利用DelayLoad来优化应用程序的性能，拦截API

在 1998年12月的MSJ出版刊物中, Jeffrey和我写了关于在 vc6中使用DelayLoad 功能的专栏.最终结果,是证明了它是多么cool.但是，不幸的是，还有很多人不了解DelayLoad,他们以为这个新特点是最新版本的WINNT才有的.

在开始的时候，让我重申一遍:DelayLoad不是最新的操作系统带的特有功能,它可以在任何win32系统中起作用.我将写一个简单例子来说明. DelayLoadProfile, 实现了一个很小功能,很多程序都可以得益于它.

预览:

通常的,当调用一个dll中的函数时,连接器会将dll和函数加入你的可执行文件.最后,所有引用的函数会放在imports段中. 当加载该程序的时候,win32程序加载器会扫描所有imports段的每个dll.加载,和重新定位imports段的所有函数,将信息写入引入地址表（ImportAddress Table, IAT).简单说来,IAT就是一个函数指针的表.调用该引入函数的时候,就到IAT中去找. 那么,DelayLoad的机理是什么呢?当你为一个Dll进行"DelayLoad"的时候,连接器不将原来的值放入imports段,相反,它为每个DelayLoad的引入函数的名称和地址,生成一个小的根区, 备份下来。第一次引用的时候，它调用LoadLibrary加载Dll,然后,它调用GetProcAddress取得该函数的地址。最后,改写自己在IAT的值,以便以后的程序可以直接调用.

上面的是简化的步骤.实际上,根区是一小段代码，它以静态的方式连接到可执行文件中.代码在delayimp.lib中,必须被连接程序引用.并且,该代码要足够智能,当一个函数第一次被引用的时候,要调用LoadLibrary,以后调用就不用引用了. 和引用Dll相比,DelayLoad不会加太多的时间和空间,这种方式调用LoadLibrary只会引起稍微一点点的性能损失.每次程序启动，在针对引入表的函数地址定位的时候，依次对DelayLoad引入的调用GetProcAddress,相对于Win32加载器来说，所损失的性能也可以忽略不记.

然而，DelayLoad带来的好处也是不可比拟的.例如：如果你的程序从来没有从Delay调用引入的函数,Dll的第一次是不会被加载的。有时候，这个情况的出现频率出乎你想象。假如，你的程序中，包含打印的代码，毫无疑问，即使用户没有使用打印功能，你的程序也一定要加载winspool.drv。在这种情况下，使用DelayLoad，你就不必加载和初始化Winspool.drv.

另外一个好处就是：DelayLoad可以避免调用某些目标平台不存在的API。例如，假如你的程序需要调用AnimateWindow,这个API在Win2000和Win98中存在，但是在Win95和WinNT4中，就不存在，假如你用常规的方式调用AnimateWindow，那么，你的程序将不能再早期的平台中运行。然而，你可以用DelayLoad进行对AnimateWindow的加载检查。这样，你就不必改写你的代码为LoadLibrary和GetProcAddress的方式了。

DelayLoad是很容易使用的。当你决定哪个dll你想使用DelayLoad，只需要简单的增加/DELAYLOAD:DLLNAME。其中，DLLNAME是相关的DLL文件名。你还需要增加DELAYIMP.LIB到连接库中，你也需要原来的LIB，例如，SHELL32.LIB。把全部放到一块，连接的命令就如下： SHELL32.LIB /DELAYLOAD:SHELL32.DLL DELAYIMP.LIB 很不幸，Visual Studio 6.0 IDE 不提供一个简单的方法去实现一个Dll的DelayLoad。所以，你必须手工加入:/DELAYLOAD:XXX 命令行到 "Project settings"->"Link"->"Project Options"中。

什么时候需要DelayLoad:

当你有小的工程，它调用了多个dll，就是一个好的DelayLoad候选例子。然而，工程可能在以后由于其它开发者的加入而变大，很容易丢失调用dll的跟踪。我通常用sdk中的depends.exe。一个只有少数函数要引入的dll就是一个好的开始。

然而，我想找到一个简单的，自动的方法来跟踪。于是，出来了DelayLoadProfile程序。它是一个exe,可以监视你的exe文件对dll的调用，直到你的exe结束。它打印出dll被调用的情况的汇总，包括多少个dll被调用，每个dll有多少个函数被引入。

