C# 崩溃异常中研究页堆布局的案例分享

一：背景

1.讲故事

最近遇到一位朋友的程序崩溃，发现崩溃点在富编辑器 msftedit 上，这个不是重点，重点在于发现他已经开启了 页堆 ，看样子是做了最后的挣扎。

0:000> !analyze -vEXCEPTION_RECORD: (.exr -1)ExceptionAddress: 82779a9e (msftedit!CCallMgrCenter::SendAllNotifications 0x00000123) ExceptionCode: c0000005 (Access violation) ExceptionFlags: 00000000NumberParameters: 2 Parameter[0]: 00000001 Parameter[1]: 8351af28Attempt to write to address 8351af28...STACK_TEXT: 00ffe0dc 827bda2a 8351ae88 00000000 00ffe174 msftedit!CCallMgrCenter::SendAllNotifications 0x12300ffe110 827bd731 00ffe324 00ffe174 00ffe300 msftedit!CCallMgrCenter::ExitContext 0xda00ffe120 827bde71 8351ae88 827232dc 28112f80 msftedit!CCallMgr::~CCallMgr 0x1700ffe300 8290281f 00000102 00000067 00220001 msftedit!CTxtEdit::TxSendMessage 0x20100ffe374 7576110b 00f20268 00000102 00000067 msftedit!RichEditWndProc 0x9cf00ffe3a0 757580ca 82901e50 00f20268 00000102 user32!_InternalCallWinProc 0x2b...SYMBOL_NAME: system_windows_forms 1c45e7 MODULE_NAME: System_Windows_Forms IMAGE_NAME: System.Windows.Forms.dll 0:000> !heap -p Active GlobalFlag bits: vrf - Enable application verifier hpa - Place heap allocations at ends of pages StackTraceDataBase @ 04c20000 of size 01000000 with 00001b18 traces PageHeap enabled with options: ENABLE_PAGE_HEAP COLLECT_STACK_TRACES active heaps: 5c20000 ENABLE_PAGE_HEAP COLLECT_STACK_TRACES NormalHeap - 5d90000 HEAP_GROWABLE 5e90000 ENABLE_PAGE_HEAP COLLECT_STACK_TRACES NormalHeap - 4960000 HEAP_GROWABLE HEAP_CLASS_1 ...

由于 页堆 和 NT堆 的内存布局完全不一样，这一篇结合我的了解以及 windbg 验证来系统的介绍下 页堆。

二：对页堆的研究

1. 案例演示

为了方便讲述，先上一段测试代码。

2	int main(){ HANDLE h = HeapCreate(NULL, 0, 100); int* ptr = (int*)HeapAlloc(h, 0, 9); printf("ptr= %x", ptr); DebugBreak();}

接下来用 gflags 开启下页堆。

3	PS C:UsersAdministratorDesktop> gflags -i ConsoleApplication1.exe hpaCurrent Registry Settings for ConsoleApplication1.exe executable are: 02000000 hpa - Enable page heap

然后将程序跑起来，可以看到返回的 handle 句柄。

2. 页堆布局研究

接下来用 windbg 的 !heap -p 命令观察页堆。

0:000> !heap -p Active GlobalFlag bits: hpa - Place heap allocations at ends of pages StackTraceDataBase @ 042e0000 of size 01000000 with 0000000e traces PageHeap enabled with options: ENABLE_PAGE_HEAP COLLECT_STACK_TRACES active heaps: 5b0000 ENABLE_PAGE_HEAP COLLECT_STACK_TRACES NormalHeap - 710000 HEAP_GROWABLE 810000 ENABLE_PAGE_HEAP COLLECT_STACK_TRACES NormalHeap - 510000 HEAP_GROWABLE HEAP_CLASS_1 56e0000 ENABLE_PAGE_HEAP COLLECT_STACK_TRACES NormalHeap - 5aa0000 HEAP_CLASS_1

