C++中的Thunk技术 / 非静态类成员函数作为回调函数 的实现方法

用我的理解通俗地解释一下什么是C++中的Thunk技术吧!

Thunk技术就是申请一段可执行的内存, 并通过手动构造CPU指令的形式来生成一个小巧的, 具有明确作用的代码块.

小巧? 具有明确作用? 你曾经初学C++时, 如果我没猜错的话, 肯定尝试过用C++封装一个窗口类(因为我也尝试过 :-) ), 在封装窗口类的时候,在类内部定义一个私有(或公有)的成员函数来作为窗口回调函数, 并以 CreateWindowEx(...,&MyWindowClass::WindowProc,...) 的形式构造一个窗口, 可哪知, 这完全是行不通的, 因为(非静态)类成员函数的指针可不是简单的全局成员函数指针那样!

于是, 你不得不把窗口过程定义为全局函数. 但是这样的话, 每个类都共享一个窗口过程了, 这显然不行! 于是,你可能又想到了一种算是解决办法的办法, 使用CreateWindowEx的最后一个参数LPARAM来传递this指针! 关于窗口类的封装, 这里我不再多说, 因为我打算再写一篇文章介绍用多种方法来实现窗口类的封装, 当然, 这里将要讨论的Thunk技术算是最完美的一种了! 但是,Thunk技术也不只是用于封装窗口类, 也可以用来封装线程类, etc.

传言这种技术来自于ATL/WTL, 我不会ATL/WTL, Thunk技术是我在网上学来的. MFC不是使用我接下来要介绍的通用(非完全)Thunk方式, 关于MFC的封装方式, 我将在另一篇文章里面提及(如果没忘了的话).

这里有一篇介绍通过Thunk技术的文档:Generic Thunk with 5 combinations of Calling Conventions

好吧, 言归正传, 谈谈Thunk的原理与实现...

要理解Thunk的实现, 需要清楚C/C++中的函数调用约定, 如果有不懂的, 可以参考:C/C++/动态链接库DLL中函数的调用约定与名称修饰

C++的成员函数(不讨论继承)在调用时和普通的函数并没有太大的区别, 唯一很重要的是, 需要在调用每个非静态成员函数时悄悄地传入this指针. 在类内部调用时的直接调用, 或在类外部调用时通过obj->MemberFunction的形式调用时, 编译器都在生成代码的时候帮我们传入了this指针, 所以我们能正确访问类内部的数据。但是, 像Windows的窗口回调函数WindowProc, 线程的回调函数ThreadProc, SQLite3的回调函数sqlite3_callback在被传给主调函数时,它们是不能被直接使用的, 因为主调函数不属于类的成员函数, 他们也没有this指针!

看看下面的代码:

A a1,a2;
a1.foo(1,2,3);
a2.foo(4,5,6);

这是我们的书写方式, 编译器在编译时将生成如下调用(只考虑__cdecl和__stdcall,没有哪一个全局函数需要__thiscall的回调):

foo(&a1,1,2,3);
foo(&a2,4,5,6);

我在《C/C++/动态链接库DLL中函数的调用约定与名称修饰》中已经讨论过这个东西了...

好了, 现在我们知道foo函数的原型可以是如下的形式:

int __cdecl foo(int a,int b,int c);

假如我们有一个全局的函数, 她的原型是这样的:

int func( int (__cdecl*)(int,int,int) );

你会怎样把A类里面的foo作为回调, 传递给func? func(&A::foo); ? 这是不可行的, 我们需要借助Thunk!

