APC机制初探

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本质

线程是不能被“杀掉”、“挂起”、“恢复”的，线程在执行的时候自己占据着CPU,别人怎么可能控制它呢？

举个极端的例子：如果不调用API,屏蔽中断,并保证代码不出现异常，线程将永久占用CPU，何谈控制呢?所以说线程如果想“死”，一定是自己执行代码把自己杀死，不存在“他杀”这种情况！

那如果想改变一个线程的行为该怎么办呢?

可以给他提供一个函数，让它自己去调用，这个函数就是APC(Asyncroneus Procedure Call)，即异步过程调用。

APC队列

kd> dt _KTHREAD

nt!_KTHREAD

 ...

   +0x034 ApcState     : _KAPC_STATE

 ...



kd> dt _KAPC_STATE

nt!_KAPC_STATE

  +0x000 ApcListHead //2个APC队列 用户APC和内核APC

  +0x010 Process //线程所属或者所挂靠的进程

  +0x014 KernelApcInProgress //内核APC是否正在执行

  +0x015 KernelApcPending //是否有正在等待执行的内核APC

  +0x016 UserApcPending //是否有正在等待执行的用户APC
       


用户APC：APC函数地址位于用户空间，在用户空间执行

内核APC：APC函数地址位于内核空间，在内核空间执行

APC函数何时被执行?

KiServiceExit函数：

这个函数是系统调用、异常或中断返回用户空间的必经之路。

KiDeliverApc函数：

负责执行APC函数

逆向TerminateThread/ResumeThread

// APC1.cpp : 此文件包含 "main" 函数。程序执行将在此处开始并结束。
//

#include <iostream>
#include <Windows.h>


DWORD WINAPI MyThread(LPVOID)
{
 int i = 0;

 while (true)
 {
  SleepEx(300, TRUE);
  printf("%dn", i++);
 }
}

void __stdcall MyApcFunction(LPVOID)
{
 printf("Run APCFuntionn");

 printf("APCFunction donen");
}

int main(int argc, char* argv[])
{
 HANDLE hThread = CreateThread(0, 0, MyThread, 0, 0, 0);

 Sleep(1000);
 if (!QueueUserAPC((PAPCFUNC)MyApcFunction, hThread, NULL))
 {
  printf("QueueUserAPC error : %dn", GetLastError());
 }
 getchar();
 return 0;
}

QueueUserApc

然后通过0xB4的调用号进入ring0

最后是调用KeInitializeApc和KeInsertQueueApc这两个函数来实现APC的效果

备用APC

kd> dt _KTHREAD
nt!_KTHREAD
   ...
   +0x034 ApcState         : _KAPC_STATE
   ...
   +0x138 ApcStatePointer  : [2] Ptr32 _KAPC_STATE
  ...
   +0x14c SavedApcState    : _KAPC_STATE
  ...
   +0x165 ApcStateIndex    : UChar
   +0x166 ApcQueueable     : UChar