我在这里强调：DelayLoadProfile只是针对exe有效，当它涵盖你的程序所关联的所有dll的时候，有时会造成一点点复杂。DelayLoadProfile只给你哪个dll可以用DelayLoad开关的暗示，你最好在不确定的时候，使用原来的处理方法。

DelayLoadProfile:详细描述

其实DelayLoadProfile的原理很简单：重定向 exe中，IAT的函数的指针到一段根区。根区简单的标志一下，引入的函数被调用了。然后，跳入原来的Win32加载提供的IAT地址。只是，难的是如何实现。

第一，你必须决定，要在哪里运行你的代码，实现对exe的IAT入口的更改，把他们指定到那段根区去。这些都是在进程外完成。这样可以避免你的代码牵涉到目的exe进程中。这个可以用遍历所有的数据结构，定位和修改IAT结构的方法。我在这里利用了很多ReadProcessMemory调用。

接着的艰苦工作是要在和目的exe相同的进程空间里完成。几乎是很琐碎的工作：遍历所有的数据结构，建立根区，从定向IAT入口，然后在完成的时候，汇总结果。然而，为了完成进程空间的工作，在exe进程运行的时候，一些 DelayLoadProfile代码必须被加载到目的exe的进程空间。这个是我要做的。

当确认到需要在目的进程中，加载我的代码的时候，下个问题就是如何把我的代码加入到目的进程中。其中一个选择就是，要求用户连接我的DelayLoadProfile库，这个会造成用户的很大量的对他们源代码工程，或者Makefile的更改，所以，我不能采用，现在需要一个完全自动化的方法。

在这点上，我想到了加载程序，然后，插入我的DelayLoadProfiledll进去，一个技术就是用CreateRemoteThread，在目标进程，创建一个LoadLibrary的线程。我放弃了这个，因为，win9x中，不提供CreateRemoteThread.

很久以前的MSJ读者可能记得我5年前写的一个叫APISPY32的程序。它加载一个进程，插入一个dll来记录API的调用。那个有点像我今天的DelayLoadProfile工作。然而，我在Win200中，调用那个dll失败。有一点点问题。我觉得现在是时候要重读那段代码，并且改正那个错误了。

继续深入:

重新温习一下，DelayLoadProfile包含2部分，一，是进程加载功能，它会注射一个dll到你的进程的地址空间。然后，那个dll扫描你的所有的exe IAT，重新定向他们到dll创建的根区中。当你的程序完成后，注射的dll会扫描所有的根区，统计出多少dll和函数它调用的。如果你曾经用过APIMON的相关部件，你将认出类似的技术细节。

完成所有的工作，包括监视一个程序的引入的dll,叫DelayLoadProfileDLL.(看Figure 1).它用到DLL_PROCESS_ATTACH和DLL_PROCESS_DETACH来初始化2个主要的工作。

当DllMain获得DLL_PROCESS_ATTACH的消息的时候，DelayLoadProfileDLL调用PrepareToProfile(),在PrepareToProfile中,代码加载目的EXE的IAT,对于每个它发现的引用的DLL，代码还检测是否安全的重定向IAT。通过IsModuleOKToHook函数来检测，大多数情况下，是安全的，因此，PrepareToProfile包括了RedirectIAT函数。

RedirectIAT是比较复杂的函数。如果你理解了 winini.h中的引入相关数据结构，你将得到很大的帮助。首先，函数定位IAT和相关的引入名字表，然后，计算有多少个IAT入口，扫描所有的IAT，查找NULL的指针。得到了数目后，程序将创建一个DLPD_IAT_STUB根区，每个根区对应一个IAT入口。

最后，代码重新扫描IAT，获取每个IAT入口的地址，用根区的一个包含JMP指令的地址，替换IAT入口。它还扫描下一个IATDLPD_IAT_STUB根区。我在后面将还会继续解析。

在重定向IAT入口的根区中，有2个值得提起：1，IAT常常被放到EXE的只读段，通常，尝试改写只读段，会引起访问违规，幸运的，VirtualProtect允许你更改一个目的地址的属性。现在必须更改iat的属性为读/写。完成后，代码要恢复IAT段原来的属性。

