一：背景
1. 一個很好奇的問題
我們在學習 C# 的程序中，總會聽到一個詞叫做 內核態 ，比如說用 C# 讀寫檔案，會涉及到代碼從 用戶態 到 內核態 的切換，用 HttpClient 獲取遠端的資料，也會涉及到 用戶態 到 內核態 的切換，那到底這是個什么樣的互動流程？畢竟我們的程式是無法操控 內核態 ，今天我們就一起探索下，
二：探究兩態的互動流程
1. 兩個態的交界在哪里
我們知道人間和地府的交界處在 鬼門關，同樣的道理 用戶態 和 內核態 的交界處在 ntdll.dll 層，畫個圖就像下面這樣：
作業系統為了保護 內核態 的代碼，在用戶態直接用指標肯定是不行的，畢竟一個在 ring 3，一個在 ring 0，而且 cpu 還做了硬體保護兜底，那怎么進入呢？ 為了方便研究，先上一個小例子，
2. 一個簡單的檔案讀取
我們使用 File.ReadAllLines() 實作檔案讀取，代碼如下：
internal class Program
{
public static object lockMe = new object();
static void Main(string[] args)
{
var txt= File.ReadAllLines(@"D:\1.txt");
Console.WriteLine(txt);
Console.ReadLine();
}
}
在 Windows 平臺上，所有內核功能對外的入口就是 Win32 Api ，言外之意，這個檔案讀取也需要使用它，可以在 WinDbg 中使用 bp ntdll!NtReadFile 在 鬼門關 處進行攔截，
0:000> bp ntdll!NtReadFile
breakpoint 0 redefined
0:000> g
ModLoad: 00007ffe`fdb20000 00007ffe`fdb50000 C:\Windows\System32\IMM32.DLL
ModLoad: 00007ffe`e2660000 00007ffe`e26bf000 C:\Program Files\dotnet\host\fxr\6.0.5\hostfxr.dll
Breakpoint 0 hit
ntdll!NtReadFile:
00007ffe`fe24c060 4c8bd1 mov r10,rcx
哈哈，很順利的攔截到了，接下來用 uf ntdll!NtReadFile 把這個方法體的匯編代碼給顯示出來，
0:000> uf ntdll!NtReadFile
ntdll!NtReadFile:
00007ffe`fe24c060 mov r10,rcx
00007ffe`fe24c063 mov eax,6
00007ffe`fe24c068 test byte ptr [SharedUserData+0x308 (00000000`7ffe0308)],1
00007ffe`fe24c070 jne ntdll!NtReadFile+0x15 (00007ffe`fe24c075)
00007ffe`fe24c072 syscall
00007ffe`fe24c074 ret
00007ffe`fe24c075 int 2Eh
00007ffe`fe24c077 ret
從匯編代碼看，邏輯非常簡單，就是一個 if 判斷，決定到底是走 syscall 還是 int 2Eh，很顯然不管走哪條路都可以進入到 內核態，接下來逐一聊一下，
3. int 2Eh 入關走法
相信在除錯界沒有人不知道 int 是干嘛的，畢竟也看過無數次的 int 3，本質上來說，在內核層維護著一張 中斷向量表,每一個數字都映射著一段函式代碼，當你打開電腦電源而后被 windows 接管同樣借助了 中斷向量表 ，好了，接下來簡單看看如何尋找 3 對應的函式代碼，
windbg 中有一個 !idt 命令就是用來尋找數字對應的函式代碼，
lkd> !idt 3
Dumping IDT: fffff804347e1000
03: fffff80438000f00 nt!KiBreakpointTrap
可以看到，它對應的內核層面的 nt!KiBreakpointTrap 函式，同樣的道理我們看下 2E，
lkd> !idt 2E
Dumping IDT: fffff804347e1000
2e: fffff804380065c0 nt!KiSystemService
現在終于搞清楚了，進入內核態的第一個方法就是 KiSystemService，從名字看，它是一個類似的通用方法，接下來就是怎么進去到內核態相關的 讀取檔案 方法中呢？
要想找到這個答案，可以回頭看下剛才的匯編代碼 mov eax,6 ，這里的 6 就是內核態需要路由到的方法編號，哈哈，那它對應著哪一個方法呢？ 由于 windows 的閉源，我們無法知道，幸好在 github 上有人列了一個清單：https://j00ru.vexillium.org/syscalls/nt/64/ ，對應著我的機器上就是，
從圖中可以看到其實就是 nt!NtReadFile ，到這里我想應該真相大白了，接下來我們聊下 syscall，
4. syscall 的走法
syscall 是 CPU 特別提供的一個功能，叫做 系統快速呼叫，言外之意，它借助了一組 MSR暫存器 幫助代碼快速從 用戶態 切到 內核態, 效率遠比走 中斷路由表 要快得多，這也就是為什么代碼會有 if 判斷，其實就是判斷 cpu 是否支持這個功能，
剛才說到它借助了 MSR暫存器，其中一個暫存器 MSR_LSTAR 存放的是內核態入口函式地址，我們可以用 rdmsr c0000082 來看一下，
lkd> rdmsr c0000082
msr[c0000082] = fffff804`38006cc0
lkd> uf fffff804`38006cc0
nt!KiSystemCall64:
fffff804`38006cc0 0f01f8 swapgs
fffff804`38006cc3 654889242510000000 mov qword ptr gs:[10h],rsp
fffff804`38006ccc 65488b2425a8010000 mov rsp,qword ptr gs:[1A8h]
...
從代碼中可以看到，它進入的是 nt!KiSystemCall64 函式，然后再執行后續的 6 對應的 nt!NtReadFile 完成業務邏輯，最終也由 nt!KiSystemCall64 完成 內核態 到 用戶態 的切換，
知道了這兩種方式，接下來可以把圖稍微修補一下，增加 syscall 和 int xxx 兩種入關途徑，
三：總結
通過匯編代碼分析，我們終于知道了 用戶態 到 內核態 的切換原理，原來有兩種途徑，一個是 int 2e，一個是 syscall ，加深了我們對 C# 讀取檔案 的更深層理解，
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標籤：.NET技术
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