Thunk 技术的一个改进 - VC知识库文章

Thunk 技术的一个改进

作者：南风

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摘要：介绍了 thunk 技术中如何避免直接写机器码。

关键字：Thunk  机器码 this指针

　　Thunk技术，一般认为是在程序中直接构造出可执行代码的技术（在正常情况下，这是编译器的任务）。《深度探索C++对象模型》中对这个词的来源有过考证(在中文版的162页)，说thunk是knuth的倒拼字。knuth就是大名鼎鼎的计算机经典名著《The Art of Computer Programming》的作者，该书被程序员们称为“编程圣经”，与牛顿的“自然哲学的数学原理”等一起，被评为“世界历史上最伟大的十种科学著作”之一(也不知是谁评的，我没查到，不过反正这本书很牛就是了)。
一般情况下，使用thunk技术都是事先查好指令的机器码，然后将数组或结构体赋值为这些机器码的二进制值，最后再跳转到数组或结构体的首地址。比如在参考文献[1]中的代码：

void foo(int a){ printf ("In foo, a = %d\n", a); }unsigned char code[9];* ((DWORD *) &code[0]) = 0x042444FF; /* inc dword ptr [esp+4] */code[4]  = 0xe9;       /* JMP */* ((DWORD *) &code[5]) = (DWORD) &foo - (DWORD) &code[0] - 9; /* 跳转偏移量 */void (*pf)(int/* a*/) = (void (*)(int)) &code[0];pf (6);

　　这是一段典型的thunk代码，其执行结果是“In foo, a = 7”。
可以看到，它定义了一个数组code[9]，然后将事先查好的各汇编指令的机器码直接赋值给数组。然后定义一个函数指针等于数组的首地址，最后通过该函数指针调用thunk代码。这里使用了函数指针完成调用，好处是代码比较清晰易读。也可以使用汇编代码jmp或call来完成，这样就不必额外定义一个函数指针。
网络上的thunk代码，基本上都是这个思路。如果你实际写一段这样的代码，一定会发现很麻烦。对着教科书查找每一个汇编指令的机器码，相信不会是一件愉快的事情。其实我们回过头来想想，这件事计算机来做不是最合适吗，编译器不就是做这个事情的吗？
以上面的代码为例，让我们重新考虑一下整个过程。我们的目的是在调用函数foo之前将参数增加1。一般而言，这样做肯定是没有foo函数的源代码或者不允许修改源代码，否则直接改foo函数的代码就好了，何必这么麻烦。为了调用时候的简单化，定义一个函数指针是比较合适的，否则每次调用都写汇编代码jmp或call太麻烦。这样一来，函数指针必须指向一个代码段的地址。但是这个代码段必须用机器码来构造吗，直接写汇编代码也同样可以做到。
当然，这里有一个问题。我们写汇编指令的时候，必须是一条指令一条指令的写，不能说指令写一半，然后让汇编程序去处理。上面的代码中，第一条指令inc直接写汇编语句当然没问题。但下面的jmp语句，就不能直接写。因为我们写汇编语句的时候，jmp跳转偏移量是未知的，必须编译后才知道。并且我们不能只写jmp而不写偏移量，那是通不过编译的。
这个问题可以这样解决，写jmp语句的时候，我们写一个占位的DWORD，其值设为一个特殊的值，比如0xffff(原理是这样，实际处理还要迂回一下，后面有说明)。只要在这段thunk代码中不出现这个值就好。然后执行的时候，在第一次调用之前，在thunk代码中查找该值，将其替换为计算出来的动态值。经过这样的处理，就可以彻底在thunk代码中消除机器码的直接操作。
更一般化，为了生成正确的机器码，我们用两个函数。一个用于生成机器码的模板，另一个函数用于在机器码的模板中填入需要动态计算产生的值。下面是一个例子:

void ThunkTemplate(DWORD& addr1,DWORD& addr2)//生成机器码{int flag = 0;DWORD x1,x2;if(flag){//注意,这个括号中的代码无法直接执行,因为其中可能含有无意义的占位数。__asm{thunk_begin:;//这里写thunk代码的汇编语句....thunk_end:   ;}}__asm{mov   x1,offset thunk_begin; //取 Thunk代码段 的地址范围.mov   x2,offset thunk_end;}addr1 = x1;addr2 = x2;}

上面的函数用于生成thunk的机器码模板，之所以称为模板，是因为其中包含了无意义的占位数，必须将这些占位数替换为有意义的值之后，才可以执行这些代码。因此，在函数中thunk代码模板放在一个if(0)语句中，就是避免调用该函数的时候执行thunk代码。另外，为了能方便的得到thunk代码模板的地址，这里采用一个函数传出thunk代码的首尾地址。

