TLS回调函数的学习

TLS回调函数的学习
2023-1-20 10:14:0 Author: xz.aliyun.com(查看原文) 阅读量:18 收藏

本篇文章主要学习有关TLS（Thread Local Storage，线程局部存储）回调函数（CallBack Function），这种回调函数由于其特殊的特性通常会被运用于反调试技术中。本篇文章将通过分析代码，直接调试和手动创建TLS回调函数三个部分来学习有关TLS回调函数的知识。

首先简单了解一下有关于TLS的基础知识，根据TLS的英文全称的翻译其实可以粗略的看出来一些特性。TLS实际上是一块存储空间，这块存储空间是各个线程的独立的数据存储空间。也可以说TLS是一种变量的存储方式，这个变量所在的线程内是全局可访问的（可以修改进程的全局数据和静态变量），但是这个变量不能被其它的线程所访问（保证数据的线程独立性）。

IMAGE_DATA_DIRECTORY TLSDirectory：

在启用了TLS功能的PE文件中，会设置有关于TLS的TLS Table（TLS表），这个表的位置信息可以在IMAGE_OPTION_HEADER中找到：

这里的VirtualAddress指向的RVA是0x9310（对应RAW为0x7910）这个指针实际上是指向一个结构体：IMAGE_TLS_DIRECTORY

这个结构体中存储了有关于TLS模板的各个数据，根据程序编译时的位数不同分为32位和64位两种结构，具体如下：

typedef struct _IMAGE_TLS_DIRECTORY32 {
    DWORD   StartAddressOfRawData;
    DWORD   EndAddressOfRawData;
    DWORD   AddressOfIndex;             // PDWORD
    DWORD   AddressOfCallBacks;         // PIMAGE_TLS_CALLBACK *
    DWORD   SizeOfZeroFill;
    union {
        DWORD Characteristics;
        struct {
            DWORD Reserved0 : 20;
            DWORD Alignment : 4;
            DWORD Reserved1 : 8;
        } DUMMYSTRUCTNAME;
    } DUMMYUNIONNAME;

} IMAGE_TLS_DIRECTORY32;
typedef IMAGE_TLS_DIRECTORY32 * PIMAGE_TLS_DIRECTORY32;

typedef struct _IMAGE_TLS_DIRECTORY64 {
    ULONGLONG StartAddressOfRawData;
    ULONGLONG EndAddressOfRawData;
    ULONGLONG AddressOfIndex;         // PDWORD
    ULONGLONG AddressOfCallBacks;     // PIMAGE_TLS_CALLBACK *;
    DWORD SizeOfZeroFill;
    union {
        DWORD Characteristics;
        struct {
            DWORD Reserved0 : 20;
            DWORD Alignment : 4;
            DWORD Reserved1 : 8;
        } DUMMYSTRUCTNAME;
    } DUMMYUNIONNAME;

} IMAGE_TLS_DIRECTORY64;

结构体中各个参数的意义大致如下：

StartAddressOfRawData：TLS模板的起始位置的VA，这个所谓的模板其实就是用于初始化TLS函数的数据
EndAddressOfRawData：TLS模板终止位置的VA
AddressOfIndex：存储TLS索引的位置
AddressOfCallBacks：指向TLS注册的回调函数的函数指针(地址)数组
SizeOfZeroFill：用于指定非零初始化数据后面的空白空间的大小
Characteristics：属性

在这些成员中最为重要的是AddressOfCallBacks，这个成员是一个指向函数地址数组的指针，这里的函数的地址就是TLS需要调用的回调函数的实际地址

首先简单介绍一下什么是TLS回调函数。前面有说到，在IMAGE_TLS_DIRECTORY中有一个成员AddressOfCallBacks中存储这指向TLS回调函数具体地址数组的指针，这里的的回调函数具体地址指的就是TLS回调函数。

TLS回调函数是指，每当创建/终止线程时会自动调用执行的函数（创建进程的主线程时也会自动调用回调函数，且回调函数的执行顺序是先于EP代码的执行，所以TLS回调函数的这个特性通常被用于反调试技术）由于是创建和终止线程时都会调用，所以在程序从打开到结束这个TLS回调函数会被执行两次。

TLStest1.cpp：

下面先来看一段代码，初步了解一下TLS回调函数在编程中具体是如何使用的：

#include <windows.h>

#pragma comment(linker, "/INCLUDE:__tls_used") //告知链接器将要使用TLS功能

void NTAPI TLS_CALLBACK(PVOID DllHandle, DWORD Reason, PVOID Reserved) //TLS回调函数
{
    if( IsDebuggerPresent() )
    {
        MessageBoxA(NULL, "Debugger Detected!", "TLS Callback", MB_OK);
        ExitProcess(1);
    }
}

