C＃ 读写文件从用户态切到内核态，到底是个什么流程？

一：背景

1. 一个很好奇的问题

我们在学习 C# 的过程中，总会听到一个词叫做 内核态 ，比如说用 C# 读写文件，会涉及到代码从 用户态 到 内核态 的切换，用 HttpClient 获取远端的数据，也会涉及到 用户态 到 内核态 的切换，那到底这是个什么样的交互流程？毕竟我们的程序是无法操控 内核态 ，今天我们就一起探索下。

二：探究两态的交互流程

1. 两个态的交界在哪里

我们知道人间和地府的交界处在 鬼门关，同样的道理 用户态 和 内核态 的交界处在 ntdll.dll 层，画个图就像下面这样：

操作系统为了保护 内核态 的代码，在用户态直接用指针肯定是不行的，毕竟一个在 ring 3，一个在 ring 0，而且 cpu 还做了硬件保护兜底，那怎么进入呢？为了方便研究，先上一个小例子。

2. 一个简单的文件读取

我们使用 File.ReadAllLines() 实现文件读取，代码如下：

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 平台上，所有内核功能对外的入口就是 Win32 Api ，言外之意，这个文件读取也需要使用它，可以在 WinDbg 中使用 bp ntdll!NtReadFile 在 鬼门关 处进行拦截。

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，很顺利的拦截到了，接下来用 uf ntdll!NtReadFile 把这个方法体的汇编代码给显示出来。

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

从汇编代码看，逻辑非常简单，就是一个 if 判断，决定到底是走 syscall 还是  int 2Eh，很显然不管走哪条路都可以进入到 内核态，接下来逐一聊一下。

3. int 2Eh 入关走法

相信在调试界没有人不知道 int 是干嘛的，毕竟也看过无数次的 int 3，本质上来说，在内核层维护着一张 中断向量表,每一个数字都映射着一段函数代码，当你打开电脑电源而后被 windows 接管同样借助了 中断向量表 ，好了，接下来简单看看如何寻找 3 对应的函数代码。

windbg 中有一个 !idt 命令就是用来寻找数字对应的函数代码。

lkd> !idt 3

Dumping IDT: fffff804347e1000

03: fffff80438000f00 nt!KiBreakpointTrap

可以看到，它对应的内核层面的 nt!KiBreakpointTrap 函数，同样的道理我们看下 2E。

lkd> !idt 2E

Dumping IDT: fffff804347e1000

2e: fffff804380065c0 nt!KiSystemService

现在终于搞清楚了，进入内核态的第一个方法就是 KiSystemService，从名字看，它是一个类似的通用方法，接下来就是怎么进去到内核态相关的 读取文件 方法中呢？

要想找到这个答案，可以回头看下刚才的汇编代码 mov eax,6 ，这里的 6 就是内核态需要路由到的方法编号，哈哈，那它对应着哪一个方法呢？由于 windows 的闭源，我们无法知道，幸好在 github 上有人列了一个清单：https://j00ru.vexillium.org/syscalls/nt/64/  ，对应着我的机器上就是。

从图中可以看到其实就是  nt!NtReadFile ，到这里我想应该真相大白了，接下来我们聊下 syscall。

4. syscall 的走法

syscall 是 CPU 特别提供的一个功能，叫做 系统快速调用，言外之意，它借助了一组 MSR寄存器 帮助代码快速从 用户态 切到 内核态, 效率远比走 中断路由表 要快得多，这也就是为什么代码会有 if 判断，其实就是判断 cpu 是否支持这个功能。

刚才说到它借助了 MSR寄存器，其中一个寄存器 MSR_LSTAR 存放的是内核态入口函数地址，我们可以用 rdmsr c0000082 来看一下。

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]
...

从代码中可以看到，它进入的是 nt!KiSystemCall64 函数，然后再执行后续的 6 对应的 nt!NtReadFile 完成业务逻辑，最终也由 nt!KiSystemCall64 完成 内核态 到 用户态 的切换。

知道了这两种方式，接下来可以把图稍微修补一下，增加 syscall 和 int xxx 两种入关途径。

三：总结

通过汇编代码分析，我们终于知道了 用户态 到 内核态 的切换原理，原来有两种途径，一个是 int 2e，一个是 syscall ，加深了我们对 C# 读取文件 的更深层理解。