SavedApcState

挂靠环境下ApcState的意义

ApcStatePointer 

ApcStateIndex

  用来标识当前线程处于什么状态

  0 正常状态 1 挂靠状态

ApcStatePointer 与 ApcStateIndex组合寻址

  正常情况下，向ApcState队列中插入APC时：

  挂靠情况下，向ApcState队列中插入APC时：

  ApcStatePointer[1] 指向 ApcState 此时 ApcStateIndex 的值为1

  ApcStatePointer[ApcStateIndex] 指向 ApcState

  总结：

  无论什么环境下，ApcStatePointer[ApcStateIndex] 指向的都是ApcState，ApcState则总是表示线程当前使用的apc状态

APC挂入

KAPC

kd> dt _KAPC
nt!_KAPC
   +0x000 Type  //类型  APC类型为0x12
   +0x002 Size  //本结构体的大小  0x30
   +0x004 Spare0     //未使用                             
   +0x008 Thread   //目标线程                                  
   +0x00c ApcListEntry //APC队列挂的位置
   +0x014 KernelRoutine //指向一个函数(调用ExFreePoolWithTag 释放APC)
   +0x018 RundownRoutine//略 
   +0x01c NormalRoutine //用户APC总入口  或者 真正的内核apc函数
   +0x020 NormalContext //内核APC：NULL  用户APC：真正的APC函数
   +0x024 SystemArgument1//APC函数的参数 
   +0x028 SystemArgument2//APC函数的参数
   +0x02c ApcStateIndex //挂哪个队列，有四个值：0 1 2 3
   +0x02d ApcMode //内核APC 用户APC
   +0x02e Inserted //表示本apc是否已挂入队列 挂入前：0  挂入后  1

挂入流程

KeInitializeApc(APC初始化)

VOID KeInitializeApc
(
IN PKAPC Apc,//KAPC指针
IN PKTHREAD Thread,//目标线程
IN KAPC_ENVIRONMENT TargetEnvironment,//0 1 2 3四种状态
IN PKKERNEL_ROUTINE KernelRoutine,//销毁KAPC的函数地址
IN PKRUNDOWN_ROUTINE RundownRoutine OPTIONAL,
IN PKNORMAL_ROUTINE NormalRoutine,//用户APC总入口或者内核apc函数
IN KPROCESSOR_MODE Mode,//要插入用户apc队列还是内核apc队列
IN PVOID Context//内核APC：NULL  用户APC：真正的APC函数
) 

ApcStateIndex 有四个值：
0 原始环境 1 挂靠环境 2 当前环境 3 插入APC时的当前环境

正常情况下：
 ApcStatePointer[0]  指向 ApcState    
 ApcStatePointer[1]  指向 SavedApcState
挂靠情况下：
 ApcStatePointer[0]  指向 SavedApcState
 ApcStatePointer[1]  指向 ApcState    

2 初始化的时候，当前进程的ApcState

3 插入的时候，当前进程的ApcState    

当传入值为3时，使用的是当前进程的APC，那么这里跟2有什么区别呢？

当初始化的时候可能处于原始环境，也可能处于挂靠环境，在即将插入的那个时候可能环境发生了改变，所以传入值设置为3

伪代码分析

KiInsertQueueApc(插入APC队列)

1) 根据KAPC结构中的ApcStateIndex找到对应的APC队列

2) 再根据KAPC结构中的ApcMode确定是用户队列还是内核队列

3) 将KAPC挂到对应的队列中(挂到KAPC的ApcListEntry处)

4) 再根据KAPC结构中的Inserted置1，标识当前的KAPC为已插入状态

5) 修改KAPC_STATE结构中的KernelApcPending/UserApcPending

1、Alertable=0 当前插入的APC函数未必有机会执行：UserApcPending = 0

2、Alertable=1 UserApcPending = 1 将目标线程唤醒(从等待链表中摘出来，并挂到调度链表)

NTKERNELAPI
BOOLEAN
KeInsertQueueApc (
    __inout PRKAPC Apc,
    __in_opt PVOID SystemArgument1,
    __in_opt PVOID SystemArgument2,
    __in KPRIORITY Increment    //优先级，3环添加用户APC时默认为0.
);
/*++
 
Routine Description:
 
    This function inserts an APC object into the APC queue specifed by the
    thread and processor mode fields of the APC object. If the APC object
    is already in an APC queue or APC queuing is disabled, then no operation
    is performed. Otherwise the APC object is inserted in the specified queue
    and appropriate scheduling decisions are made.
 
Arguments:
 
    Apc - Supplies a pointer to a control object of type APC.
 
    SystemArgument1, SystemArgument2 - Supply a set of two arguments that
        contain untyped data provided by the executive.
 
    Increment - Supplies the priority increment that is to be applied if
        queuing the APC causes a thread wait to be satisfied.
 
Return Value:
 
    If the APC object is already in an APC queue or APC queuing is disabled,
    then a value of FALSE is returned. Otherwise a value of TRUE is returned.
 
--*/

如果是插入到其他线程的APC并且是个用户APC

如果这个APC是内核APC并且是插入到其他线程的