另外一个要注意的地方，就是在重定向IAT的时候，有数据引入的问题。虽然程序员们很少这样做，但是，很容易用增加的代码去导入数据。vc++运行库DLL(MSVCRT.DLL)有数据导出。如果重定向一个数据IAT的入口，会导致问题。

那么，如何判断一个IAT是数据呢？一个商业的软件，应该用准确的算法来判断一个IAT入口的类型。但是，我在这里用了一个快捷方法。就是IsBadWritePtr。如果IAT包含的指针是可写的，那么，很可能是一个数据指针。如果是只读的，那么，应该是一段代码。这个测试合适吗？不，但是，它对DelayLoadProfile是足够了。

现在看一下根区，在DelayLoadProfileDLL.h中定义的DLPD_IAT_STUB结构包含着代码和数据。简单来说，就是如下：

CALL DelayLoadProfileDLL_UpdateCount

JMP xxxxxxxx //original IAT 地址

DWORD count

DWORD pssNameOrOrdinal

当exe调用其中一个重定向的函数时，控制权被转到根区的CALL指令中，调用DelayLoadProfileDLL.CPP中的DelayLoadProfileDLL_UpdateCount函数，在call指令返回时，继续调用jmp 跳转到IAT原来取得的地址中。Figure2显示了结构示意图。

汇编高手会对DelayLoadProfileDLL_UpdateCount函数能确定根区的COUNT字段的地址，感到疑惑，通过快速的察看代码，会发现DelayLoadProfileDLL_UpdateCount会在堆栈中，查找到返回地址。返回地址指着JMP xxxxxxxx指令。因为，CALL调用总是5个字节，根据这些算法，可以确定COUNT字段的地址。

有一个问题值得提醒，就是DelayLoadProfileDLL_UpdateCount没有调用PUSHAD和POPAD指令来保存/回复CPU寄存器的值。这段代码在很多程序上都工作正常，但是，却在一些函数中，不能正常工作。最后，发现 MSVCRT.DLL的__CxxFrameHandler和 _EH_prolog有问题，这2个函数期望eax寄存器被设置成某个值。然而，DelayLoadProfileDLL_UpdateCount更改了EAX. 既然这个是由于EAX引起的问题，那么，我增加了PUSHAD和POPAD，昏倒，问题还存在。在遭受挫折后，我检查了汇编生成的代码。通常，VC6编译器会插入将所有本地变量都初始化为0xCC的代码。这些代码会在PUSHAD和POPAD前，将EAX改变。我只好移去/GZ的选项。

结果报告：

当你的进程停止的时候，系统对所有加载的DLL发送一个DLL_PROCESS_DETACH消息。DelayLoadProfileDLL使用这个选项来搜集程序运行过程中，获得的结果。也是说，再次遍历所有的根区单元。收集所有获得的数据，输出。

在DelayLoadProfileDLL安装的阶段，重定向IAT，它保存exe的IAT到一个公共的变量出g_pFirstImportDesc。在关闭的过程中，ReportProfileResults用到这个指针来再次遍历引入段。如果这个IAT是被重定向的，那么，第一个IAT的指针应该指到第一个为该DLL分配的DLPD_IAT_STUB根区内存。当然，代码保持了基本的测试方法，如果某些地方不正确，DelayLoadProfileDLL忽略该特定的dll。

总的说来，所有的都很正常，并且，第一个IAT入口指到我的根区单元。对于每个DLL，代码反复的遍历所有的根区。每个相关的根区，它的包含的字段的值，将加到该DLL的总计数。当遍历完成，ReportProfileResults格式化一个字符串，输出该dll的名字，和调用的总次数。代码还用OutputDebugString广播该结果。

加载和注射：

本程序加载你的exe，注射DelayLoadProfileDLL.dll将会调用，（你猜到了），是DelayLoadProfile.exe（源文件可以在msj的网站找到，http://www.microsoft.com/msj）。这个代码主要继承了CDebugInjector类。我将简单的介绍它。函数主要包含了目的exe的命令行，并且传递到CDebugInjector::LoadProcess。如果进程被成功创建，函数会告诉CDebugInjector，哪个dll会被注射，既然是这样，和DelayLoadProfile.exe同目录的DelayLoadProfileDLL.DLL，将会被加载。

