调试实战 —— dll 加载失败之全局变量初始化篇

前言

最近项目里总是遇到 dll 加载不上的问题，原因各种各样。今天先总结一个虽然不是项目中实际遇到的问题，但是却非常经典的问题。其它几种问题，后续慢慢总结。

示例代码包含一个 exe 工程，两个 dll 工程。 exe 会加载两个 dll 并调用它们的导出函数（GetCallCount），结果只有一个 dll 的导出函数被成功调用。会是什么原因呢？

现象

运行效果如下图：

run_result

通过 dumpbin 已经确认两个 dll 都有名为 GetCallCount 的函数。但是只有一个调用成功了，另外一个却调用失败。

dumpbin-exports

使用 process explorer 观察 dll 加载情况，发现只加载了一个 dll，没发现另外一个 dll。

loaded_dll

对于这个问题，如果我们使用 process monitor 观察整个加载过程，看到的都是 Success。如下图：

procmon-trace

说明，加载正常，在本地找到了这个文件，并正确的映射到内存空间中了。但为什么在进程中观察不到这个 dll 呢？是时候上调试器了。

上调试器

直接在 vs 中按 F5 启动，果然中断到 vs 中了。

exception-and-call-stack

从上图右侧部分，我们可以看到完整的调用栈。

这里简单介绍下相关代码。在 GlobalVariableInitializeOrder.cpp 的第 15 行调用了 HMODULE hDll2 = LoadLibraryA("GlobalVariableInitializeOrderDll2.dll"); 加载对应的模块。

Common\Test2.cpp 的第 10 行定义了全局变量 CTest2 g_t2;（在 dll 中），问题就出在这个全局变量的初始化代码中。

从上图左侧部分，我们可以得知错误代码是 0xc0000005，内存访问异常。访问的地址是 0x00000004，对应的指令位置是 0x001EA6DB。

invalid-eax

从上图中的反汇编看，确实是挂在了 001EA6DB mov eax,dword ptr [eax]。因为 eax 的值是 4，我们需要查明 eax 为什么的值是 4。相信很多小伙伴都知道，eax 用来保存函数调用的返回值。我们可以把注意力集中到 0x001EA6D6 处的 call 指令了，调用的是成员函数 _Root() 。

查看 vs 提供的源码，如下：

_Nodeptr& _Root() const
{	// return root of nonmutable tree
	return (this->_Parent(this->_Myhead));
}

我们可以发现 _Root() 内部简单的调用了 _Parent() 函数，并把 this->_Myhead 当作参数传递过去了。再查看下 _Parent() 函数的源码，如下：

static _Nodepref _Parent(_Nodeptr _Pnode)
{	// return reference to parent pointer in node
	return ((_Nodepref)_Pnode->_Parent);
}

务必注意： _Parent() 的返回值类型是 _Nodepref，返回的是引用（最后三个字母 ref 已经说明了一切）！相当于返回的是 _Pnode->_Parent 的地址！我们可以查看 _Nodepref 的定义：typedef _Nodeptr& _Nodepref;。

所以 _Root() 函数相当于 &(this->_Myhead->_Parent)。我们来观察下 this 各个成员的值。

watch-this-value

可以看到 _Myhead 的值是 0，类型是 std::_Tree_node<...>。

我们再看下 _Tree_node 的定义：

template<class _Value_type,	class _Voidptr>
struct _Tree_node
{
	_Voidptr _Left;     // offset: 0x0
	_Voidptr _Parent;   // offset: 0x4
	_Voidptr _Right;    // offset: 0x8
	char _Color;        // offset: 0xC
	char _Isnil;        // offset: 0xD
	_Value_type _Myval; // offset: 0x10

private:
	_Tree_node& operator=(const _Tree_node&);
};

从 _Tree_node 的定义可知， _Parent 的偏移是 4 （因为是 32 位的程序，如果是 64 位，那么是 8）。

综上，地址 001EA6D6 处的 call 指令反回了 4。接下来的两条指令是把返回值赋给局部变量 _Nodeptr _Pnode。但是在执行第一条汇编指令 mov eax,dword ptr [eax] 时就挂了，因为 eax 的值是 4，正常情况下访问 0x00000004 处的值当然会挂掉了。

至此，我们知道了崩溃的直接原因——访问非法地址。但是根本原因是什么呢？为什么 _Myhead 是 0 呢？ 我猜测是因为 map 还没有初始化。但是该如何证实这个猜测呢？

继续深入

CTest2 的构造函数里调用的是 CTest1::GetMap()，GetMap() 内部会返回 CTest1 的静态变量 static std::map<std::string, std::string> s_manager; 的引用。

如果能证明在 CTest2::g_t2 初始化时，CTest1::s_manager 还没初始化，那么我们就证实了我们的猜测。

我想到两个办法：

1. 在 map 的构造函数中输出一条日志。在调用 g_t2 的构造函数时，查看是否有我们在 map 中新加的日志。
2. 明确每个全局变量的初始化顺序。

第一种方法比较简单，直接修改 vs 提供的源码即可，注意修改只读属性。本文以第 2 种方法为例展开。

全局变量初始化简介

本小节根据上面的调用栈简单的介绍全局变量的初始化过程（只介绍我们关心的部分）。

不知道各位小伙伴儿是否记得上面的调用栈。切换到 8 号栈帧，如下图：

__DllMainCRTStartup-call-_CRT_INIT

可以发现，在 __DllMainCRTStartup() 函数中，当 dwReason == DLL_PROCESS_ATTACH 或者 dwReason == DLL_THREAD_ATTACH 的时候，会调用 _CRT_INIT() 函数。_CRT_INIT() 会执行运行时库的初始化相关功能，比如，初始化全局变量。然后才会调用用户提供的 DllMain() 函数。

