windows下分頁機制淺談

引子：
?一直在研究惡意代碼方向與逆向軟件方向，面試聊了windows內核與保護模式相關知識，有很多沒有回答上來，確實研究過相關資料，但是沒有深入研究，加上長時間沒有復習，有些遺忘了
?基本功不扎實，畢竟好久沒寫過驅動編程與復習內核/保護模式相關的知識，所以靜下心來復習一下吧。
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4GB的虛擬內存結構：

更多的詳細劃分請參考這篇博客：https://blog.csdn.net/wang010366/article/details/52730052

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一個進程地址如何映射到物理地址的？

????????????????????圖片一：映射關系
?上述圖片只是片面的闡釋，一個虛擬內存地址通過頁表轉換，映射到物理內存地址，多個進程其實都是通過這種機制映射到物理內存。

????????????????????圖片二：地址映射過程
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?圖片二是虛擬地址映射，注意：缺少了分頁的層級，頁表中每一項都是一個分頁。映射的物理地址過程如何實現的？先介紹Cr0系列的控制寄存器，面試的時候忘的一干二凈，那就在學一遍：

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????????????????????圖片三：控制寄存器

?什么是PE,PG,WP呢？
?1、PE：CR0寄存器的第0位，Protection Enable，啟用保護標志。如果該位為1，開啟了保護模式，反之關閉，當開啟保護模式的時候PE\PG都會置位。
?2、PG：CR0寄存器的第31位，Paging，分頁標志位。如果為1則開啟分頁機制，禁止分頁的話線性地址等同于物理地址，若開啟標志位意味著需要開啟保護模式。
?3、WP：CR0寄存器的第16位，Write Proctect，寫保護標志。WP==1的時候意味著只讀頁面不可執(zhí)行寫操作，wp==0的時候意味著只讀頁面可執(zhí)行寫操作。
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?CR3寄存器保存了每個進程的頁目錄地址，什么叫做頁目錄呢？
?Windows下開啟保護模式與分頁機制后，當前CR0寄存器的屬性PE == 1 AND PG == 1，意味著進程中的虛擬地址將通過頁表轉換映射相對應的物理地址上，如圖二所示，我們手工的獲取來學習：
首先介紹一下分頁機制其中一種記錄方式：

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?PAE模式：Physical address extension，物理擴展模式。能夠在32位操作系統訪問超過4GB尋址大小的模式，允許將最多64GB 的物理內存用作常規(guī)的4 KB 頁面，并擴展內核能使用的位數以將物理內存地址從32擴展到36。
?非PAE模式：在非物理擴展模式下，32位最大只能4GB所以，即使你有8G的內存條，也是白費。
?那么在非PAE模式下，操作系統分頁機制如何實現的？每個分頁4kb，一共4GB的內存，4194304KB大小也就是一共1048576個分頁，那么如何高效的管理這些分頁呢？
?1024(PDT) × 1024(PTT) × 4096 = 4GB
?1024(PTT) × 1024(PTE) × 4 = 4MB
?1024(PDT) ×1024(PTE) = 1MB
如上述公式所示，就是通過這種方式來管理4GB的內存分頁，PDT，PTT，PTE又是什么，如下所示

???????????????????圖片四：地址解析

?需要配合圖二一起理解，操作系統會通過CR3寄存器獲取當前進程的頁表目錄地址，然后根據虛擬地址拆分為10，10，12比例，找到頁目錄，找到頁表，然后找到分頁加上對應的偏移（物理內存），為了方便理解，當然也是動手寫個小程序，在windbg下一探究竟。

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?編寫測試代碼，如下所示：

int main()
{
    printf("虛擬地址：0x%X\n", "hello world");
    cout << "hello world" << endl;
    system("pause");
}

??編譯后拖入虛擬機，開啟雙擊調試(測試環(huán)境win7 32位)，運行測試程序（不要關閉回車），windbg下輸入!process 0 0查看全部進程及各部分說明，如下所示：

