Windows 中一个应用程序的启动过程

 

# 1. Explorer.exe 

    Windows 能够流行起来，很大一个原因是它有友好的用户图形界面，操作方便简单，容易上手。在Windows环境下打开一个程序，只要双击软件的图标就行了，那么它是如何启动起来的？ 

    当我们启动电脑进入桌面时，系统会创建 Explorer.exe 进程。Explorer.exe是Windows程序管理器 或者叫 文件资源管理器，用于管理Windows图形壳，删除该程序会导致 Windows 图形界面无法使用。所以，如果有时候我们电脑的桌面空白了，或者蓝屏，可以通过 Alt+Ctrl+delete（或者在dos中输入 taskmgr 命令） 打开任务管理器， 点击“文件”-> “新建任务”，输入 "explorer.exe"，就可以找回我们的桌面了。

    当双击某个图标时，Explorer.exe进程的一个线程会侦测到这个操作，它根据注册表中的信息取得文件名，然后Explorer.exe 以这个文件名调用 CreateProcess 函数。注册表中有相关的项保存着双击操作的信息，如 exe 文件关联、启动 exe 的 Shell 是哪个。PC中的大多其它的进程都是 Explorer.exe 的子进程，因为它们都是由Explorer.exe 进程创建的。

 

# 2. CreateProcess 函数的执行过程

（1）CreateProcess 实际上是通过 NtCreateProcess 函数实现的， 此时，系统会创建一个进程内核对象。进程内核对象可以看作是操作系统用来管理进程的小的数据结构，它是在内核堆区分配的一个结构体，是系统用来存放关于进程统计信息的地方。进程内核对象维护了一个句柄表的结构，当进程被初始化之后，其句柄表是空的。当进程内的一个线程通过指定的函数创建了一个内核对象时，内核会为对象分配一块内存区域并初始化这块区域，然后内核会在进程的句柄表中查找一个空的入口，找到之后会初始化句柄表的以索引定位的区域。初始化的主要过程就是填充句柄表的一个单元，包括指定内核对象地址，指定访问码，指定标记等。

（2）进程内核对象创建后，它的引用计数被置为1。然后系统为刚刚创建的进程分配的进程虚拟地址空间。要注意了，之所以称为虚拟地址空间，就是因为这块地址空间并不在内存之中，它只是在硬盘上划分的被称为“页”的文件。每个进程都有自己的虚拟地址空间，在进程初始化的时候，其所有的程序和数据会被加载到这个地址空间中。等到真正运行的时候，系统为每个进程配置的页表会把虚拟地址映射为真正的物理地址（这个过程，我会在后面的博客中详细介绍如何映射）。

 

（3）初始化虚拟地址空间。进程地址空间创建后，Windows的装载器（loader，也称为PE装载器）开始工作，Loader会读取EXE文件的信息（PE文件）。此时 loader 会检查PE文件的有效性，如果PE文件有错误，进程也就无法启动了。如果PE文件没有错误，装载器就把PE文件的内容（二进制代码）映射到进程的地址空间中，然后读取 PE文件的导入地址表（Import Table），这里存放有exe文件需要导入的模块文件（DLL），系统会一一加载这些DLL到进程的地址空间中，具体做法是调用 LoadLibrary 函数加载程序代码到某个地址，然后系统会映射这些代码到进程的地址空间中，要知道DLL只需加载一次就可映射到所有进程的地址空间（映射过程我会在后面详细阐述）中，并为每个DLL维护一个引用计数，当引用计数为 0 时，DLL就从内存中卸载，释放占用的内存。DLL里面可能又引用了其它的DLL，因此加载DLL时是递归形式的，直到加载完Import Table 里描述的所有DLL模块，此时进程初始化部分完成。

（4）创建进程的主线程。当进程的初始化完成后，开始创建进程的主线程，一个进程至少要有一个主线程才能运行，可以说进程只是充当一个容器的作用，而线程才是执行代码的载体。线程是用 CreateThread 这个函数创建的。创建线程时，也和进程相似，系统会创建线程内核对象，初始化线程堆栈。线程堆栈有两个，一个是核心堆栈，由核心态维护；另一个是用户堆栈，运行在用户态下。同样的，线程的引用计数也置为1。

（5）C/C++运行期库初始化。当进程的主线程初始化完成后，并且线程得到了CPU时间片，CPU把CS:IP指向程序入口（OEP），这个地址相当重要，因为这是程序运行时第一条指令所在的地址（我们可以使用一些PE辅助工具来查看PE文件的地址信息，注意真实地址==偏移地址 + 基址）。其实，CS:IP指向的地址处是一条JMP指令，它跳转到程序真正的入口函数，入口函数有以下4种形式：

···

mainCRTStartup  (用于 ANSI 版本的控制台应用程序 )

wmainCRTStartup ( 用于 Unicode 版本的控制台应用程序 )

WinMainCRTStartup ( 用于 ANSI 版本的窗口应用程序 )

wWinMainCRTStartup ( 用于 Unicode 版本的窗口应用程序)

···

下面再看看入口函数的源码：

···

int XXXCRTStartup(void)                   //XXX表示不同Windows版本

{   __security_init_cookie();       // 完成安全方面的初始化

    return__tmainCRTStartup();

}

···

在__tmainCRTStartup中首先调用了GetStartupInfoW函数取得父进程创建本进程时的启动信息， 然后又是一系列的初始化，其中包括C++构造函数的调用，还有静态变量，全局变量的初始化，这些操作是在_initterm这个函数中完成的。接着，我们的 (w)WinMain / (w)main 函数会被调用，到这时，用户程序代码才开始被执行。