继续切换到 7 号栈帧，如下图：

crt_init

通过注释可知，_initterm() 是在调用 C++ constructors。

我们继续切换到 6 号栈帧，如下图：

_initterm

根据注释猜测，应该是在依次调用每个全局变量的初始化函数。pfbegin 指向了保存全局变量初始化函数的表格的起始位置，pfend 指向最后一个有效位置的下一个位置，跟标准库中的容器多么相似啊。如果 *pfbegin 的值不为 0，说明表格对应的位置有有效的初始化函数，需要调用，否则就跳过。

在 vs 中，我们想遍历出这个表格的内容有些费劲。是时候请 windbg 出场了。

windbg 出场

在使用 windbg 之前一定要设置好符号路径，否则很多内容看不到。

使用 windbg 打开要运行的程序，在命令窗口输入 bm GlobalVariableInitializeOrderDll2!_CRT_INIT ，埋伏好断点后执行 g 命令继续运行。

set-breakpoint-by-bm

很快，就中断到我们设置好的断点处了。在调用 _initterm() 的地方设置好断点，执行 g 命令（也可以和 vs 一样按 F5），断下来后，单步进入 _initterm() 函数，执行 dv 查看局部变量。

single-step-to-initterm

从输出结果可知，pfbegin = 0x001f6000，pfend = 0x001f6250。然后我们就可以用强悍的 dps 来查看pfbegin 和 pfend 之间的内容了。在命令窗口执行，dps 0x001f6000 0x001f6250。因为有很多空项，这里只截取中间部分。

dps-0x001f6000-0x001f6250

我们可以很明显的看到，g_t2的构造函数在前，s_manager 的构造函数在后。

至此，已经证实了我们之前的猜想。

对比强化

因为工程 GlobalVariableInitializeOrderDll1 和工程 GlobalVariableInitializeOrderDll2 代码一模一样，只有一点点的不同，就是这一点不同导致了一个 dll 可以正常使用，另外一个却不能正常使用。

我们可以用相同的手法观察 GlobalVariableInitializeOrderDll1.dll 的初始化过程。

在命令窗口输入 bm GlobalVariableInitializeOrderDll1!_CRT_INIT;g ，埋伏好断点后运行起来。再次中断后，使用相同的办法进入_initterm() 函数，通过 dv 命令得到 pfbegin = 0x10026000 和 pfend = 0x10026250 的值，然后执行 dps 0x10026000 0x10026250，如下图（同样有很多空项，只截取了中间部分）：

dps-0x001f6000-0x001f6250

我们发现，s_manager 的构造函数在前，g_t2的构造函数在后。

修复

我们应该从根本上消除对全局变量的依赖，只需要把 s_manager 放到 GetMap() 中就可以了。

static std::map<std::string, std::string>& GetMap()
{
	static std::map<std::string, std::string> s_manager;
    return s_manager;
}

但有时候，由于各种各样的原因，我们不能消除这种依赖。我们还可以调整全局变量的初始化顺序。只要有办法让 g_t2 在 s_manager 之后再初始化就可以了。对比两个 dll 工程文件，我们发现有一处关键的不同点。

difference-of-project1-2

在能正常加载的 dll 对应的工程中， Test1.cpp, Test2.cpp 出现的顺序是 Test1.cpp, Test2.cpp，在不能正常加载的 dll 对应的工程中，出现的顺序是 Test2.cpp, Test1.cpp。调整 dll2.vcxproj 中的文件顺序和 dll1.vcxproj 一样，再次编译运行，一切顺利。

success

动手实战

强烈建议你也动手实战一番，毕竟纸上来的终觉浅。如果你也想动手实战，可以下载完整的工程文件，使用 vs2013 编译运行即可。如果没装 vs2013，也可以手动改成其它版本的 vs。

完整的测试工程下载链接：

百度云 链接: https://pan.baidu.com/s/1gW1dZsNYZoo0s_rfaO2Jzg 提取码: 7irh

CSDN 链接：https://download.csdn.net/download/xiaoyanilw/12405380

总结

• 永远不要让一个全局变量依赖另外一个全局变量。

• 全局变量是在 DllMain 或者 main 函数执行前进行初始化的。

• 在 32 位程序中，一般使用 eax 保存函数的返回值。

• dps 命令可以按地址遍历给定范围的内容。

• dv 命令可以查看局部变量和参数。

参考资料

如果有小伙伴儿对全局变量初始化感兴趣，可以参考以下几篇文档：

https://docs.microsoft.com/en-us/cpp/c-runtime-library/crt-initialization?redirectedfrom=MSDN&view=vs-2019

http://www.cppblog.com/xlshcn/archive/2007/12/07/37088.html

http://bytepointer.com/resources/pietrek_libctiny_2001.htm