概述
本系列文章，将从系统层角度，通过对MS.Net CLR架构对PE映像结构的扩展的分析，
解析MS.Net CLR架构的底层部分运行机制，帮助读者从更深层次理解CLR中某些重要概念
本文读者应具备基本的Win32编程经验，了解.Net中常见概念意义，并对Win32之PE映像
结构有一定了解，具体结构请参看Matt Pietrek于1994.3发表在MSJ的经典文章
《Peering Inside the PE: A Tour of the Win32 Portable Executable
File Format》，与之重复的部分我一概跳过。
本系列文章，将分为几个大部分，首先是最重要的MetaData，其次是IL代码结构，
然后……我还没想好，呵呵。此外会根据需要穿插一下CLR核心概念、思想、技术的介绍。
至于CLR几个核心部件之间的关系与交互等问题，我热切期待TBSoft的大作，
我这里就不去抢他的话题了，呵呵。
前言
对一个优秀Win32程序员来说，对PE结构的了解是对Win32架构了解的必经之路，
而从Chicago（Win95的开发代号，Win95正式发布以前的文档对Win95的称呼）以来，
PE结构就相对稳定，直到MS.Net的出现，才发生了一些不大不小的变化。
之所以说是不大不小，是因为CLR基本上没有对PE结构进行改变，只是利用现有PE
结构的优良可扩展性，将其所需的信息扩展到PE映像中。具体一点说，就是利用了PE结构
中的IMAGE_OPTIONAL_HEADER.DataDirectory[IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_COM_DESCRIPTOR]
来保存服务于CLR的IMAGE_COR20_HEADER结构。此外的PE结构一律不变。
IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_COM_DESCRIPTOR此节，原本是设计用于COM，但不知为何
一直没有被使用，现在用于保存.Net信息的最高级信息结构。
我们的分析也将集中在此结构以及相关信息的分析上。
IMAGE_COR20_HEADER结构的定义，可以在FrameworkSDK\include\CorHdr.h
文件中找到，如下：
// CLR 2.0 header structure.
typedef struct IMAGE_COR20_HEADER
{
// Header versioning
ULONG cb;
USHORT MajorRuntimeVersion;
USHORT MinorRuntimeVersion;
// Symbol table and startup information
IMAGE_DATA_DIRECTORY MetaData;
ULONG Flags;
ULONG EntryPointToken;
// Binding information
IMAGE_DATA_DIRECTORY Resources;
IMAGE_DATA_DIRECTORY StrongNameSignature;
// Regular fixup and binding information
IMAGE_DATA_DIRECTORY CodeManagerTable;
IMAGE_DATA_DIRECTORY VTableFixups;
IMAGE_DATA_DIRECTORY ExportAddressTableJumps;
// Precompiled image info (internal use only - set to zero)
IMAGE_DATA_DIRECTORY ManagedNativeHeader;
} IMAGE_COR20_HEADER;
而详细的说明，则可以在FrameworkSDK\Tool Developers Guide\docs
目录中找到。因为要将CLR变为标准，MS这次一反常态，公开大量有价值的文档，
避免我等浪费时间去逆向过程，呵呵
此结构虽然字段较多，但实际上其核心在于MetaData，其他信息都是围绕着
MetaData服务。之间的关系，等会再慢慢道来。
cb是结构大小，MajorRuntimeVersion.MinorRuntimeVersion是版本号
指执行此程序所需的最低CLR版本号，目前一般设置为1.1。而现在发布的.Net
Framework的CLR版本一般为2.0。
Flags是Runtime Image描述标志，描述此映像的执行属性。如设置位
COMIMAGE_FLAGS_32BITREQUIRED=0x02，则此映像只能在32位系统上执行
对以后的64位CLR无效（MS.Net很大的一个功能就是为以后平滑过渡到64位
平台做准备，想想以前16位平台到32位平台过渡时的混乱，以及现在比以前翻了
n倍的代码量就恐怖，MS真是未雨绸缪啊，呵呵）。如果设置
COMIMAGE_FLAGS_STRONGNAMESIGNED=0x04，则此映像有strong name
signature（这个东东不知道怎么翻译好）。这个strong name signature
在CLR架构里起到了非常重要的作用。为什么这么说呢？因为这个strong name
signature起到Assembly的身份证的作用，它关系到CLR中一大堆概念的实现，
以后我会专门用一章篇幅来介绍他，这里暂且放下。
EntryPointToken则是指向IL程序的入口，类似于以前的