1. 下面将拿Windows中的WindowProc窗口回调函数来作具体讲解__stdcall的回调函数Thunk应用

Windows的窗口管理在调用我们提供的全局窗口过程时, 此时的堆栈形式如下:

   低                                                高
----------------------------------------------------------
   返回地址     hWnd      uMsg       wParam      lParam

如果我们将WindowProc定义为类成员的形式, 并在类内调用她, 则参数栈应该是如下形式(__cdecl,__stdcall):

   低                                                        高
------------------------------------------------------------------
   返回地址     this   hWnd      uMsg       wParam      lParam

好了, 现在我们就可以动动手脚, 修改一下堆栈, 传入this指针, 然后就可以交给我们的成员WindowProc函数来处理啦~

因为是 WindowProc 是 __stdcall 调用约定, 就算我们多压入了一个this参数, 也不管调用者的事, 因为堆栈是由被调用者(windowProc)来清理的. 虽然只有4个显式参数, 但作为成员函数的WindowProc在结束的时候是用ret 14h返回的, this被自动清除, 你知道为什么吗?

我们只需构造如下的3条简单的指令即可:

; machine code                  assembly code                       comment
; ------------------------------------------------------------------------------------------
FF 34 24                        push    dword ptr[esp]              ;再次压入返回地址
C7 44 24 04 ?? ?? ?? ??         mov     dword ptr[esp+4],this       ;修改前面那个返回地址为this指针
E9 ?? ?? ?? ??                  jmp     (relative target)           ;转到成员函数

你没有看错, 真的就只需要这么几条简单的指令,16个字节,用纯C++却是无法实现的,是不是突然觉得汇编特别强大?~~~~ :-)

2.下面再看一个__cdecl的回调函数的Thunk技术的实现

__cdecl形式的回调函数的特点:

  1. 参数个数比函数声明要多一个this
  2. 参数栈由调用者清理

我们需要以同样的方式压入this指针, 但是__cdecl约定是由调用者来清理参数栈, 我们多传了一个this指针进去, 如果直接返回,势必会导致堆栈指针ESP错误, 所以, this指针必须由我们的程序来清除, 返回时保持被调用前一样就行了.

作为一个完整的函数, 我们不可能在函数的最后插入一条"add esp,4"来解决问题, 这办不到. __cdecl的Thunk的实现, 我在网上也没找到答案, 由于我汇编也不咋样, 所以搞了较长一段时间才把她搞出来~ 也算一劳永逸了.

我的处理办法(较__stdcall复杂, 但也只有几条指令而已):

  1. 弹出并保存原来的返回地址
  2. 压入this指针
  3. 压入我的返回地址
  4. 转到成员函数执行
  5. 清理this参数栈
  6. 跳转到原返回地址

汇编机器指令的实现(我并不擅长汇编, 你应该觉得还可以再优化一下):

; machine code                  assembly code                       comment
; ------------------------------------------------------------------------------------------
3E 8F 05 ?? ?? ?? ??            pop     dword ptr ds:[?? ?? ?? ??]  ;弹出并保存返回地址(我的变量)
68 ?? ?? ?? ??                  push    this                        ;压入this指针
68 ?? ?? ?? ??                  push    my_ret                      ;压入我的返回地址
9E ?? ?? ?? ??                  jmp     (relative target)           ;跳转到成员函数
83 C4 04                        add     esp,4                       ;清除this栈
3E FF 25 ?? ?? ?? ??            jmp     dword ptr ds:[?? ?? ?? ??]  ;转到原返回地址

3. 下面贴出我写的完整代码

//Thunk.h
//ts=sts=sw=4
//女孩不哭 2013-09-11 22:00
//保留所有权利
#ifndef __THUNK_H__
#define __THUNK_H__

class AThunk
{
public:
    AThunk();
    ~AThunk();

public:
    template<typename T>
    void* Stdcall(void* pThis,T mfn)
    {
        return fnStdcall(pThis,getmfn(mfn));
    }

    template<typename T>
    void* Cdeclcall(void* pThis,T mfn)
    {
        return fnCdeclcall(pThis,getmfn(mfn));
    }

private:
    typedef unsigned char   byte1;
    typedef unsigned short  byte2;
    typedef unsigned int    byte4;

    void* fnStdcall(void* pThis,void* mfn);
    void* fnCdeclcall(void* pThis,void* mfn);

    template<typename T>
    void* getmfn(T t)
    {
        union{
            T t;
            void* p;
        }u;
        u.t = t;
        return u.p;
    }

