从应用层到MCU，看Windows处理键盘输入 [1.在应用层调试Notepad.exe (按键消费者)]

文本编辑器/文本编辑框是应用层常见的键盘处理程序。微软泄露的WinXP源码下有文本编辑器Notepad的实现：

Microsoft_leaked_source_code\nt5src\Source\XPSP1\NT\shell\osshell\accesory\notepad

文本编辑器的实现并不复杂，微软又(被迫)提供了Sample，因此本文就不重复造轮子了。本文从调试器的角度观察Notepad.exe如何消费键盘按键.

Notepad接收WM_CHAR

首先评估一下调试Notepad.exe的难易程度(虽然有源码，我还是装作没有):

无壳且看着像是C++编译器生成

Notepad.exe属于标准的Windows窗口程序

既然猜测Notepad.exe是标准的窗口程序，那它一定按窗口程序的模板(如下)处理窗口消息，而作为键盘按键的消费者，WM_CHAR等按键消息亦包含其中:

while (GetMessage((LPMSG)&msg, (HWND)NULL, 0, 0))
    {
        if (TranslateAccelerator(hwndNP, hAccel, (LPMSG)&msg) == 0)
        {
           TranslateMessage ((LPMSG)&msg);
           DispatchMessage ((LPMSG)&msg);
        }
    }

在跟踪消费者WM_CHAR的行为前，先要从茫茫众消息(窗体消息中有大量的鼠标移动的消息干扰分析)中筛选出WM_CHAR，思路如下:

1. 定位GetMessage API；
2. 分析GetMessage返回的消息，筛选出WM_CHAR消息；

下面看我分步实现上述思路：

定位GetMessage API。

先用IDA和windbg查找并定位Notepad.exe调用GetMessage API的身影:

根据IDA分析,Notepad.exe在WinMain中进行消息循环

0:001> x notepad!*main* ;先找符号winMain,再找GetMessage调用处
00007ff7`e4d0ad6c NOTEPAD!wWinMain (<no parameter info>)

0:001> uf NOTEPAD!wWinMain 
00007ff7`e4d0b010 488d4d0f        lea     rcx,[rbp+0Fh] ;<--获得窗体消息msg变量的地址
00007ff7`e4d0b014 4533c0          xor     r8d,r8d
00007ff7`e4d0b017 33d2            xor     edx,edx
00007ff7`e4d0b019 48ff1500bc0100  call    qword ptr [NOTEPAD!_imp_GetMessageW (00007ff7`e4d26c20)]
00007ff7`e4d0b020 0f1f440000      nop     dword ptr [rax+rax]
00007ff7`e4d0b025 85c0            test    eax,eax

简单说明上面windbg的输出:

L5处:GetMessage需要4个参数，参数1传入窗体消息MSG msg的地址。而我的OS是64位系统，所以Notepad.exe也是64位程序。64位程序依次通过rcx/rdx/r8/r9传入函数的前4个参数;

L9处：GetMessage已经返回，在此处下断点，查看MSG msg栈变量就可以获得窗体消息。

分析GetMessage返回的消息消息，筛选出WM_CHAR消息

为了使windbg能正确解析各个成员变量，需要明确告知windbg从GetMessage返回的窗体消息是个MSG结构体。MSG定义在combase.dll中：

0:001> dt combase!MSG
   +0x000 hwnd             : Ptr64 HWND__
   +0x008 message          : Uint4B
   +0x010 wParam           : Uint8B
   +0x018 lParam           : Int8B
   +0x020 time             : Uint4B
   +0x024 pt               : tagPOINT

在GetMessage返回处下断点，windbg停下后解析MSG内容:

0:001> bp 00007ff7`e4d0b020
0:001> g
Breakpoint 0 hit

0:000> dt combase!MSG [rbp+f]
   +0x000 hwnd             : 0x00000000`001001fe HWND__
   +0x008 message          : 0xf
   +0x010 wParam           : 0
   +0x018 lParam           : 0n0
   +0x020 time             : 0xaa1dbe
   +0x024 pt               : tagPOINT

其中:

L6处为窗口句柄，这和前面Spy++获得的窗口句柄值一致

L7处为消息类型，值0x0f对应WM_PAINT

#define WM_SETTEXT                      0x000C
#define WM_GETTEXT                      0x000D
#define WM_GETTEXTLENGTH                0x000E
#define WM_PAINT                        0x000F
#define WM_CLOSE                        0x0010