至于替换占位数的功能是很简单的，直接替换就好。

void ReplaceCodeBuf(BYTE *code,int len, DWORD old,DWORD x)//完成动态值的替换.{int i=0;for(i=0;i这样使用两个函数：
DWORD addr1,addr2;ThunkTemplate(addr1,addr2);memset(m_thunk,0,100);//m_thunk是一个数组: char m_thunk[100];memcpy(m_thunk,(void*)addr1,addr2-addr1);//将代码拷贝到m_thunk中。ReplaceCodeBuf(m_thunk,addr2-addr1,-1,(DWORD)((void*)this));//将m_thunk中的-1替换为this指针的值。
原理部分到此为止。下面举一个完整的，有实际意义的例子。在windows中，回调函数的使用是很常见的。比如窗口过程，又比如定时器回调函数。这些函数，你写好代码，但是却从不直接调用。相反，你把函数地址传递给系统，当系统检测到某些事件发生的时候，系统来调用这些函数。这样当然很好，不过如果你想做一个封装，将所有相关部分写成一个类，那问题就来了。 
问题是，这些回调函数的形式事先已经定义好了，你无法让一个类的成员函数成为一个回调函数，因为类型不可能匹配。这不能怪微软，微软不可能将回调函数定义为一个类成员函数（该定义为什么类？），而只能将回调函数定义为一个全局的函数。并且微软其实很多时候也提供了补救措施，在回调函数中增加了一个void*的参数。这个参数一般都用来传递类的this指针。这样一来，可以这样解决：给系统提供一个全局函数作为回调函数，在该函数中通过额外的那个void*参数访问到类的对象，从而直接调用到类成员函数。如此，你的封装一样可以完成，不过多了一次函数调用而已。 

但是，不是所有的回调函数都这么幸运，微软都给它们提供了一个额外的参数。比如，定时器的回调函数就没有。
VOID CALLBACK TimerProc(HWND hwnd,         // handle to windowUINT uMsg,         // WM_TIMER messageUINT_PTR idEvent,  // timer identifierDWORD dwTime       // current system time);
四个参数，个个都有用途。没有地方可以让你传递那个this指针。当然了，你实在要传也可以做到，比如将hwnd设置为一个结构体的指针，其中包含原来的hwnd和一个this指针。在定时器回调函数中取出hwnd后强制转化为结构体指针，取出原来的hwnd，取出this指针。现在就可以通过this指针自由的调用类成员函数了。不过这种方法不是我想要的，我要的是一个通用，统一的解决方法。通过在参数里面加塞夹带的方法，一般也是没有问题的，不过如果碰到一个回调函数没有参数怎么办？另外，本来是封装为一个类的，结果还是要带着一个全局函数，你难道不觉得有些不爽吗？
这正是thunk技术大显身手的地方了。我们知道，所谓类成员函数，和对应的全局函数，其实就差一个this指针。如果我们在系统调用函数之前正确处理好this指针，那系统就可以正确的调用类成员函数。
具体的思路是这样的：当系统需要一个回调函数地址的时候，我们传递一个thunk代码段的地址。这个代码段做两件事:
1、准备好this指针
2、调用成员函数
关键的代码如下（完整的工程在附件中）:
void ThunkTemplate(DWORD& addr1,DWORD& addr2,int calltype=0){int flag = 0;DWORD x1,x2;if(flag){__asm //__thiscall{thiscall_1:    mov   ecx,-1;   //-1占位符,运行时将被替换为this指针.mov   eax,-2;   //-2占位符,运行时将被替换为CTimer::CallBcak的地址.jmp   eax;thiscall_2:  ;}__asm //__stdcall{stdcall_1:push  dword ptr [esp]        ; //保存（复制）返回地址到当前栈中mov   dword ptr [esp+4], -1  ; //将this指针送入栈中，即原来的返回地址处mov   eax,  -2;jmp   eax                    ; //跳转至目标消息处理函数（类成员函数）stdcall_2: ;}}if(calltype==0)//this_call{__asm{mov   x1,offset thiscall_1;  //取 Thunk代码段 的地址范围.mov   x2,offset thiscall_2 ;}}else{__asm{mov   x1,offset stdcall_1;mov   x2,offset stdcall_2 ;}}addr1 = x1;addr2 = x2;}
上面的函数有几个地方需要说明：
1、为了能适应两种不同的成员函数调用约定，这里写了两份代码。通过参数calltype决定拷贝哪一份代码到缓冲区。
2、本来一条jmp xxxx;指令这里分解为两条指令:
mov eax,-2;jmp eax;
　　这是由汇编语言的特点决定的。直接写jmp -2是通不过的（根据地址的不同，jmp汇编后可能出现好几种形式。这里必须出现一个真实的地址以便汇编器决定jmp类型）。
3、如果对this指针的知识不清楚，请参考我在vc知识库的另外一篇文章《直接调用类成员函数地址》。
设置thunk代码的完整代码如下：
DWORD FuncAddr;GetMemberFuncAddr_VC6(FuncAddr,&CTimer::CallBcak);DWORD addr1,addr2;ThunkTemplate(addr1,addr2,0);memset(m_thunk,0,100);memcpy(m_thunk,(void*)addr1,addr2-addr1);ReplaceCodeBuf(m_thunk,addr2-addr1,-1,(DWORD)((void*)this)); //将-1替换为this指针.ReplaceCodeBuf(m_thunk,addr2-addr1,-2,FuncAddr); //将-2替换为成员函数的指针.
如果你还想和以前一样直接在数组中赋值机器码（毕竟这样看起来很酷，我完全理解）。那也可以这样，调用ThunkTemplate生成m_thunk后，打印出该数组的值，而后在程序中直接给m_thunk数组赋值，就象网上大部分thunk代码那样，当然在调用前要多一个步骤就是替换掉占位数。不过无论如何，调用这两个函数生成机器码应该比手工查找方便多了，如果你也这样认为，那就算我这篇文章没白写。
参考文献：基于 Thunk 实现的类成员消息处理函数