稍微解读下上面的输出。

56e0000**

表示页堆的堆句柄。

NormalHeap - 5aa0000

表示 页堆 关联的 NT堆，可能有朋友要问了，既然都开启页堆了, 还要弄一个 ntheap 干嘛？大家不要忘了，windows 的一些系统api会用到这个堆。

接下来有一个问题，如何观察这两个 heap 之间的关联关系呢？要回答这个问题，需要了解 页堆 的布局结构，画个简图如下：

从图中可以看到，离句柄偏移 4k 的位置有一个 DPH_HEAP_ROOT 结构，它相当于 NTHEAP 的_HEAP，我们拿 56e0000 举个例子。

5	0:000> dt nt!_DPH_HEAP_ROOT 56e0000 0x1000ntdll!_DPH_HEAP_ROOT ... 0x0b4 NormalHeap : 0x05aa0000 Void 0x0b8 CreateStackTrace : 0x042f4d94 _RTL_TRACE_BLOCK 0x0bc FirstThread : (null)

上面输出的 NormalHeap: 0x05aa0000 就是它关联的 ntheap 句柄。

3. 堆块布局研究

对页堆 有了一个整体认识，接下来继续研究堆块句柄，我们发现 ptr=0x56e5ff0 是落在 56e0000 这个页堆上，接下来我们导出这个页堆的详细信息。

0:000> !heap -p -h 56e0000 _DPH_HEAP_ROOT @ 56e1000 Freed and decommitted blocks DPH_HEAP_BLOCK : VirtAddr VirtSize Busy allocations DPH_HEAP_BLOCK : UserAddr UserSize - VirtAddr VirtSize 056e1f70 : 056e5ff0 00000009 - 056e5000 00002000 unknown!fillpattern _HEAP @ 5aa0000 No FrontEnd _HEAP_SEGMENT @ 5aa0000 CommittedRange @ 5aa04a8 HEAP_ENTRY Size Prev Flags UserPtr UserSize - state 05aa04a8 0167 0000 [00] 05aa04b0 00b30 - (free) * 05aa0fe0 0004 0167 [00] 05aa0fe8 00018 - (busy) VirtualAllocdBlocks @ 5aa009c

上面的信息如何解读呢？我们逐一来聊一下吧。

_DPH_HEAP_ROOT @ 56e1000

这个已经和大家聊过了，它和 _HEAP 结构是一致的。

DPH_HEAP_BLOCK :

从字面意思就能看出来和 ntheap 的 heap_entry 是一致的，都是用来描述堆块信息，不过有一点要注意，这个堆块是落在上图中的 DPH_HEAP_BLOCK Pool 池链表结构中的，言外之意就是它不会作为 heap_entry 的头部附加信息，接下来我们 dt 导出来看看。

0:000> dt ntdll!_DPH_HEAP_BLOCK 056e1f70 0x000 pNextAlloc : 0x056e1020 _DPH_HEAP_BLOCK 0x000 AvailableEntry : _LIST_ENTRY [ 0x56e1020 - 0x0 ] 0x000 TableLinks : _RTL_BALANCED_LINKS 0x010 pUserAllocation : 0x056e5ff0 "???" 0x014 pVirtualBlock : 0x056e5000 "???" 0x018 nVirtualBlockSize : 0x2000 0x01c nVirtualAccessSize : 0x20 0x020 nUserRequestedSize : 9 0x024 nUserActualSize : 0x56e1f60 0x028 UserValue : 0x056e1fc8 Void 0x02c UserFlags : 0x3f18 0x030 StackTrace : 0x042f4dcc _RTL_TRACE_BLOCK 0x034 AdjacencyEntry : _LIST_ENTRY [ 0x56e1010 - 0x56e1010 ] 0x03c pVirtualRegion : (null)