#pragma data_seg(".CRT$XLX") //注册TLS回调函数
    PIMAGE_TLS_CALLBACK pTLS_CALLBACKs[] = { TLS_CALLBACK, 0 };
#pragma data_seg()

int main(void)
{
    MessageBoxA(NULL, "Hello :)", "main()", MB_OK);
}

首先要说的是TLS回调函数定义的具体模板写法，如下：

typedef VOID (NTAPI *PIMAGE_TLS_CALLBACK)
    (
        PVOID DllHandle,
        DWORD Reason,
        PVOID Reserved
    );

这是回调函数的定义写法，但也可以向示例代码中那样直接写。

这里仔细观察回到函数的参数，会发现这个参数组成与DllMain的参数组成非常相似：

BOOL WINAPI DllMain(
    HINSTANCE hinstDLL,
    DWORD fdwReason,
    LPVOID lpvReserved
)

这两个函数参数的意义其实都是一样的：

DllHandle（hinstDLL）：模块加载地址
Reason（fdwReason）：TLS回调函数被调用的原因（DLL模块被加载的原因）
Reserved（lpvReserved）：保留字段

这里的reason组成如下：

#define DLL_PROCESS_ATTACH  1
#define DLL_THREAD_ATTACH   2
#define DLL_THREAD_DETACH   3
#define DLL_PROCESS_DETACH  0

然后就是关于这个使用组合：

#pragma comment(linker, "/INCLUDE:__tls_used")
'
'
'
#pragma data_seg(".CRT$XLX")
    PIMAGE_TLS_CALLBACK pTLS_CALLBACKs[] = { TLS_CALLBACK, 0 };
#pragma data_seg()

这个就是在编程时启用TLS功能并注册TLS回调函数的具体操作步骤，其中：

#pragma comment(linker, "/INCLUDE:__tls_used")

这一句是固定句式，告知链接器该程序将要启动TLS功能，后面的：

#pragma data_seg(".CRT$XLX")
    PIMAGE_TLS_CALLBACK pTLS_CALLBACKs[] = { TLS_CALLBACK, 0 };
#pragma data_seg()

这一段中的data_seg告知链接器将TLS_CALLBACK放置于data数据段（共享数据段），而PIMAGE_TLS_CALLBACK是一个数组指针，这就是在设置前面提到的IMAGE_TLS_DIRECTORY结构体中AddressOfCallBacks的具体数值。

还有就是这个CRT，这个标识将采用C Runtime机制（运行时机制，具体可以再去了解），X表示名随机，L表示TLS callback section，X可以替换为B~Y的任意字符。

上面这个写法其实在上一篇文章中也有提到，也就是设置两个程序间可以进行交流的共享数据节区：

#pragma comment(linker,"/SECTION:.SHARE,RWS")
.
.
.
#pragma data_seg(".SHARE")
    TCHAR g_szProcName[MAX_PATH] = { 0, };
#pragma data_seg()

调试测试1：

现在来调试测试一下TLStest1.cpp这个程序，首先是直接运行：

这里只有这样一个窗口，但是当我们在调试器中运行这个程序时：

步进跟随这个程序，会发现程序出现的窗口与之前的窗口并不一样：

这是由于程序中的回调函数中有一个简单的反调试手段，程序调用了API函数IsDebuggerPresent判断程序当前是否处于调试状态，如果是的话就会弹出另一个窗口并退出程序。

（这里的调试器我是用的x32dbg，因为高版本的OD中自带了Anti_Anti_Debug功能，也就是反反调试，这里的反调试手段又比较简单可能会被直接kill掉，所以在调试TLS回调函数时要将Anti_Anti_Debug关掉）

TLStest2.cpp：

下面这个程序将会更加直观的体现出TLS回调函数的执行过程即执行时间，具体源码如下：

#include <windows.h>

#pragma comment(linker, "/INCLUDE:__tls_used")

void print_console(char* szMsg)
{
    HANDLE hStdout = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);

    WriteConsoleA(hStdout, szMsg, strlen(szMsg), NULL, NULL);
}

void NTAPI TLS_CALLBACK1(PVOID DllHandle, DWORD Reason, PVOID Reserved) //回调函数1
{
    char szMsg[80] = {0,};
    wsprintfA(szMsg, "TLS_CALLBACK1() : DllHandle = %X, Reason = %d\n", DllHandle, Reason);
    print_console(szMsg);
}

void NTAPI TLS_CALLBACK2(PVOID DllHandle, DWORD Reason, PVOID Reserved) //回调函数2
{
    char szMsg[80] = {0,};
    wsprintfA(szMsg, "TLS_CALLBACK2() : DllHandle = %X, Reason = %d\n", DllHandle, Reason);
    print_console(szMsg);
}

#pragma data_seg(".CRT$XLX")
    PIMAGE_TLS_CALLBACK pTLS_CALLBACKs[] = { TLS_CALLBACK1, TLS_CALLBACK2, 0 };
#pragma data_seg()

DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lParam) //线程函数
{
    print_console("ThreadProc() start\n");

    print_console("ThreadProc() end\n");

    return 0;
}

int main(void)
{
    HANDLE hThread = NULL;

    print_console("main() start\n");

    hThread = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, NULL, 0, NULL); //创建线程
    WaitForSingleObject(hThread, 60*1000); //等待线程执行
    CloseHandle(hThread);

    print_console("main() end\n");

    return 0;
}

程序构造不复杂这里就不过多赘述，主要提一下这个程序中为什么没有使用printf来打印文本：

这是由于在开启C Runtime机制且编译选择/MT的情况下，TLS函数在首次加载进程序时可能是无法调用printf函数的，所以这里用API：WriteConsole()来代替，这个API函数的功能是从当前光标位置开始将字符串写入控制台屏幕缓冲区。

在命令行窗口中执行这个程序：

根据这里的Reason值可以直观的看见TLS回调函数被执行的时间点：主线程创建时（DLL_PROCESS_ATTACH），子线程创建时（DLL_THREAD_ATTACH），子线程结束时（DLL_THREAD_DETACH），主线程结束时（DLL_PROCESS_DETACH）

首先可以先随意编写一个简单的程序，并将其编译成可执行文件，比如这里示例就是编写了一个简单的弹窗程序：

#include "windows.h"

void main()
{
    MessageBoxA(NULL, "Hello :)", "main()", MB_OK);
}

之后使用十六进制编辑器打开这个PE文件，然后就可以任意修改这个PE文件的构造了。

设计规划：

直接修改PE文件是比较复杂的，所以要先规划好修改的思路。首先要关心的将要添加的数据放在哪儿的问题。

这里主要有三种方法：

添加到某个节区末尾的空白区域
增大最后一个节区的大小创造出“空白区域”
添加新的节区

这里由于我们要插入一个IMAGE_TLS_DIRECTORY结构体以及TLS回调函数的代码，所以第一个方法不太适用（因为不一定能找到合适大小的空白区域），第三个方法需要修改的东西很多且操作比较复杂，所以这里选择第二种方法：增大最后一个节区的大小。

在找到存放插入数据的空白区域后就要启动程序中的TLS功能，由于这个功能的开关是由IMAGE_OPTION_HEADER中的IMAGE_DATA_DIRECTORY TLSDirectory控制的，所以要在这里设置指向IMAGE_TLS_DIRECTORY的指针。

然后就是到增加的新的空白区域中编辑IMAGE_TLS_DIRECTORY结构体以及对应TLS回调函数的具体代码

扩展节区：

根据PE文件的结构知识，一个节区的具体大小是由IMAGE_SECTION_HEADER中的成员数据来决定的，所以要先找到最后一个节区的节区头如下：

在这里将SizeOfRawData的值修改为400h（注意由于这个文件中的File Alignment是200，所以节区的实际大小要是200的整数倍，也就是要注意文件对齐），又因为将要在新增添的节区中插入TLS回调函数的实际代码，所以要将节区的属性进行修改，我们需要增添以下属性：

IMAGE_SCN_CNT_CODE  00000020    该节区存在可执行代码
IMAGE_SCN_MEM_EXECUTE   20000000    该节区可执行
IMAGE_SCN_MEM_WRITE 80000000    该节区可写

讲这些属性对应的数值加到原来的属性上即可得到新的属性值：E00000060，这里总的修改如下：

设置数据目录：

这里就是设置可选头中的数据目录来开启该程序的TLS功能，首先找到可选头中的数据目录的对应位置，即：IMAGE_DATA_DIRECTORY TLSDirectory，如下：

这里由于没有开启TLS功能所以该数据目录中的值都为0，由于我们要将IMAGE_TLS_DIRECTORY结构体添加到文件的最后位置上，所以就将这里的指针指向文件末尾（RVA为0x9200，FOA为C200），所以将这里修改为C200，IMAGE_TLS_DIRECTORY结构体的大小为0x18，所以将Size成员修改为0x18，总的修改如下：

设置IMAGE_TLS_DIRECTORY结构体：

现在来到文件末尾添加IMAGE_TLS_DIRECTORY结构体。首先要向文件中再插入0x200个空字节（一定要插入0x200个，不能直接修改后保存，因为要考虑文件对齐的问题），然后再来看一下IMAGE_TLS_DIRECTORY结构体的成员组成：

typedef struct _IMAGE_TLS_DIRECTORY32 {
    DWORD   StartAddressOfRawData;
    DWORD   EndAddressOfRawData;
    DWORD   AddressOfIndex;             // PDWORD
    DWORD   AddressOfCallBacks;         // PIMAGE_TLS_CALLBACK *
    DWORD   SizeOfZeroFill;
    union {
        DWORD Characteristics;
        struct {
            DWORD Reserved0 : 20;
            DWORD Alignment : 4;
            DWORD Reserved1 : 8;
        } DUMMYSTRUCTNAME;
    } DUMMYUNIONNAME;

} IMAGE_TLS_DIRECTORY32;
typedef IMAGE_TLS_DIRECTORY32 * PIMAGE_TLS_DIRECTORY32;

本次修改中各个成员对应的值如下：