private:
#pragma pack(push,1)
    struct MCODE_STDCALL{
        byte1 push[3];
        byte4 mov;
        byte4 pthis;
        byte1 jmp;
        byte4 addr;
    };

    struct MCODE_CDECL{
        byte1 pop_ret[7];
        byte1 push_this[5];
        byte1 push_my_ret[5];
        byte1 jmp_mfn[5];
        byte1 add_esp[3];
        byte1 jmp_ret[7];
        byte4 ret_addr;
    };
#pragma pack(pop)

private:
    MCODE_CDECL     m_cdecl;
    MCODE_STDCALL   m_stdcall;
    AThunk*         m_pthis;
};

#endif//!__THUNK_H__
//Thunk.cpp
//ts=sts=sw=4
//女孩不哭 2013-09-11 22:00
//保留所有权利
#include <Windows.h>
#include "Thunk.h"

AThunk::AThunk()
{
    m_pthis = (AThunk*)VirtualAlloc(NULL,sizeof(*this),MEM_COMMIT,PAGE_EXECUTE_READWRITE);
}

AThunk::~AThunk()
{
    if(m_pthis){
        VirtualFree(m_pthis,0,MEM_RELEASE);
    }
}

void* AThunk::fnStdcall(void* pThis,void* mfn)
{
    /****************************************************************************************
    machine code                    assembly code                       comment
    ------------------------------------------------------------------------------------------
    FF 34 24                        push    dword ptr[esp]              ;再次压入返回地址
    C7 44 24 04 ?? ?? ?? ??         mov     dword ptr[esp+4],this       ;传入this指针
    E9 ?? ?? ?? ??                  jmp     (relative target)           ;转到成员函数
    ****************************************************************************************/

    m_pthis->m_stdcall.push[0] = 0xFF;
    m_pthis->m_stdcall.push[1] = 0x34;
    m_pthis->m_stdcall.push[2] = 0x24;

    m_pthis->m_stdcall.mov = 0x042444C7;
    m_pthis->m_stdcall.pthis = (byte4)pThis;

    m_pthis->m_stdcall.jmp = 0xE9;
    m_pthis->m_stdcall.addr = (byte4)mfn-((byte4)&m_pthis->m_stdcall.jmp + 5);

    FlushInstructionCache(GetCurrentProcess(),&m_pthis->m_stdcall,sizeof(m_pthis->m_stdcall));

    return &m_pthis->m_stdcall;
}

void* AThunk::fnCdeclcall(void* pThis,void* mfn)
{
    /****************************************************************************************
    machine code                    assembly code                       comment
    ------------------------------------------------------------------------------------------
    3E 8F 05 ?? ?? ?? ??            pop     dword ptr ds:[?? ?? ?? ??]  ;弹出并保存返回地址
    ?? ?? ?? ??                     push    this                        ;压入this指针
    ?? ?? ?? ??                     push    my_ret                      ;压入我的返回地址
    9E ?? ?? ?? ??                  jmp     (relative target)           ;跳转到成员函数
    C4 04                           add     esp,4                       ;清除this栈
    3E FF 25 ?? ?? ?? ??            jmp     dword ptr ds:[?? ?? ?? ??]  ;转到原返回地址
    ****************************************************************************************/
    m_pthis->m_cdecl.pop_ret[0] = 0x3E;
    m_pthis->m_cdecl.pop_ret[1] = 0x8F;
    m_pthis->m_cdecl.pop_ret[2] = 0x05;
    *(byte4*)&m_pthis->m_cdecl.pop_ret[3] = (byte4)&m_pthis->m_cdecl.ret_addr;

    
    m_pthis->m_cdecl.push_this[0] = 0x68;
    *(byte4*)&m_pthis->m_cdecl.push_this[1] = (byte4)pThis;
    
    m_pthis->m_cdecl.push_my_ret[0] = 0x68;     
    *(byte4*)&m_pthis->m_cdecl.push_my_ret[1] = (byte4)&m_pthis->m_cdecl.add_esp[0];
    
