API HOOK的實現原理

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一、序言
對大多數的Windows開發者來說，如何在Win32系統中對API函數的調用進行攔截一直是項極富挑戰性的課題，因爲這將是對你所掌握的計算機知識較爲全面的考驗，尤其是一些在如今使用RAD進行軟件開發時並不常用的知識，這包括了操作系統原理、彙編語言甚至是機器指令（聽上去真是有點恐怖，不過這是事實）。

當前廣泛使用的Windows操作系統中，像Win 9x和Win NT/2K，都提供了一種比較穩健的機制來使得各個進程的內存地址空間之間是相互獨立，也就是說一個進程中的某個有效的內存地址對另一個進程來說是無意義的，這種內存保護措施大大增加了系統的穩定性。不過，這也使得進行系統級的API攔截的工作的難度也大大加大了。

當然，我這裏所指的是比較文雅的攔截方式，通過修改可執行文件在內存中的映像中有關代碼，實現對API調用的動態攔截；而不是採用比較暴力的方式，直接對可執行文件的磁盤存儲中機器代碼進行改寫。

二、API鉤子系統一般框架
通常，我們把攔截API的調用的這個過程稱爲是安裝一個API鉤子（API Hook）。一個API鉤子基本是由兩個模塊組成：一個是鉤子服務器（Hook Server）模塊，一般爲EXE的形式；一個是鉤子驅動器（Hook Driver）模塊，一般爲DLL的形式。

鉤子服務器主要負責向目標進程注入鉤子驅動器，使得鉤子驅動器運行在目標進程的地址空間中，這是關鍵的第一步，而鉤子驅動器則負責實際的API攔截處理工作，以便在我們所關心的API函數調用的之前或之後能做一些我們所希望的工作。一個比較常見的API鉤子的例子就是一些實時翻譯軟件（像金山詞霸）中必備的的功能：屏幕抓詞。它主要是對一些Win32 API中的GDI函數進行了攔截，獲取它們的輸入參數中的字符串，然後在自己的窗口中顯示出來。

針對上述關於API鉤子的兩個部分，有以下兩點需要我們重點考慮的： 選用何種DLL注入技術，以及採用何種API攔截機制。

三、注入技術的選用
由於在Win32系統中各個進程的地址是互相獨立的，因此我們無法在一個進程中對另一個進程的代碼進行有效的修改，但如果你要完成API鉤子的工作又必須如此。因此，我們必須採取某種獨特的手段，使得API鉤子（準確的說是鉤子驅動器）能夠成爲目標進程中的一部分，纔有較大的可能來對目標進程數據和代碼進行有控制的修改。

通常可採用的幾種注入方式：

1．利用註冊表
如果我們準備攔截的進程連接了User32.dll，也就是使用了User32.dll中的API（一般圖形界面的應用程序都是符合這個條件），那麼就可以簡單把你的鉤子驅動器DLL的名字作爲值添加在下面註冊表的鍵下： HKEY_LOCAL_MACHINE\Software\Microsoft\WindowsNT\CurrentVersion\Windows\AppInit_DLLs 值的形式可以爲單個DLL的文件名，或者是一組DLL的文件名，相鄰的名稱之間用逗號或空格間隔。所有由該值標識的DLL將在符合條件的應用程序啓動的時候裝載。這是一個操作系統內建的機制，相對其他方式來說危險性較小，但它也有一些比較明顯的缺點：該方法僅適用於NT/2K操作系統，顯然看看鍵的名稱就可以明白；如果需要激活或停止鉤子的注入，只有重新啓動Windows，這個就似乎太不方便了；最後一點也很顯然，不能用此方法向沒有使用User32.dll的應用程序注入DLL，例如控制檯應用程序等。另外，不管是否爲你所希望，鉤子DLL將注入每一個GUI應用程序，這將導致整個系統性能的下降！

2．建立系統範圍的Windows鉤子
要向某個進程注入DLL，一個十分普遍也是比較簡單的方法就是建立在標準的Windows鉤子的基礎上。Windows鉤子一般是在DLL中實現的，這是一個全局性的Windows鉤子的基本要求，這也很符合我們的需要。當我們成功地調用SetWindowsHookEx函數之後，便在系統中安裝了某種類型的消息鉤子，這個鉤子可以是針對某個進程，也可以是針對系統中的所有進程。一旦某個進程中產生了該類型的消息，操作系統會自動把該鉤子所在的DLL映像到該進程的地址空間中，從而使得消息回調函數（在SetWindowsHookEx的參數中指定）能夠對此消息進行適當的處理，在這裏，我們所感興趣的當然不是對消息進行什麼處理，因此在消息回調函數中只需把消息鉤子向後傳遞就可以了，但是我們所需的DLL已經成功地注入了目標進程的地址空間，從而可以完成後續工作。