在运行目标程序之前，最后的步骤是调用CDebugInjector::SetOutputDebugStringCallBack。当DelayLoadProfileDLL用OutputDebugString来输出报告结果的时候，CDebugInjector看到他们，然后传递他们到你已经注册的回调函数中。这个回调函数只是用printfs输出字符串到控制台。最后，函数调用CDebugInjector::Run。这样，目的进程开始运行，当时机成熟，注射dll进去。描述3（hoodtextfigs.htm#fig3）说明了CDebugInjector类。这是代码实现的地方。CDebugtInjector::LoadProcess创建了目的进程，作为一个调试进程，它的分支已经在msdn的很多文档中讨论过了，这里，不想作太多具体的讨论。

调试进程运行后（这里是DelayLoadProfile)进入了一个循环，不断的调用WaitForDebugEvent和ContinueDebugEvent，直到调试停止。每次WaitForDebugEvent返回，都有些东西发生在调试程序身上。可能是一个异常（包括断点），或者加载一个dll，或者创建一个线程，或者其他事件。WaitForDebugEvent文档历包含了所有的可能的事件。CDebugInjector::Run过程包含这个循环的代码。

那么，如何让目的进程作为一个被调试进程，帮助你注射一个dll呢？一个调试进程可以控制的被调试进程的执行过程。每次被调试程序有一个信号事件发生，它都会暂停，等待调试者调用ContinueDebugEvent继续运行。了解了这个，一个调试进程可以增加代码到被调试进程的空间，和临时改变被调试者的寄存器值，以便增加的代码运行。

在某些特定场合，CDebugInjector合成了一小段代码根区来调用LoadLibrary。LoadLibrary的dll名字参数，指到要被注射的dll的名字。CDebugInjector写那个根区（和相关联的dll名字）到被调试者的地址空间。然后，调用SetThreadContext来改变被调试者的指令寄存器，运行LoadLibrary根区。所有的相关代码在CDebugInjector::PlaceInjectionStub过程中。

立刻的，根区中的LoadLibrary调用后，是一个断点(int 3)。这个暂停被调试者的运行，交回控制权给调试的进程。调试者用SetThreadContext，恢复指令寄存器和其他寄存器到原来的值。另一次调用ContinueDebugEvent，被调试者在dll注射的状态下，继续运行。没有人知道发生了什么事情。

如果你不想那么多，这个注射进程不会觉得太难，但是，一些有兴趣的东西，弄复杂了事情。例如，什么时候创建根区，改变运行代码，才是适当呢？你不能在CreateProcess后立刻做这个，因为，引入的dll还没有被映射到内存中，WIN32加载器还没有建立exe的IAT。相当于：太早了。

最后，我决定让被调试者运行，直到碰到了第一个断点。我在程序入口处，设置了一个自己的断点。当第2次中断被触发，CDebugInjector知道目的进程的DLL，都被初始化了（包括Kernel32.dll）。但是，在exe中，还没有代码运行。现在是时候注射DelayLoadProfileDLL.DLL了。

顺便说一下：断点从哪里来呢？通过定义，一个被调试的win32的进程，在运行之前，会调用DebugBreak（也是int3），在我早期的apispy32代码中，我选用了最初的DebugBreak来做注射。在win2k中，非常不幸，这个DebugBreak在Kernel32.dll初始化之前，被调用，那么，CDebugInjector设置它的断点到exe即将获得控制的地方，那么，kernel32.dll被初始化了。

在之前，我提到在LoadLibrary调用后，发生的一个断点。这是第3个CDebugInjector要处理的断点，所有的处理不同断点的技巧，可以参考CDebugInjector::HandleException。

另外一个关于注射dll的有兴趣的问题，就是在那里写LoadLibrary单元，在winnt4.0以后，你可以用VirtualAllocEx来为某个线程申请内存。我采用了这个方法。现在，剩下不能支持VirtualAllocEx的Win9x，针对这个问题，我利用了win9x内存映射文件的一个特殊的特性，这些文件在所有的地址空间都可见。并且，是同一个地址。我简单的利用系统页面文件作为支持，创建了一个小的内存映射文件，写了LoadLibrary根区进去。该根区对于被调试程序，是可见的。更多的详细情况，请看文章首部的连结的CDebugInjector::GetMemoryForLoadLibraryStub。

