操作系统是如何使用重定位表的

一、重定位表的结构

重定位表是数据目录中第6项，它的结构如图示：

重定位表由多个块（block）组成，每个块内部由三部分组成——VirtualAddress、SizeOfBlock 和若干个2字节偏移。SizeOfBlock 表示当前块的大小，当 SizeOfBlock 与 VirtualAddress 同时为0，表示重定位表结束。

VirtualAddress 表示一个页面的基址的RVA，2字节偏移的数量 = (SizeOfBlock - 8) / 2，VirtualAddress+2字节偏移表示一个32位地址。其中，2字节偏移又分为高4位和低12位，高四位是属性，当它等于0011时，表示这个地址需要“重定位”；低12位刚好足够表示一个页面的所有地址，因为32位页面大小 = 2^12 = 4KB.

有了上述概念以后，就可以写出解析重定位表的程序了。但是对于初学者来说，重定位表是个啥，里面存的东西到底怎么使用，还是不清楚的。在讲解操作系统如何使用重定位表之前，不妨先了解一下为什么需要重定位表。

二、为什么要设计重定位表

每个PE文件（exe，dll）都有一个 ImageBase 表示它在4GB虚拟地址空间中加载的位置，一个运行的程序由一个exe和多个dll构成。对于exe来说，它总是最先加载到内存中，因此没有其他模块会和它抢内存，它总是可以加载到它希望去的位置，也就是exe指定的ImageBase；但是dll就不是这样了，也许程序用到了3个dll，它们的ImageBase都是1000000H，那就一定会发生冲突，后加载的dll只能往高地址加载了。

在代码中会用到一些写死的地址，例如：

100012CD  |.  E8 5EFEFFFF   CALL 10001130

这个地址 10001130 是 ImageBase + RVA 算出来的，对于DLL2来说，由于无法抢占到期望的 ImageBase ，所以写死的地址就无效了，要改成 20001130 才对，因此就需要用一个表来记录下所有需要修正的地方，重定位表就是为了解决这个问题而设计的。

三、重定位表里存的是什么

重定位表存储的地址由 VirtualAddress + 2字节偏移 得到，计算出来的是RVA，加上 ImageBase 就是在内存中的地址。假设DLL2期望的ImageBase是 10000000，实际分配到的 ImageBase 是 20000000，程序里有一条指令:

100012CD  |.  E8 5EFEFFFF   CALL 10001130

那么重定位表里一定在某个地方存储了 12CD 这个地址（VA+2字节偏移得到），类似的地址还有很多，每个2字节偏移就对应一个这样的地址。那么操作系统在加载DLL时，就会用DLL指定的 ImageBase + 12CD 得到一个地址，然后去修改里面写死的地址，也就是将 10001130 改成 20001130，修改当然就是加上实际ImageBase和期望ImageBase的差值了。

这就是操作系统使用重定位表的时候做的事情。

四、解析重定位表的代码

// 打印重定位表
VOID PrintRelocationTable(LPVOID pFileBuffer)
{
	PIMAGE_DOS_HEADER pDosHeader = (PIMAGE_DOS_HEADER)pFileBuffer;
	PIMAGE_FILE_HEADER pPEHeader = (PIMAGE_FILE_HEADER)(pDosHeader->e_lfanew + (DWORD)pDosHeader + 4);
	PIMAGE_OPTIONAL_HEADER32 pOptionHeader = (PIMAGE_OPTIONAL_HEADER32)((DWORD)pPEHeader + sizeof(IMAGE_FILE_HEADER));
	//PIMAGE_SECTION_HEADER pSectionHeader = \
	//	(PIMAGE_SECTION_HEADER)((DWORD)pOptionHeader + pPEHeader->SizeOfOptionalHeader);
		
