C#非托管泄漏中HEAP_ENTRY的Size对不上是怎么回事？

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时间 2022-09-19 12:45:19 一线码农聊技术

一：背景

1. 讲故事

前段时间有位朋友在分析他的非托管泄漏时，发现NT堆的 _HEAP_ENTRY 的 Size 和 !heap 命令中的 Size 对不上，来咨询是怎么回事？比如下面这段输出：


0:000> !heap 0000000000550000 -a
Index   Address  Name      Debugging options enabled
  1:   00550000 
    Heap entries for Segment00 in Heap 0000000000550000
                 address: psize . size  flags   state (requested size)
        0000000000550000: 00000 . 00740 [101] - busy (73f)
        0000000000550740: 00740 . 00110 [101] - busy (108)

0:000> dt nt!_HEAP_ENTRY 0000000000550740
ntdll!_HEAP_ENTRY
   +0x000 UnpackedEntry    : _HEAP_UNPACKED_ENTRY
   +0x000 PreviousBlockPrivateData : (null) 
   +0x008 Size             : 0xa6a7
   +0x00a Flags            : 0x33 '3'
   +0x00b SmallTagIndex    : 0x75 'u'
   ...

从输出中可以看到，用 !heap 命令的显示 0000000000550740 的 size=0x00110 ，而 dt 显示的 size=0xa6a7 ，那为什么这两个 size 不一样呢？毫无疑问 !heap 命令中显示的 0x00110 是对的，而 0xa6a7 是错的，那为什么会错呢？很显然 Windows 团队并不想让你能轻松的从 ntheap 上把当前的 entry 给挖出来，所以给了你各种假数据，言外之意就是 size 已经编码了。

原因给大家解释清楚了，那我能不能对抗一下，硬从 NtHeap 上将正确的size给推导出来呢？办法肯定是有办法的，这篇我们就试着聊一聊。

二：如何正确推导

1. 原理是什么？

其实原理很简单， _HEAP_ENTRY 中的 Size 已经和 _HEAP 下的 Encoding 做了异或处理。


0:004> dt nt!_HEAP 
ntdll!_HEAP
   ...
   +0x07c EncodeFlagMask   : Uint4B
   +0x080 Encoding         : _HEAP_ENTRY
   ...

那如何验证这句话是否正确呢？接下来启动 WinDbg 来验证下，为了方便说明，先上一段测试代码。


int main()
{
 for (size_t i = 0; i < 10000; i++)
 {
  int* ptr =(int*) malloc(sizeof(int) * 1000);

  printf("i=%d \n",i+1);
  Sleep(1);
 }
 getchar();
}

既然代码中会用到 Encoding 字段来编解码size，那我是不是可以用 ba 在这个内存地址中下一个硬件条件，如果命中了，就可以通过汇编代码观察编解码逻辑，对吧？有了思路就可以开干了。

2. 通过汇编观察编解码逻辑

因为 malloc 默认是分配在进程堆上，所以用 !heap -s 找到进程堆句柄进而获取 Encoding 的内存地址。


0:004> !heap -s


************************************************************************************************************************
                                              NT HEAP STATS BELOW
************************************************************************************************************************
LFH Key                   : 0x64ffdd9683678f7e
Termination on corruption : ENABLED
          Heap     Flags   Reserv  Commit  Virt   Free  List   UCR  Virt  Lock  Fast 
                            (k)     (k)    (k)     (k) length      blocks cont. heap 
-------------------------------------------------------------------------------------
00000000004a0000 00000002    2432   1544   2040     50    12     2    0      0   LFH
0000000000010000 00008000      64      4     64      2     1     1    0      0      
-------------------------------------------------------------------------------------

0:004> dt nt!_HEAP 00000000004a0000
ntdll!_HEAP
   +0x000 Segment          : _HEAP_SEGMENT
   ...
   +0x07c EncodeFlagMask   : 0x100000
   +0x080 Encoding         : _HEAP_ENTRY
   ...