从字段信息看，它记录了堆块的分配首地址，栈信息等等，比如用 dds 观察一下 StackTrace。

0:000> dds 0x042f4dcc 042f4dcc 00000000042f4dd0 00006001042f4dd4 000d0000042f4dd8 78aba8b0 verifier!AVrfDebugPageHeapAllocate 0x240042f4ddc 77e0ef8e ntdll!RtlDebugAllocateHeap 0x39042f4de0 77d76150 ntdll!RtlpAllocateHeap 0xf0042f4de4 77d757fe ntdll!RtlpAllocateHeapInternal 0x3ee042f4de8 77d753fe ntdll!RtlAllocateHeap 0x3e042f4dec 00ad1690 ConsoleApplication1!main 0x30 [D:net6ConsoleApp1ConsoleApplication1DisplayGreeting.cpp @ 14]042f4df0 00ad1bc3 ConsoleApplication1!invoke_main 0x33 [D:a_work1ssrcvctoolscrtvcstartupsrcstartupexe_common.inl @ 78]042f4df4 00ad1a17 ConsoleApplication1!__scrt_common_main_seh 0x157 [D:a_work1ssrcvctoolscrtvcstartupsrcstartupexe_common.inl @ 288]042f4df8 00ad18ad ConsoleApplication1!__scrt_common_main 0xd [D:a_work1ssrcvctoolscrtvcstartupsrcstartupexe_common.inl @ 331]042f4dfc 00ad1c48 ConsoleApplication1!mainCRTStartup 0x8 [D:a_work1ssrcvctoolscrtvcstartupsrcstartupexe_main.cpp @ 17]042f4e00 7646fa29 KERNEL32!BaseThreadInitThunk 0x19042f4e04 77d975f4 ntdll!__RtlUserThreadStart 0x2f042f4e08 77d975c4 ntdll!_RtlUserThreadStart 0x1b...

接下来再回答一个问题，页堆的堆块有没有头部附加信息呢？当然是有的，叫做 DPH_BLOCK_INFORMATION ，即在 UserPtr-0x20 的位置，我们可以用 dt 显示一下。

9	0:000> ?? sizeof(ntdll!_DPH_BLOCK_INFORMATION)unsigned int 0x20 0:000> dt ntdll!_DPH_BLOCK_INFORMATION 056e5ff0-0x20 0x000 StartStamp : 0xabcdbbbb 0x004 Heap : 0x056e1000 Void 0x008 RequestedSize : 9 0x00c ActualSize : 0x1000 0x010 FreeQueue : _LIST_ENTRY [ 0x0 - 0x0 ] 0x010 FreePushList : _SINGLE_LIST_ENTRY 0x010 TraceIndex : 0 0x018 StackTrace : 0x042f4dcc Void 0x01c EndStamp : 0xdcbabbbb ...

根据上面两个输出，在脑海中应该可以绘出如下图：

这里要稍微解释下 栅栏页 的概念。

4. 栅栏页

每一个 heap_entry 都会占用 8k 的空间，第一个 4k 是用户区，第二个 4k 是栅栏区，为了就是当代码越界时访问了这个栅栏页会立即报错，因为栅栏页是禁止访问的，我们可以提取 UserAddr 附近的内存，看看 056e6000= 056e5000 0x1000 后面是不是都是问号。

0:000> dp 056e5ff0 056e5ff0 c0c0c0c0 c0c0c0c0 d0d0d0c0 d0d0d0d0056e6000 ???????? ???????? ???????? ????????056e6010 ???????? ???????? ???????? ????????056e6020 ???????? ???????? ???????? ????????056e6030 ???????? ???????? ???????? ????????056e6040 ???????? ???????? ???????? ????????056e6050 ???????? ???????? ???????? ????????056e6060 ???????? ???????? ???????? ????????0:000> !address 056e5000 0x1000Usage: PageHeapBase Address: 056e6000End Address: 057e0000Region Size: 000fa000 (1000.000 kB)State: 00002000 MEM_RESERVEProtect: <info not present at the target>Type: 00020000 MEM_PRIVATEAllocation Base: 056e0000Allocation Protect: 00000001 PAGE_NOACCESSMore info: !heap -p 0x56e1000More info: !heap -p -a 0x56e6000Content source: 0 (invalid), length: fa000

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