我們知道，不同的進程之間是不能直接共享數據的，因爲它們活動在不同的地址空間中。但在Windows鉤子DLL中，有一些數據，例如Windows鉤子句柄HHook，這是由SetWindowsHookEx函數返回值得到的，並且作爲參數將在CallNextHookEx函數和 UnhookWindoesHookEx函數中使用，顯然使用SetWindowsHookEx函數的進程和使用CallNextHookEx函數的進程一般不會是同一個進程，因此我們必須能夠使句柄在所有的地址空間中都是有效的有意義的，也就是說，它的值必須必須在這些鉤子DLL所掛鉤的進程之間是共享的。爲了達到這個目的，我們就應該把它存儲在一個共享的數據區域中。

在VC++中我們可以採用預編譯指令#pragma data_seg在DLL文件中創建一個新的段，並且在DEF文件中把該段的屬性設置爲“shared”，這樣就建立了一個共享數據段。對於使用 Delphi的人來說就沒有這麼幸運了：沒有類似的比較簡單的方法（或許是有的，但我沒有找到）。不過我們還是可以利用內存映像技術來申請使用一塊各進程可以共享的內存區域，主要是利用了CreateFileMapping和MapViewOfFile這兩個函數，這倒是一個通用的方法，適合所有的開發語言，只要它能直接或間接的使用Windows的API。

在Borland的BCB中有一個指令#pragma codeseg與VC++中的#pragma data_seg指令有點類似，應該也能起到一樣的作用，但我試了一下，沒有沒有效果，而且BCB的聯機幫助中對此也提到的不多，不知怎樣才能正確的使用（或許是另外一個指令，呵呵）。

一旦鉤子DLL加載進入目標進程的地址空間後，在我們調用UnHookWindowsHookEx函數之前是無法使它停止工作的，除非目標進程關閉。

這種DLL注入方式有兩個優點： 這種機制在Win 9x/Me和Win NT/2K中都是得到支持的，預計在以後的版本中也將得到支持；鉤子DLL可以在不需要的時候，可由我們主動的調用 UnHookWindowsHookEx來卸載，比起使用註冊表的機制來說方便了許多。儘管這是一種相當簡潔明瞭的方法，但它也有一些顯而易見的缺點：首先值得我們注意的是，Windows鉤子將會降低整個系統的性能，因爲它額外增加了系統在消息處理方面的時間；其次，只有當目標進程準備接受某種消息時，鉤子所在的DLL纔會被系統映射到該進程的地址空間中，鉤子才能真正開始發揮作用，因此如果我們要對某些進程的整個生命週期內的API調用情況進行監控，用這種方法顯然會遺漏某些API的調用 。

3．使用 CreateRemoteThread函數
在我看來這是一個相當棒的方法，然而不幸的是，CreateRemoteThread這個函數只能在Win NT/2K系統中纔得到支持，雖然在Win 9x中這個API也能被安全的調用而不出錯，但它除了返回一個空值之外什麼也不做。該注入過程也十分簡單：我們知道，任何一個進程都可以使用 LoadLibrary來動態地加載一個DLL。但問題是，我們如何讓目標進程(可能正在運行中)在我們的控制下來加載我們的鉤子DLL（也就是鉤子驅動器）呢？有一個API函數CreateRemoteThread，通過它可在一個進程中可建立並運行一個遠程的線程--這個好像和注入沒什麼關係嘛？往下看！

調用該API需要指定一個線程函數指針作爲參數，該線程函數的原型如下： Function ThreadProc(lpParam: Pointer): DWORD，我們再來看一下LoadLibrary的函數原型： Function LoadLibrary(lpFileName: PChar): HModule。發現了吧！這兩個函數原型幾乎是一樣的（其實返回值是否相同關係不大，因爲我們是無法得到遠程線程函數的返回值的），這種類似使得我們可以把直接把LoadLibrary當做線程函數來使用，從而在目標進程中加載鉤子DLL。