0:004> dx -r1 (*((ntdll!_HEAP_ENTRY *)0x4a0080))
(*((ntdll!_HEAP_ENTRY *)0x4a0080))                 [Type: _HEAP_ENTRY]
    [+0x000] UnpackedEntry    [Type: _HEAP_UNPACKED_ENTRY]
    [+0x000] PreviousBlockPrivateData : 0x0 [Type: void *]
    [+0x008] Size             : 0x8d69 [Type: unsigned short]
    [+0x00a] Flags            : 0xfd [Type: unsigned char]
    ...

0:004> dp 00000000004a0000+0x80 L4
00000000`004a0080  00000000`00000000 000076a1`cefd8d69
00000000`004a0090  0000ff00`00000000 00000000`eeffeeff

可以看到 Encoding 中的 Size 偏移是 +0x008 ，所以我们硬件条件断点的偏移值是 0x88 ，命令为 ba r4 00000000004a0000+0x88 ，设置好之后就可以继续 go 啦。

从图中可以看到在 ntdll!RtlpAllocateHeap+0x55c 方法处成功命中，从汇编中可以看到。

eax: 这是 Encoding ，即我们硬件断点。
edi: 某个 heap_entry 的 size 掩码值。

最后就是做一个 xor 异或操作，也就是正确的 size 值。

0:000> r eax,edi
eax=cefd8d69 edi=18fd8ab8
0:000> ? eax ^ edi
Evaluate expression: 3590326225 = 00000000`d60007d1
0:000> ? 07d1 * 0x10
Evaluate expression: 32016 = 00000000`00007d10

可以看到最后的 size=7d10 , 这里为什么乘 0x10，过一会再说，接下来我们找一下 edi 所属的堆块。

3. 寻找 edi 所属的堆块

要想找到所属堆块，可以用内存搜索的方式，再用 !heap -x 观察即可。


0:000> s-d 0 L?0xffffffffffffffff 18fd8ab8
00000000`005922b8  18fd8ab8 000056a0 004a0150 00000000  .....V..P.J.....

0:000> !heap -x 00000000`005922b8 
Entry             User              Heap              Segment               Size  PrevSize  Unused    Flags
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------
00000000005922b0  00000000005922c0  00000000004a0000  00000000004a0000      7d10     20010         0  free 

0:000> dt nt!_HEAP_ENTRY 00000000005922c0
ntdll!_HEAP_ENTRY
   +0x008 Size             : 0x4020
   +0x00a Flags            : 0xa3 ''
   ...

有了这些信息就可以纯手工推导了。

获取 Encoding 值。


0:000> dp 00000000004a0000+0x88 L4
00000000`004a0088  000076a1`cefd8d69 0000ff00`00000000
00000000`004a0098  00000000`eeffeeff 00000000`00400000

获取 size 值。


0:000> dp 00000000005922b0+0x8 L4
00000000`005922b8  000056a0`18fd8ab8 00000000`004a0150
00000000`005922c8  00000000`00a34020 00000000`00000000

异或 size 和 Encoding


0:000> ? 000076a1`cefd8d69 ^  000056a0`18fd8ab8
Evaluate expression: 35192257382353 = 00002001`d60007d1

0:000> ? 07d1 * 0x10
Evaluate expression: 32016 = 00000000`00007d10

怎么样，最后的size 也是 size=7d10 , 这和刚才汇编代码中计算的是一致的，这里要乘 0x10 是因为 entry 的粒度按 16byte 计算的，可以用 !heap -h 00000000004a0000 观察下方的 Granularity 字段即可。


0:000> !heap -h 00000000004a0000
Index   Address  Name      Debugging options enabled
  1:   004a0000 
    Segment at 00000000004a0000 to 000000000059f000 (000fa000 bytes committed)
    Segment at 0000000000970000 to 0000000000a6f000 (000c9000 bytes committed)
    Segment at 0000000000a70000 to 0000000000c6f000 (00087000 bytes committed)
    Flags:                00000002
    ForceFlags:           00000000
    Granularity:          16 bytes

4. 总结

这就是解答异或的完整推导逻辑，总的来说思路很重要，这些知识也是我们调试 dump 的必备功底，了解的越深，解决的问题域会越大。

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