=0//2. 写入断点//VirtualProtectEx(hDebuggeeProcess, pAddress, 1, PAGE_EXECUTE_READ, &dwOriginalProtect); //PTE R/W=0
}int main(int argc, char* argv[])
{BOOL nIsContinue = TRUE;DEBUG_EVENT debugEvent = {0};BOOL bRet = TRUE;DWORD dwContinue = DBG_CONTINUE;//1.创建调试进程STARTUPINFO startupInfo = {0};PROCESS_INFORMATION pInfo = {0};GetStartupInfo(&startupInfo);bRet = CreateProcess(DEBUGGEE, NULL, NULL, NULL, TRUE, DEBUG_PROCESS || DEBUG_ONLY_THIS_PROCESS, NULL, NULL, &startupInfo, &pInfo);if(!bRet){printf("CreateProcess error: %d \n", GetLastError());return 0;}hDebuggeeProcess = pInfo.hProcess;//2.调试循环while(nIsContinue){bRet = WaitForDebugEvent(&debugEvent, INFINITE);if(!bRet){printf("WaitForDebugEvent error: %d \n", GetLastError());return 0;}switch(debugEvent.dwDebugEventCode){//1.异常case EXCEPTION_DEBUG_EVENT:bRet = ExceptionHandler(&debugEvent);if(!bRet)dwContinue = DBG_EXCEPTION_NOT_HANDLED;break;//2.case CREATE_THREAD_DEBUG_EVENT:break;//3.创建进程case CREATE_PROCESS_DEBUG_EVENT://int3 断点SetInt3BreakPoint((PCHAR)debugEvent.u.CreateProcessInfo.lpStartAddress);//内存断点//SetMemBreakPoint((PCHAR)debugEvent.u.CreateProcessInfo.lpStartAddress);break;//4.case EXIT_THREAD_DEBUG_EVENT:break;//5.case EXIT_PROCESS_DEBUG_EVENT:
break;//6.case LOAD_DLL_DEBUG_EVENT:break;//7.case UNLOAD_DLL_DEBUG_EVENT:break;//8.case OUTPUT_DEBUG_STRING_EVENT:break;}bRet = ContinueDebugEvent(debugEvent.dwProcessId, debugEvent.dwThreadId, DBG_CONTINUE);}return 0;
}

实现效果如下

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