?????????????????圖片五：雙擊調試
??上述進程說明中我們看到DirBase地址，這個就是當前進程指向的頁目錄，我們看看到底對不對?需要明確的字段PROCESS 0x86ca5c18是EPROCESS的地址，輸入指令dt 0x86ca5c18 _EPROCESS來看一看，如下所示：

?????????????????圖片六：EPROCESS
??一個進程的頁目錄怎樣找？在CreateProcess的第二個階段，會初始化進程的執(zhí)行體層EPROCESS數據結構與微內核層KPROCESS數據結構，系統DLL映像目標用戶空間且初始化PEB操等等，來看_KPROCESS結構+0x18字段是什么？如下所示：

?????????????????圖片七：DirectoryTableBase

??通過上述_KPROCESS獲取了PDT的地址，與解析出來PDT數據一樣的。每當CPU切片執(zhí)行進程時候，CR3就會被系統切換，CR3是不是讀取當前進程DirectoryTableBase字段作為切換數值有待研究，看一看PDT也就是頁表轉換的第一層結構，如下所示：

?????????????????圖片八：虛擬地址

??解釋兩個dd，因為這個以前也總是被同學問起，dd怎么啥東西都找不到，在windbg命令下，d系列命令只能查看虛擬地址, 查看物理地址需要使用!d系列命令，PDT是物理地址，如下所示：


?????????????????圖片九：物理地址
??根據上述一些理論性知識，如圖九中所展示的每項便是頁表地址（物理地址）,根據虛擬地址，測試是否能通過頁表轉換找到映射的物理存儲數據，所以第二步中沒輸出字符串虛擬地址（圖是昨天的），重新來一下（已經關閉了隨機基址），如下所示：

?????????????????圖片十：輸出字符串在虛擬內存地址
?根據圖片四把上述的虛擬地址進行分割，如下所示：

?????????????????圖片十一：虛擬地址轉換
??對應的二進制換算16進制 （1 <--> 19 <--> B30），其中1代表是頁目錄表中的第一項，查看頁目錄表之前需要對地址頁目錄的PTE了解，如下所示：

??如上圖所示，低12位是屬性，高位是地址， 然后頁表索引是19，數組元素是保存的指針，需要乘以4字節(jié)，如下所示：

?????????????????圖片十二：頁表查找
??怎么什么都沒有，還記著我們上述說過，這一臺記錄方式PAE與非PAE，我們現在所處的環(huán)境究竟是怎樣，我們打開cmd，利用bcdedit命令，先做了解如下所示:

?????????????????圖片十三：bcdedit

??修改當前pae模式以及nx模式，pae我們知道是物理擴展模式，nx是緩解機制，使某些內存區(qū)域不可執(zhí)行，并使可執(zhí)行區(qū)域不可寫DEP，我們也要改為Always Off模式，如下所示：

修改指令如下：

修改后屬性如下：

?????????????????圖片十四：屬性調整
?重啟系統后，再次按照上述步驟查找具體的分頁數據，如下所示：

?????????????????圖片十五：非PAE下目錄表
??那么解析虛擬地址之后，如何通過也目錄找到具體頁表呢？我們需要了解一下頁目錄中的每一項PDE數據，也就是指針如何分解的，如下所示：

?????????????????圖片十六：頁表地址解析

??通過上圖所示，我們知道低位12位是屬性，高位才是地址，意味著我們只需要BaseAddress + 第幾項PTT × 4（指針大小）就可以找到相對的頁表指針，如下所示：

?????????????????圖片十七：頁表

??找到了具體的頁表地址，也就是0x342f6025，加上具體的偏移（虛擬地址分解出的低12位）就可以找到映射的物理內存數據保存，當然地址還是要把地位屬性去掉，用地址+偏移即可，如下所示：

?????????????????圖片十八：物理內存

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?整個過程解析了虛擬地址將一個地址如何映射到物理內存，他們之間的存在的轉換映射關系，當然省略很多機制內部機制。片面的理解保護模式下分頁的重要性，我們跟多層面去學習研究虛擬內存與物理內存關系。