IMAGE_OPTIONAL_HEADER.AddressOfEntryPoint的作用，只是以前的
AddressOfEntryPoint是一个RVA直接指向程序入口代码所在地址，
（不要告诉我你不知道RVA是什么啊，呵呵，赶快去看Peering Inside the PE）
而现在EntryPointToken指向一个Token。注意，是Token，因为IL代码是
JIT编译的，存在于映像中的都是IL形式的P-code(pseudo code)，在需要时
才由CLR动态读取，在内存中编译展开为本机代码(Native Code)，进而执行。
因此这里的程序入口执行的只是一个MethodDef或File表的入口，一个Token而已。
这里的MethodDef是一个MetaData表，每行定义一个方法；而File表则是
每行有一个File定义的表，每行包含一个外部文件的信息。也就是说，在执行程序时
可以直接编译执行此映像中的一个方法的IL代码，也可能是重定向到另一个文件，
这就是Assembly作为一个逻辑代码单元，与传统DLL之类相比一个很大的不同。
Assembly的概念也非常重要，我不想这里一下说完，以后专门拿一章出来讲好了。
剩下几个字段都是IMAGE_DATA_DIRECTORY类型，这个类型是一个数据块
定义结构，在Winnt.h中有定义
typedef struct _IMAGE_DATA_DIRECTORY {
DWORD VirtualAddress;
DWORD Size;
} IMAGE_DATA_DIRECTORY, *PIMAGE_DATA_DIRECTORY;
呵呵，知道RVA的意思了吧 RVA = Relative Virtual Address
Resources定义CLI资源；StrongNameSignature定义刚刚提到的
strong name signature；此外CodeManagerTable，
ExportAddressTableJumps，MangedNativeHeader都没用到。
VTableFixups暂且略过，以后用上时再详细解释。
这样一来，就剩下一个MetaData字段没有介绍了，不过这个重中之重的东东，
这次只言片语是无法介绍了，因为下面会有专门的一整篇——MetaData篇，
用n章的篇幅来详细剖析，呵呵
btw:因为自己以前不是搞Win32底层开发的，实在不知这种文章怎么写，
希望读者多多提意见，有没有解释清楚或者错误的地方尽管提出来。
分析.Net的CLR PE映像其实并不是什么困难的事情，有现成的
代码(mono)现成的文档(Tool Developers Guide)可以看，
只是代码比较难看（不习惯unix代码风格），文档比较长
（一共20几M,poor）而已。我是实在耐不住好奇心才动手分析的，
希望能够把自己分析的一些收获和体会写出来，节省其他朋友的时间。
希望能够有充足的时间、精力和耐心完成这个系列文章……
Metadata 篇
第一章 Metadata 概述
1.1 什么是 Metadata
Metadata翻译成中文是“元数据”，可以理解为Type of Type，
说白了就是描述类型的类型数据。从最初级的语言层面支持的RTTI
（“近代”的编程语言基本上都提供了足够的支持，如C++,Delphi等，
部分较“落伍”的语言也通过不同形式如扩展库提供了模拟支持，
“现代”的编程语言则提供了强力的支持，如Java和C#<本质是CLR>)，
到后来二进制级的COM的IDL和类型库（类型库是IDL编译后的二进制形式），
到现在的Metadata，其实是遵循着相同的设计思路。只是出于不同的需求
设计、实现，有这各自的优点缺点罢了。但随着语言的发展，更多的需求集中在
灵活性方面，因而语言发展的趋势是元数据的使用越来越多、支持越来越强。
举个最简单的例子，在IDE中，动态显示当前对象的方法、属性名列表的功能
(MS叫IntelliSense，Borland叫CodeInsight)，就得宜于类型信息
以前在VC里实现，比较麻烦，得生成专门的符号库；在VB里强一点，可以通过
COM的IDispatch,ITypeInfo,ITypeLib等接口动态获取，但编程麻烦要死；
到CLR，库一级直接提供支持，可以通过System.Reflection完全控制
甚至比COM类型库更高一级地支持动态创建。
对用户来说，可以完全了解当前程序接口，有哪些Module,哪些Class,
哪些Method等等，这给开发者提供了巨大的创造空间。如DUnit(DotNet下
的XUnit单元测试平台)就大量使用Reflection机制，我们等会谈使用时再说。
1.2 Metadata在CLR中的作用
对于CLR架构来说，Metadata可以算是核心操作对象，几乎绝大多数功能
都需要参考其数据。从静态的IL代码构成（二进制编码中直接使用Metadata里的Token）
到动态JIT编译器（使用Metadata定位IL代码及其关系）；从简单的代码载入执行
（Class Loader通过Metadata定位代码入口、编译执行）到复杂的不同语言互操作
（如VB.Net继承C#的类，实际上是直接继承CLR中Metadata中的类）；等等……
几乎所有地方都能看到Metadata的身影。
因为本文的主要目的是介绍底层结构，这里就不再罗嗦Metadata的好处了，
反正以后文章中大家会次次看到他，各种优点自己慢慢体会吧 :)
1.3 如何访问和使用 Metadata
做了一通广告，大家一定很关心如何使用Metadata，听我慢慢道来
在CLR里使用Metadata，可以在三个层面进行操作。