    m_pthis->m_cdecl.jmp_mfn[0] = 0xE9;
    *(byte4*)&m_pthis->m_cdecl.jmp_mfn[1] = (byte4)mfn-((byte4)&m_pthis->m_cdecl.jmp_mfn+5);
    
    m_pthis->m_cdecl.add_esp[0] = 0x83;
    m_pthis->m_cdecl.add_esp[1] = 0xC4;
    m_pthis->m_cdecl.add_esp[2] = 0x04;

    m_pthis->m_cdecl.jmp_ret[0] = 0x3E;
    m_pthis->m_cdecl.jmp_ret[1] = 0xFF;
    m_pthis->m_cdecl.jmp_ret[2] = 0x25;
    *(byte4*)&m_pthis->m_cdecl.jmp_ret[3] = (byte4)&m_pthis->m_cdecl.ret_addr;
    
    FlushInstructionCache(GetCurrentProcess(),&m_pthis->m_cdecl,sizeof(m_pthis->m_cdecl));
    
    return &m_pthis->m_cdecl;   
}

4. 下面再贴出一篇使用示例程序, 我已经列出了我见过的常见的回调函数的使用形式

//main.cpp
#include <iostream>
#include <Windows.h>
#include <process.h>
#include "Thunk.h"
#include "resource.h"
using namespace std;

/////////////////////////////////////////////////////////
//第一个:__cdecl 回调类型
/////////////////////////////////////////////////////////

typedef int (__cdecl* CB)(int n);

void output(CB cb)
{
    for(int i=0; i>3; i++){
        cb(i);
    }
}

class ACDCEL
{
public:
    ACDCEL()
    {
        void* pthunk = m_Thunk.Cdeclcall(this,&ACDCEL::callback);
        ::output(CB(pthunk));
    }

private:
    int __cdecl callback(int n)
    {
        cout<<"n:"<<n<<endl;
        return n;
    }

private:
    AThunk m_Thunk;
};

/////////////////////////////////////////////////////////
//第二个:__stdcall 回调类型:封装窗口类
/////////////////////////////////////////////////////////
class ASTDCALL
{
public:
    ASTDCALL()
    {
        void* pthunk = m_Thunk.Stdcall(this,&ASTDCALL::DialogProc);
        DialogBoxParam(GetModuleHandle(NULL),MAKEINTRESOURCE(IDD_DIALOG1),NULL,(DLGPROC)pthunk,0);
    }
    
private:
    INT_PTR CALLBACK DialogProc(HWND hWnd,UINT uMsg,WPARAM wParam,LPARAM lParam)
    {
        switch(uMsg)
        {
        case WM_CLOSE:
            EndDialog(hWnd,0);
            return 0;
        }
        return 0;
    }
private:
    AThunk m_Thunk;
};

/////////////////////////////////////////////////////////
//第三个:__stdcall 回调类型:内部线程
/////////////////////////////////////////////////////////
class AThread
{
public:
    AThread()
    {
        void* pthunk = m_Thunk.Stdcall(this,&AThread::ThreadProc);
        HANDLE handle = (HANDLE)_beginthreadex(NULL,0,(unsigned int (__stdcall*)(void*))pthunk,(void*)5,0,NULL);
        WaitForSingleObject(handle,INFINITE);
        CloseHandle(handle);
    }
    
private:
    unsigned int __stdcall ThreadProc(void* pv)
    {
        int i = (int)pv;
        while(i--){
            cout<<"i="<<i<<endl;
        }
        return 0;
    }
private:
    AThunk m_Thunk;
};

int main(void)
{
    ASTDCALL as;
    ACDCEL ac;
    cout<<endl;
    AThread at;
    return 0;
}

5. 相关源代码下载

全部源代码及测试(VC6.0):thunk.7z

发表于:2013年09月11日 ,阅读量:1401 ,标签:C++ · 回调函数 · 汇编 · hook

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