	PIMAGE_BASE_RELOCATION pBaseRelocation = \
		(PIMAGE_BASE_RELOCATION)((DWORD)pFileBuffer + RvaToFoa(pFileBuffer, pOptionHeader->DataDirectory[5].VirtualAddress));
	
	while (pBaseRelocation->VirtualAddress || pBaseRelocation->SizeOfBlock)
	{
		puts("-------------------------------------");
		printf("VirtualAddress = %08x\n", pBaseRelocation->VirtualAddress);
		printf("SizeOfBlock = %08x\n", pBaseRelocation->SizeOfBlock);
		PWORD pwAddr = (PWORD)((DWORD)pBaseRelocation + 8);
		int n = (pBaseRelocation->SizeOfBlock - 8) / 2;
		printf("要修改的地址个数 = %d\n", n);		
		for (int i = 0; i < n ; i++)
		{
			WORD wProp = (0xF000 & pwAddr[i]) >> 12;
			WORD wAddr = 0x0FFF & pwAddr[i];
			printf("[%d]：RVA = %08x\t属性 = %d\n", i+1, pBaseRelocation->VirtualAddress + wAddr, wProp);
		}
		pBaseRelocation = (PIMAGE_BASE_RELOCATION)((DWORD)pBaseRelocation + pBaseRelocation->SizeOfBlock);
	}	
}

运行结果
用LordPE验证了运行结果的正确性：

五、模拟操作系统使用重定位表修正地址

编写程序，修改ImageBase的值，然后模拟DLL加载时操作系统根据重定位表做的地址修正工作。
代码在我的机器上测试过，修改后的DLL能够正常使用。

// 修改 ImageBase 并修复重定位表
VOID SetImageBase(LPVOID pFileBuffer, DWORD dwNewImageBase)
{
	PIMAGE_DOS_HEADER pDosHeader = (PIMAGE_DOS_HEADER)pFileBuffer;
	PIMAGE_FILE_HEADER pPEHeader = (PIMAGE_FILE_HEADER)(pDosHeader->e_lfanew + (DWORD)pDosHeader + 4);
	PIMAGE_OPTIONAL_HEADER32 pOptionHeader = (PIMAGE_OPTIONAL_HEADER32)((DWORD)pPEHeader + sizeof(IMAGE_FILE_HEADER));
	PIMAGE_SECTION_HEADER pSectionHeader = \
		(PIMAGE_SECTION_HEADER)((DWORD)pOptionHeader + pPEHeader->SizeOfOptionalHeader);
	
	PIMAGE_BASE_RELOCATION pRelocationTable = (PIMAGE_BASE_RELOCATION)((DWORD)pFileBuffer + \
		RvaToFoa(pFileBuffer, pOptionHeader->DataDirectory[5].VirtualAddress));	
	DWORD dwImageBaseDelta = dwNewImageBase - pOptionHeader->ImageBase; // 新旧ImageBase 的差值	
	
	// 重定位表的 VirtualAddress + 低12位偏移 = RVA
	// RVA + ImageBase 这个内存里存储了一个“指针”
	// 要修改的是这个“指针”的值，要让这个“指针”加上两个ImageBase的差值
	while (pRelocationTable->VirtualAddress || pRelocationTable->SizeOfBlock)
	{		
		size_t n = (pRelocationTable->SizeOfBlock - 8) / 2; // 可能需要修改的地址数量（高4位==0011才要修改）
		PWORD pOffset = (PWORD)((DWORD)pRelocationTable + 8); // 2字节偏移的数组
		for (size_t i = 0; i < n; i++)
		{
			// 高4位等于0011才需要重定位
			if ((pOffset[i] & 0xF000) == 0x3000)
			{
				// 计算需要重定位的数据的RVA地址
				DWORD dwRva = pRelocationTable->VirtualAddress + (pOffset[i] & 0x0FFF);
				// 计算在文件中的偏移
				DWORD dwFoa = RvaToFoa(pFileBuffer, dwRva);
				// 计算在文件中的地址
				PDWORD pData = (PDWORD)((DWORD)pFileBuffer + dwFoa);
				// 重定位，即修正写死的地址				
				*pData += dwImageBaseDelta;
			}
		}
		
		pRelocationTable = (PIMAGE_BASE_RELOCATION)((DWORD)pRelocationTable + pRelocationTable->SizeOfBlock);
	}
	// 修改 ImageBase
	pOptionHeader->ImageBase = dwNewImageBase;
}