最简单的方法是直接通过类库提供的System.Reflection命名空间中的
若干类进行访问，例如
using System.Reflection;
using System;
public class Simple
{
public static void Main ()
{
Module mod = Assembly.GetExecutingAssembly().GetModules () [0];
Console.WriteLine ("Module Name is " + mod.Name);
Console.WriteLine ("Module FullyQualifiedName is " +
mod.FullyQualifiedName);
Console.WriteLine ("Module ScopeName is " + mod.ScopeName);
}
}
这种访问方式使用起来最简单，功能也足够强大，能够完成我们绝大多数的需要，
特别是在System.Reflection.Emit命名空间中，更提供了动态生成、修改的支持
功能强大得我都想不出能有什么改进了 :) （写.Net病毒就靠他了，hoho）
不过这种方式必须有CLR环境的支持，受到库功能的限制（后面我们会看到很多
在Reflection一级里不提供的信息:），因此MS为工具软件开发商提供了另一套
较底层的开发库，Metadata Unmanaged API。这套库通过一系列COM接口，
提供了直接访问Metadata的强大支持，System.Reflection应该就是使用它实现的。
有兴趣的朋友可以参看FrameworkSDK\Tool Developers Guide\docs
目录下的Metadata Unmanaged API.doc文档，里面有详细的说明。
如同其名字所示，它必须用Unmanaged代码来使用，如传统的VC,Delphi等。
可以说99％的工作，都可以通过上面两套库来完成，不过总有些象我这样的人，
喜欢对技术追根究底，想把隐藏在美好面纱下的底层架构纠出来暴露一把，呵呵
因此有了第三个层面，二进制层面的逆向工程分析。
好在MS为了让其CLI(CLR的子集)标准化，公开了大量文档，总算没要我用上
SoftIce之类的牛刀，Partition II Metadata.doc文档中对Metadata的
二进制格式实现给出了比较详尽的说明，加上GNOME的mono项目已经做了很多工作
因而对Metadata的二进制层面分析不是那么困难。
接下去的文章中，我会逐渐将Metadata在PE中的组织结构逐渐剥离开来，
让大家能够了解这个神秘的CLR核心到底是什么，里面隐藏了些什么，我们能够通过
他做什么，为什么要这样设计，等等……
1.4 Metadata在PE中的组织结构
说了一通废话后，回到正体上来，谈谈Metadata在PE中的组织结构。
注意：这一章里面我只把Metadata结构的大概情况介绍一下，下一章会专门
针对二进制模式分析进行详细讲解。如果你只想了解底层结构，可以跳过
下一章。以后的文章也会遵循这种方式组织，讲一些结构、原理，跟着讲
一些实际数据分析方法。
上次我们提到CLR的头信息里面专门有一个字段指向Metadata数据块，
实际上这个数据块只是Metadata的一个头结构，保存有Metadata的信息，
而Metadata的实际数据，是通过若干不同的Heap或者说Stream保存的。
这里我统一使用Stream“流“作为他的名字，但很多文档中以Heap”堆“作为
其称呼，我们可以理解他是一个二进制流，其中数据以堆的结构进行组织。
Metadata里最常见的有五种流，#String, #Blob, #Guid,
#US(User String)和#~流("#"是流名字的前缀)
String流就是一个字符串堆，Metadata内部用到的所有字符串如类或方法
的名字等等都以UTF8编码保存在此堆内。而用户的字符串如字符串常量，
则以Unicode编码保存在US(User String)堆内。值得注意的是，
US流和String流在二进制结构组织上不同，我们后面将分析时会详细提及。
Guid流是保存程序中使用到的Guid的数组，如Assembly中Module的MVID。
Blob流是一个通用存储空间，除了Guid和字符串以外基本上所有
乱七八糟的东西都放在里面，呵呵，如PublicKey，常量的值等等。
最重要的是#~流，这是Metadata实际信息存放的地方。#~流结构上以
若干张表(Table)的形式组织，每张表存储某一方面的Metadata信息，
如MethodDef表存储所有方法的信息。每张表又由若干的行(Row)组成
每行有n个列(Column)，每列代表一种信息，如MethodDef表中每一行
都有一个方法的RVA,类型标志,名字,Signature等等信息。在其中通过
各种索引来相互关联，整个组织结构和关系数据库很相似。
比较特殊的是，这里所有的表通过一个64bit的有效位图来表示其存在与否
每种类型的表有一个编号，如MethodDef表的编号是6，则第(1<<(6-1))位置1
因而每个表的每一行，可以使用一个唯一的Token表示。此Token是一个32bit
无符号整型数，最高一个字节表示表的编号，低三个字节表示表中的索引号。
如0x06000003表示0x06表（MethodDef）中第3行（如MyApp::Add）
这个Token概念在CLR中频繁使用，如IL代码调用函数、使用变量都是使用Token。
与之类似的还有Coded Index，下次讲二进制实现时再说。