修改一下前面的断点，让它变为条件断点(条件断点略复杂，请移步windbg设置条件断点)，每当Notepad.exe中按键，windbg打印WM_CHAR：

0:001> bp 00007ff7`e4d0b020 ".block{r @$t0=poi(rbp+0xf+0x08);.if(@$t0==0x102){.printf @\"WM_CHAR enter\";gc;};.else{gc;}}"
0:000> g
WM_CHAR enterWM_CHAR enter

随手在Notepad上输入几个字母，windbg艰难的吐出几个日志。效果挺好，就是挺卡的

Notepad处理WM_CHAR/显示输出

它会将收到的按键内容暂存在所映射内存中，通过某种机制将这段内存内容显示在文本(文本编辑框)上。提一个问题，如果修改这段内存，是否导致最终文本内容被修改？以下面文本为例:

测试文本内容

验证Notepad是以文件映射的方式更新文本内容：

用Cheat Engine附加到Notepad进程，"Memory view"--Search--"Find memory"--在Find对话框中输入要查找的文本，同时勾选Unicode复选框输，即可在Cheat Engine中找到acpi.h中部分内容:

左框为文本的部分内容;右框为相应的内存映射的内容

至此，可以确定Notepad.exe的内容被映射的内存块。

（PS:其实用windbg在内存映射中搜索指定字符串，也可以取得相同结果。然而第一次尝试搜索时我以ansi字符串的方式搜索，没有找到该字符，疑惑中改用Cheat Engine）

0:003> s -u 0x20181900000 L?100000 "State" #windbg 搜索指定Unicode string

windbg的搜索结果

借用前面搜索指定字符串的输出结果，可以确定文本内容被映射到内存地址:0000020181967050。

#搜索acpi.h文件中第一行文字，确定所在的内存起始地址:
0:001> s -u 0x20181900000 L?100000 "typedef struct _GAS_20 {"
00000201`81967050  0074 0079 0070 0065 0064 0065 0066 0020  t.y.p.e.d.e.f. .
#以Unicode字符串形式打印起始地址的内容:
0:001> du 00000201`81967050
00000201`81967050  "typedef struct _GAS_20 {..    UI"
00000201`81967090  "NT8...AddrSpcID;          //The "
00000201`819670d0  "address space where the data str"
00000201`81967110  "ucture or register exists...    "
00000201`81967150  "                                "
00000201`81967190  "//Defined values are above      "
00000201`819671d0  "                                "
00000201`81967210  "      ..    UINT8...RegBitWidth;"
00000201`81967250  "..//The size in bits of the give"
00000201`81967290  "n register. ...........//When ad"
00000201`819672d0  "dressing a data structure, this "
00000201`81967310  "field must be zero...    UINT8.."

我们尝试修改该内存块，如果修改内存后直接会反应到文本上，那么可以证明Notepad确实通过内存映射的方式访问文件。

修改前我们再核对一下acpi.h的面貌，因为待会马上要整容了:

测试文本原始内容

#以Unicode string方式修改内存
0:004> eu 0x20181967050    "I don't know what to write"
#查看修改结果
0:004> du 0x20181967050    
00000201`81967050  "I don't know what to write    UI"
00000201`81967090  "NT8...AddrSpcID;          //The "
00000201`819670d0  "address space where the data str"
00000201`81967110  "ucture or register exists...    "

测试文本修改后的内容

由此，证明了我的猜想。

链接键盘输入和显示输出过程

Notepad通过某种机制将这段内存内容显示在文本(文本编辑框)上。这一节简单的回答这个问题。

a.输入端:Notepad接收到WM_CHAR消息后，通过DispatchMessage，将消息传给文本编辑框句柄hwndEdit(为什么hwndEdit就是文本编辑框的句柄?这个可以参考张银奎老师的《格蠹汇编》一书)；

b.hwndEdit所在窗体的Callback处理WM_CHAR，将键盘消息插入到内存映射所对应的Unicode String的恰当位置;

c.输出端:由hwndEdit调用SetDlgItemText将Unicode String显示到Notepad.exe对应的文本编辑框。Notepad源码通过下列方式，从hwndEdit窗口句柄获得文本内容:

hEText= (HANDLE) SendMessage( hwndEdit, EM_GETHANDLE, 0, 0 ); //获得文本句柄
    if( !hEText )  // silently return if we can't get it
    {
        return( bStatus );
    }
    pStart= LocalLock( hEText ); //获得文本

本文完，下一篇将从应用层进入驱动层，看下i8042.sys怎么处理键盘按键