Windows32 Systemprogrammierung - cs.hs-rm.deweber/sysprog/proj10/windows.pdf · 21. Juni 2010 Win32 Systemprogrammierung Marius Schäfer Ralf Erik Rossel 3 von 27 Grundlagen – Windows

21. Juni 2010 Win32 SystemprogrammierungMarius Schäfer Ralf Erik Rossel 1 von 27

Hochschule RheinMain WS 2009/2010Allgemeine Informatik (B.Sc.)Vertiefung Bachelor AI

Windows32 Systemprogrammierung

Eine Gegenüberstellung vonSystemaufrufen unterWindows und Linux


Grundlagen Windows APIDatentypen und NotationenRegistrierungsdatenbank

Dateioperationen Dateisysteme und -verwaltungBEISPIEL: cat

Prozesse und Threads SpeicherverwaltungSynchronisation

Dynamic Link LibrariesInterprozesskommunikation Named Pipes

MailslotsVerteilte Systeme WCF

SocketsQuellcodeportabilität

Inhalte


Grundlagen – Windows API

„Application Programming Interface“ #include <windows.h>

Abgeschlossene Bibliothek einheitlicher ProgrammierschnittstellenIn C/C++ und Assembler → kernel32.dll, user32.dll, gdi32.dll, …Funktionsverweise auf System Call Table im Betriebssystemkern

Entwicklungen : Native API, Win32 API, .NET Framework,MFC-Bibliothek

Gleiches Grundkonzept in Linux #include <unistd.h>

http://www.metasploit.com/users/opcode/syscalls.html

http://lxr.linux.no/#linux+v2.6.34/arch/x86/kernel/syscall_table_32.S


Grundlagen – Datentypen und Notationen

„Ungarische Notation“

Datentypen und Variablennamen bestehen ausPräfixen (Erläutern Verwendungszweck im Programm)Basistyp (Erläutern Inhalt der Variablen)

BEISPIEL:DWORD dwThreadIdArray[MAX_THREADS];

Verbesserte Quellcode-Lesbarkeit„Sprechende“ Variablennamen

http://de.wikipedia.org/wiki/Ungarische_Notation


Grundlagen – Datentypen und Notationen

DWORD 4 Byte (32 Bit) unsigned IntegerLPWORD Zeiger auf 2 Byte (16 Bit) unsigned IntegerHANDLE void-Zeiger Speicherbereich „Objektidentifikator“HKEY Objektidentifikator eines Registrierungsschlüssels…

Typdefinitionen aus ISO C Standard (Plattformabhängig ! )

size_t vorzeichenloser Datentyp (mindestens 16 Bit)time_t Integer oder Float (32 oder 64 Bit)...


Grundlagen – Registrierungsdatenbank

Konfigurationsdatenbank von Windows seit NT

Einträge z.B. durch Installationsprogramme: Key-Value-PaareInstallationspfade, Programmkonfigurationen, ...

+ Zentraler Ablageort für Windows und -Programme+ Schnell durch direkte Speicherung der Datentypen– Problematisch, wenn „defekt“ oder ungepflegt → „uninstall“– Einstellungen nicht portabel bzw. rechnerübergreifend

Manipulationen von Hand durch das Dienstprogramm regedit.exe



DHKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE

\Microsoft\Windows

\CurrentVersion\Run

Grob Vergleichbar:

Pseudodateisystem undKonfigurations-Skripte z.B. in /etc/init.d/



BEISPIEL: Auslesen der RUN-Konfiguration

HKEY hTestKey;if( RegOpenKeyEx( HKEY_LOCAL_MACHINE, TEXT("SOFTWARE\\Microsoft\\Windows\\CurrentVersion\\Run"), 0, KEY_READ, &hTestKey) == ERROR_SUCCESS ){

/* Schlüssel-Informationen auslesen */RegQueryInfoKey(...)/* Wenn Unterschlüssel vorhanden */

RegEnumKeyEx(...)/* Wenn Werte vorhanden */

RegEnumValue(...)} RegCloseKey(hTestKey);

Quelle: MSDN Library lokale Demo

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ms724256(v=VS.85).aspx


Dateioperationen – Dateisysteme und -verwaltung

FAT16, FAT32, NTFS

Jeder Datenträger als eigenenes Laufwerk eingebundenGesamtstruktur für Benutzer unsichtbar im System

Ext2, Ext3, Ext4, ReiserFS, …

Gesamte Baumstruktur für die Benutzer nutzbar undeinsehbar, sofern entsprechende Berechtigungen gesetzt