與此類似，當我們需要卸載鉤子DLL時，也可以FreeLibrary作爲線程函數來使用，在目標進程中卸載鉤子DLL，一切看來是十分的簡潔方便。通過調用GetProcAddress函數，我們可以得到LoadLibrary函數的地址。由於LoadLibrary是Kernel32中的函數，而這個系統DLL的映射地址對每一個進程來說都是相同的，因此LoadLibrary函數的地址也是如此。這點將確保我們能把該函數的地址作爲一個有效的參數傳遞給CreateRemoteThread使用。 FreeLibrary也是一樣的。

AddrOfLoadLibrary := GetProcAddress(GetModuleHandle(‘Kernel32.dll’), ‘LoadLibrary’);

HRemoteThread := CreateRemoteThread(HTargetProcess, nil, 0, AddrOfLoadLibrary, HookDllName, 0, nil);

要使用CreateRemoteThread，我們需要目標進程的句柄作爲參數。當我們用OpenProcess函數來得到進程的句柄時，通常是希望對此進程有全權的存取操作，也就是以PROCESS_ALL_ACCESS爲標誌打開進程。但對於一些系統級的進程，直接這樣顯然是不行的，只能返回一個的空句柄（值爲零）。爲此，我們必須把自己設置爲擁有調試級的特權，這樣將具有最大的存取權限，從而使得我們能對這些系統級的進程也可以進行一些必要的操作。

4．通過BHO來注入DLL
有時，我們想要注入DLL的對象僅僅是Internet Explorer，很幸運，Windows操作系統爲我們提供了一個簡單的歸檔方法（這保證了它的可靠性！）―― 利用Browser Helper Objects（BHO）。一個BHO是一個在 DLL中實現的COM對象，它主要實現了一個IObjectWithSite接口，而每當IE運行時，它會自動加載所有實現了該接口的COM對象。

四、攔截機制
在鉤子應用的系統級別方面，有兩類API攔截的機制――內核級的攔截和用戶級的攔截。內核級的鉤子主要是通過一個內核模式的驅動程序來實現，顯然它的功能應該最爲強大，能捕捉到系統活動的任何細節，但難度也較大，不在本文的探討範圍之內（尤其對我這個使用Delphi的人來說，還沒涉足這塊領域，因此也無法探討，呵呵）。

而用戶級的鉤子則通常是在普通的DLL中實現整個API的攔截工作，這纔是此次重點關注的。攔截API函數的調用，一般可有以下幾種方法：

1． 代理DLL（特洛伊***
一個容易想到的可行的方法是用一個同名的DLL去替換原先那個輸出我們準備攔截的API所在的DLL。當然代理DLL也要和原來的一樣，輸出所有函數。但如果想到DLL中可能輸出了上百個函數，我們就應該明白這種方法的效率是不高的，估計是要累死人的。另外，我們還不得不考慮DLL的版本問題，很是麻煩。

2．改寫執行代碼
有許多攔截的方法是基於可執行代碼的改寫，其中一個就是改變在CALL指令中使用的函數地址，這種方法有些難度，也比較容易出錯。它的基本思路是檢索出在內存中所有你所要攔截的API的CALL指令，然後把原先的地址改成爲你自己提供的函數的地址。

另外一種代碼改寫的方法的實現方法更爲複雜，它的主要的實現步驟是先找到原先的API函數的地址，然後把該函數開始的幾個字節用一個JMP指令代替（有時還不得不改用一個INT指令），從而使得對該API函數的調用能夠轉向我們自己的函數調用。實現這種方法要牽涉到一系列壓棧和出棧這樣的較底層的操作，顯然對我們的彙編語言和操作系統底層方面的知識是一種考驗。這個方法倒和很多文件型病毒的感染機制相類似。

3．以調試器的身份進行攔截
另一個可選的方法是在目標函數中安置一個調試斷點，使得進程運行到此處就進入調試狀態。然而這樣一些問題也隨之而來，其中較主要的是調試異常的產生將把進程中所有的線程都掛起。它也需要一個額外的調試模塊來處理所有的異常，整個進程將一直在調試狀態下運行，直至它運行結束。

4．改寫PE文件的輸入地址表
這種方法主要得益於現如今Windows系統中所使用的可執行文件（包括EXE文件和DLL文件）的良好結構――PE文件格式（Portable Executable File Format），因此它相當穩健，又簡單易行。要理解這種方法是如何運作的，首先你得對PE文件格式有所理解。