使用DelayLoadProfile:

DelayLoadProfile是一个输出结果到标准输出的命令行程序。在命令行提示中，运行DelayLoadProfile，制定目的程序，和它需要的参数，例如： DelayLoadProfile notepad c:\autoexec.bat下面是针对（windows 2000 Release Candidate2）的calc.exe，运行DelayLoadProfile的结果：

[d:\column\col66\debug]delayloadprofile calc

DelayLoadProfile: SHELL32.dll was called 0 times

DelayLoadProfile: MSVCRT.dll was called 9 times

DelayLoadProfile: ADVAPI32.dll was called 0 times

DelayLoadProfile: GDI32.dll was called 60 times

DelayLoadProfile: USER32.dll was called 691 times

我简单的开始calc，然后，立即关闭。注意到，shell32.dll和advapi32.dll都没有调用，这2个dll是最初的calc用来DelayLoad的候选。

你将回觉得奇怪，为什么calc调用shell32.dll，你没有调用它。如果你针对CALC，调用DumpBin /IMPORTS或者Depends.exe分析，你将看到，CALC从SHELL32.DLL中引入的函数只有ShellAboutW。简单来说，只有你选者CALC的HELP|About Calculator菜单项，才会完全的调用SHELL32.DLL入内存。这个是一个最明显的/DELAYLOAD显示其价值的例子。顺便说，SHELL322.DLL简单的，毫无条件的加载SHLWAPI.DLL和COMCTL32.DLL，并且初始化。

如果只是因为DelayLoadProfile报告一个dll没有被调用，或者很少调用，你就可以自动的延迟加载，你要认真的确定，哪一个暗中连结的dll，你要使用/DELAYLOAD。这种情况下，如果由于其他的依赖，你的DLL要被自动的加载和初始化，那么，/DELAYLOAD就没有意义了。平台sdk带的Depends.exe是一个很有用的工具，可以看到一个dll的使用情况。

在你的测试过程中，你的测试的程序的个数，也是值得考虑的。如果你测试了所有的程序的功能，所有的被引入的dll都包括了。个人认为，我觉得应该尽量缩小初始化时间，这个可能是意味着你只是开始你的程序，然后关闭它。要加快初始化，就依次加载dll。用户都是主观的由启动时间判断你的程序的速度。

我发现几个DLL可以从/DELAYLOAD处得益。从上所述，SHELL32.DLL是其中一个。另外一个是打印支持的WINSPOOL.DRV。既然很多用户都不经常打印，那么，就是很好的采用者。还有，类似的OLE32.DLL和OL3AUT32.DLL。一个多态的程序，在小容器中，用到COM和OLE，那么，相关的DLL也是可以选用的。例如，WIN2000的CDPLAYER.EXE和OLE32.DLL连接，用到了CreateStreamOnHGlobal函数。但是，在通常的情况下，我没有觉察到这个函数被调用。

DelayLoadProfile并不是没有它的毛病，当我在很多程序针对IAT，用DelayLoadProfileDLL成功测试后，你可能还会碰到不正确的运行的情况。要完全解决这个问题，就超出了本次讨论的范围。然而，如果你成功解决了其中一个问题，请让我知道。我将在将来的一天更新DelayLoadProfile。我知道某些引入mfc42.dll和mfc42u.dll的程序会和DelayLoadProfile冲突，于是，我采用了一个方法，在DelayLoadProfileDLL.cpp，有一个IsModuleOKToHook函数，我放了MFC42.DLL，MFC42U.DLL和KERNEL32.DLL进去。（你不能用 /DELAYLOAD 和KERNEL32.DLL关联，因为，是没有作用的）如果一个特别的DLL会出问题，你应该放到IsModuleOKToHook函数中。我希望DelayLaodProfile会帮助你的程序采用/DELAYLOAD。我以后应该还会有时间去更新一些专业的带骂，并且，我还希望听到你的成功的故事。

如果你对<under the hook>有任何建议，请mail给matt:matt@wheaty.net，或者 http://www.wheaty.net

摘自 <Microsoft System Journal>2000年2月刊