Dateioperationen – BEISPIEL: cat

#include "stdafx.h" //Application Framework eXtensions#include <windows.h>#include <stdlib.h>#include <stdio.h>#include <fcntl.h>#include <string.h>

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) //ASCII oder Unicode{

HANDLE hInFile, hStdIn = GetStdHandle(STD_INPUT_HANDLE);HANDLE hStdOut = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);DWORD nIn, nOut;

hInFile = CreateFile(argv[i], GENERIC_READ, 0, NULL, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL);

if(hInFile == INVALID_HANDLE_VALUE){… //Fehlermeldung

}while(ReadFile(hInFile, &chr, 1, &nIn, NULL)&& (nIn != 0)

&& WriteFile(hStdOut, &chr, nIn, &nOut, NULL));CloseHandle(hInFile);

}


Prozesse und Threads – Speicherverwaltung

Strukturen: Jobs, Prozesse, (Kernel) Threads, Fibers (MS)

Prozesse:Virtueller Adressraum von 4 GB2 GB für System 2 GB für BenutzerMindestens ein Thread und dessen HeapThreads:Entsprechen POSIX Threads von LinuxEin Übergabeargument: (struct-)Zeigerpthread_create ↔ CreateThreadpthread_exit ↔ ExitThread


Prozesse und Threads

CreateProcess(...) → eigenener, neuer Prozess„Kind“prozess kann auch nach „Eltern“prozess aktiv seinKeine abgegrenzten Prozessgruppen (aber Signalgruppen)Handles und IDs

fork() → exakte Prozesskopie exec(...) → ÜberlagerungHierarchie: Ende des Elternprozesses beendet KindprozesseBegrenzte ProzessgruppenNur Prozess-IDs



BEISPIEL: Prozesserzeugung

Zusammenfassung von fork(...) und exec(...) in CreateProcess(...)

CreateProcess( NULL, // No module name (use command line) argv[1], // Command line NULL, // Process handle not inheritable NULL, // Thread handle not inheritable FALSE, // Set handle inheritance to FALSE 0, // No creation flags NULL, // Use parent's environment block NULL, // Use parent's starting directory &si, // Pointer to STARTUPINFO structure &pi ) // Pointer to PROCESS_INFORMATION structure

Quelle: MSDN Library lokale Demo




BEISPIEL: Threaderzeugung

Voraussetzung:(Funktions)zeiger auf Start-Adresse definiert

CreateThread( NULL, // default security attributes 0, // use default stack size MyThreadFunction, // thread function name pDataArray[i], // argument to thread function 0, // use default creation flags &dwThreadIdArray[i] ) // returns the thread identifier

Quelle: MSDN Library



Prozesse und Threads – Synchronisation

MSDN Library: Synchronization ObjectsHauptsächlich: Event, Mutex, Semaphore, TimerSekundär nutzbar: Change notification, Console input,

Job, Memory resource notification, Process, Thread

Besonderheit: Mehrere Threads in EINEM Prozess:void WINAPI EnterCriticalSection(

__inout LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);

BOOL WINAPI TryEnterCriticalSection(__inout LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);

In Linux bekannt: Semaphore, Mutex, Signale



Dynamic Link Libraries

Während Laufzeit nachladbare Funktionsbibliothek bzw.Klassenbibliothek (ActiveX) (Sicherheitskritisch!)

Enthalten ausführbaren Programmcode.dll dynamisch, .lib statisch (und compile-stub für dll)Wird in den Speicherbereich des Prozesses eingebundenWiederverwendbarer und „schnell“ austauschbarer CodeNutzbar „wenn nötig“ (z.B. OpenGL, DirectX, encoder, ...)

Ähnliches Konzept:Shared Objects (.so Dateien)


Dynamic Link Libraries

BEISPIEL: dll-Export einer Additionsfunktion

#include <windows.h>// DLL entry function (called on load, unload, ...)BOOL APIENTRY DllMain( HANDLE hModule, DWORD dwReason, LPVOID lpReserved ) { return TRUE; }// Exported function - adds two numbersextern "C" __declspec(dllexport) double AddNumbers(double a, double b) { return a + b; }

#include <windows.h>#include <stdio.h>// Import function that adds two numbersextern "C" __declspec(dllimport) double AddNumbers(double a, double b);int main(int argc, char *argv[]) { double result = AddNumbers(1, 2); printf("The result was: %f\n", result); Return 0; }

Quelle: Wikipedia

http://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_link_library


Interprozesskommunikation – (Named) Pipes

Wie UNIX: Anonyme Pipes zeichenbasiert, halbduplex

Named Pipes: vgl. FIFO, aber nachrichtenbasiert, vollduplex

Pipe-Server ruft CreateNamedPipe(...) auf (ab NT)Clients greifen über Dateioperation CreateFile(...) zu