一個PE文件的結構大致如下所示： 一般PE文件一開始是一段DOS程序，當你的程序在不支持Windows的環境中運行時，它就會顯示“This Program cannot be run in DOS mode”這樣的警告語句；接着這個DOS文件頭，就開始真正的PE文件內容了，首先是一段稱爲“IMAGE_NT_HEADER”的數據，其中是許多關於整個PE文件的消息，在這段數據的尾端是一個稱爲Data Directory的數據表，通過它能快速定位一些PE文件中段（section）的地址；在這段數據之後，則是一個 “IMAGE_SECTION_HEADER”的列表，其中的每一項都詳細描述了後面一個段的相關信息；接着它就是PE文件中最主要的段數據了，執行代碼、數據和資源等等信息就分別存放在這些段中。

在所有的這些段裏，有一個被稱爲“.idata”的段（輸入數據段）值得我們去注意，該段中包含着一些被稱爲輸入地址表（IAT，Import Address Table）的數據列表，每個用隱式方式加載的API所在的DLL都有一個IAT與之對應，同時一個API的地址也與IAT中一項相對應。當一個應用程序加載到內存中後，針對每一個API函數調用，相應的產生如下的彙編指令：

JMP DWORD PTR [XXXXXXXX]

如果在VC++中使用了_delcspec(import)，那麼相應的指令就成爲：

CALL DWORD PTR [XXXXXXXX]。

不管怎樣，上述方括號中的總是一個地址，指向了輸入地址表中一個項，是一個DWORD，而正是這個DWORD纔是API函數在內存中的真正地址。因此我們要想攔截一個API的調用，只要簡單的把那個DWORD改爲我們自己的函數的地址，那麼所有關於這個API的調用將轉到我們自己的函數中去，攔截工作也就宣告順利的成功了。這裏要注意的是，自定義的函數的調用約定應該是API的調用約定，也就是stdcall，而Delphi中默認的調用約定是 register，它們在參數的傳遞方法等方面存在着較大的區別。

另外，自定義的函數的參數形式一般來講和原先的API函數是相同的，不過這也不是必須的，而且這樣的話在有些時候也會出現一些問題，我在後面將會提到。因此要攔截API的調用，首先我們就要得到相應的IAT的地址。系統把一個進程模塊加載到內存中，其實就是把PE文件幾乎是原封不動的映射到進程的地址空間中去，而模塊句柄HModule實際上就是模塊映像在內存中的地址，PE文件中一些數據項的地址，都是相對於這個地址的偏移量，因此被稱爲相對虛擬地址（RVA，Relative Virtual Address）。

於是我們就可以從HModule開始，經過一系列的地址偏移而得到IAT的地址。不過我這裏有一個簡單的方法，它使用了一個現有的API函數 ImageDirectoryEntryToData，它幫助我們在定位IAT時能少走幾步，省得把偏移地址弄錯了，走上彎路。不過純粹使用RVA從 HModule開始來定位IAT的地址其實並不麻煩，而且這樣還更有助於我們對PE文件的結構的瞭解。上面提到的那個API函數是在 DbgHelp.dll中輸出的（這是從Win 2K纔開始有的，在這之前是由ImageHlp.dll提供的），有關這個函數的詳細介紹可參見MSDN。

在找到IAT之後，我們只需在其中遍歷，找到我們需要的API地址，然後用我們自己的函數地址去覆蓋它，下面給出一段對應的源碼：

procedure RedirectApiCall; var ImportDesc:PIMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR; FirstThunk:PIMAGE_THUNK_DATA32; szWORD;
begin

//得到一個輸入描述結構列表的首地址，每個DLL都對應一個這樣的結構
ImportDesc:=ImageDirectoryEntryToData(Pointer(HTargetModule), true, IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_IMPORT, sz);

while Pointer(ImportDesc.Name)<>nil do
begin //判斷是否是所需的DLL輸入描述

if StrIComp(PChar(DllName),PChar(HTargetModule+ImportDesc.Name))=0 then begin

//得到IAT的首地址
FirstThunk:=PIMAGE_THUNK_DATA32(HTargetModule+ImportDesc.FirstThunk);

while FirstThunk.Func<>nil do
begin

if FirstThunk.Func=OldAddressOfAPI then
begin

//找到了匹配的API地址 ……
//改寫API的地址

break;

end;

Inc(FirstThunk);

end;

end;

Inc(ImportDesc);

end;

end;

最後有一點要指出，如果我們手工執行鉤子DLL的退出目標進程，那麼在退出前應該把函數調用地址改回原先的地址，也就是API的真正地址，因爲一旦你的 DLL退出了，改寫的新的地址將指向一個毫無意義的內存區域，如果此時目標進程再使用這個函數顯然會出現一個非法操作。