MSDN Library

FIFOs (halbduplex, zeichenorientiert, lokal nutzbar) mkfifo

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/aa365590(v=VS.85).aspx


Interprozesskommunikation – (Named) Pipes

Quelle: Hart - Windows System Programming


Interprozesskommunikation – Mailslots

„Rundruf“-Mechanismus: meist ein Sender, viele EmpfängerBeispiel: Mailslot-Nutzung z.B. bei Systemdienst-Aufruf

„net send [IP-Adresse] <Nachricht>“

Eine RichtungKeine Empfangsgarantie/-bestätigungNetzwerkfähigLänge der Nachrichten begrenzt (424 Bytes) MSDN Library

Nicht vorhanden (Hier eher z.B. Nutzung von Signalen)

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/aa365576(v=VS.85).aspx


Interprozesskommunikation – Mailslots

Quelle: Hart - Windows System Programming


Verteilte Systeme – WCF

● Windows Communication Foundation● DCOM, Enterprise Services, MSMQ, WSE, Web-Services unter einer

einheitlichen API● .NET Framework ab Version 3.0● mögliche Sprachen: C++, C#, VB

● Address (Adresse) als URI (https://srv.domain.com/data/Service)● Binding (Anbindung) Festlegung von Protokoll und Kodierung● Contract (Vertrag) legt Schnittstellen und Methoden fest


Verteilte Systeme – Sockets

● Implementierung von IP unter BSD● durch die freie Lizenz nahezu 1:1 auch unter anderen Systemen

implementiert, auch unter Windows● Programmierung auf allen Systemen sehr ähnlich

● bind(),listen(), accept(), connect(), ...


Quellcodeportabilität

Vor allem von Serveranwendungen wird oft vorausgesetzt, dass diese zumindest auf Windows, UNIX und Linux laufen.

● ein Quellcode für alle Plattformen● per Makros und Build-Parameter werden Zielplattform, Prozessor-

architektur und 32- oder 64-Bit festgelegt● bedingte Compilierung (#IFDEF, …) sollte wenn möglich vermieden

werden● der Quellcode sollte mit verschiedenen Compilern kompatibel sein● Systemvoraussetzungen sollten auf allen Systemen ähnlich sein

Bis auf wenige Ausnahmen, sollte dies bei einem ordentlichen Code ohne GUI-Interface möglich sein.



Strategien, um Portabilität zu erreichen

● Bibliotheken verwenden, die Open-Source sind oder von Microsoft bereitgestellt werden, welche POSIX-Funktionen unter Windows emulieren (häufig eingesetzt)

● Bibliotheken verwenden, die Windows-Funktionen unter UNIX/Linux emulieren (sehr rar)

● Industrie-Standard-Funktionen verwenden, die auch Microsoft direkt unterstützt (häufig)

● Makros anstelle von Bibliotheken verwenden, welche ein OS unter einem Anderen emuliert (auch rar)



Windows Services for UNIX

● SFU: Microsoft Produkt, das ein UNIX-Subsystem (Interix) im NT-Userspace bereitstellt

● aktuelle Version: 3.5, kann von der Microsoft Webseite bezogen werden

● erfüllt theoretisch alle POSIX-Anforderungen● wird lt. Microsoft nicht weiter unterstützt


Quellen und KontaktMarius Schäfer

([email protected])

Ralf Erik Rossel([email protected])

Microsoft Developer Network – Entwicklerbibliothek:http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ee663297(v=VS.85).aspx

Literatur:Johnson M. Hart: Windows System Programming (4th. Edition)

Tutorial: Einführung in die Win32-Programmierung in Chttp://www.pronix.de/pronix-1023.html

Ergänzung der Vorgänger:http://www.cs.hs-rm.de/~weber/sysprog/sysp.html

Wikipedia-Artikel als Ausgangspunkt zur Stichwortsuche:http://en.wikipedia.org/wiki/Windows.h

System Call Table von Linux und Windows (x86 Architektur):http://lxr.linux.no/#linux+v2.6.34/arch/x86/kernel/syscall_table_32.Shttp://www.metasploit.com/users/opcode/syscalls.html

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ee663297(v=VS.85).aspx

http://www.pronix.de/pronix-1023.html

http://www.cs.hs-rm.de/~weber/sysprog/sysp.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Windows.h

http://lxr.linux.no/#linux+v2.6.34/arch/x86/kernel/syscall_table_32.S

http://www.metasploit.com/users/opcode/syscalls.html

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