五、替換函數的編寫
前面關鍵的兩步做完了，一個API鉤子基本上也就完成了。不過還有一些相關的東西需要我們研究一番的，包括怎樣做一個替換函數。 下面是一個做替換函數的步驟： 首先，不失一般性，我們先假設有這樣的一個API函數，它的原型如下：

function SomeAPI(param1: Pchar;param2: Integer): DWORD;

接着再建立一個與之有相同參數和返回值的函數類型：

type FuncType= function (param1: Pchar;param2: Integer): DWORD;

然後我們把SomeAPI函數的地址存放在OldAddress指針中。接着我們就可以着手寫替換函數的代碼了：

function DummyFunc(param1: Pchar;param2: Integer): DWORD; begin ……

//做一些調用前的操作

//調用被替換的函數，當然也可以不調用
result := FuncType(OldAddress) (param1 , param2);

//做一些調用後的操作

end;

我們再把這個函數的地址保存到NewAddress中，接着用這地址覆蓋掉原先API的地址。這樣當目標進程調用該API的時候，實際上是調用了我們自己的函數，在其中我們可以做一些操作，然後在調用原先的API函數，結果就像什麼也沒發生過一樣。當然，我們也可以改變輸入參數的值，甚至是屏蔽調這個 API函數的調用。

儘管上述方法是可行的，但有一個明顯的不足：這種替換函數的製作方法不具有通用性，只能針對少量的函數。如果只有幾個API要攔截，那麼只需照上述說的重複做幾次就行了。但如果有各種各樣的API要處理，它們的參數個數和類型以及返回值的類型是各不相同的，仍然採用這種方法就太沒效率了。

的確是的，上面給出的只是一個最簡單最容易想到的方法，只是一個替換函數的基本構架。正如我前面所提到的，替換函數的與原先的API函數的參數類型不必相同，一般的我們可以設計一個沒有調用參數也沒有返回值的函數，通過一定的技巧，使它能適應各種各樣的API函數調用，不過這得要求你對彙編語言有一定的瞭解。

首先，我們來看一下執行到一個函數體內前的系統堆棧情況（這裏函數的調用方式爲stdcall），函數的調用參數是按照從右到左的順序壓入堆棧的（堆棧是由高端向低端發展的），同時還壓入了一個函數返回地址。在進入函數之前，ESP正指向返回地址。因此，我們只要從ESP+4開始就可以取得這個函數的調用參數了，每取一個參數遞增4。另外，當從函數中返回時，一般在EAX中存放函數的返回值。

瞭解了上述知識，我們就可以設計如下的一個比較通用的替換函數，它利用了Delphi的內嵌式彙編語言的特性。

Procedure DummyFunc;

asm add esp,4 mov eax,esp//得到第一個參數

mov eax,esp+4//得到第二個參數 ……

//做一些處理，這裏要保證esp在這之後恢復原樣

call OldAddress //調用原先的API函數 ……

//做一些其它的事情

end;

當然，這個替換函數還是比較簡單的，你可以在其中調用一些純粹用OP語言寫的函數或過程，去完成一些更復雜的操作（要是都用匯編來完成，那可得把你忙死了），不過應該把這些函數的調用方式統一設置爲stdcall方式，這使它們只利用堆棧來傳遞參數，因此你也只需時刻掌握好堆棧的變化情況就行了。如果你直接把上述彙編代碼所對應的機器指令存放在一個字節數組中，然後把數組的地址當作函數地址來使用，效果是一樣的。

六、後記
做一個API鉤子的確是件不容易的事情，尤其對我這個使用Delphi的人來說，爲了解決某個問題，經常在OP、C++和彙編語言的資料中東查西找，在程序調試中還不時的發生一些意想不到的事情，弄的自己是手忙腳亂。不過，好歹總算做出了一個API鉤子的雛形，還是令自己十分的高興，對計算機系統方面的知識也掌握了不少，受益非淺。當初在寫這篇文章之前，我只是想翻譯一篇從網上Down下來的英文資料（網址爲[url]www.codeproject.com[/url] ，文章名叫“API Hook Revealed”，示例源代碼是用VC++寫的，這裏不得不佩服老外的水平，文章寫得很有深度，而且每個細節都講的十分詳細）。

PS：多年以前曾在 Win 2K/XP 用 Delphi 6.0 中實現個基本的框架，也成功的作了攔截工作，可惜隨着我剛買的硬盤的夭折而灰飛煙滅了，可惡的JS！如今也再無當年的興致與激情了，僅剩這篇小記，載着我曾有的夢想。