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第8章 I/O系统 1

8.1 I/O系统组件 1

I/O管理器 3

典型的I/O处理过程 4

8.2设备驱动程序 5

设备驱动程序的类型 5

WDM驱动程序 6

分层的驱动程序 7

实验：查看已加载的驱动程序列表 9

驱动程序的结构 11

驱动程序对象和设备对象 13

实验：看一看设备对象 15

实验：显示驱动程序和设备对象 17

打开设备 18

实验：查看设备句柄 21

实验：查看Windows设备名称之间的映射 23

8.3 I/O处理 24

I/O类型 24

同步I/O和异步I/O 24

快速I/O 25

实验：查看一个驱动程序登记的快速I/O例程 25

映射文件I/O和文件缓存 26

分散/聚集I/O 27

I/O请求包 27

IRP栈单元 28

实验：查看驱动程序的分发例程 29

实验：查看一个线程的未完成IRP 29

IRP缓冲区管理 30

针对单层驱动程序的I/O请求 32

为一个中断提供服务 33

完成一个I/O请求 34

同步 36

针对分层的驱动程序的I/O请求 38

实验：查看一个设备栈 39

实验：查看IRP 40

线程无关I/O 45

I/O取消 45

用户发起的I/O取消 46

线程终止时的I/O取消 47

实验：调试一个无法被杀死的进程 48

I/O完成端口 49

IoCompletion对象 50

使用完成端口 50

I/O完成端口操作 52

I/O优先级支持 54

I/O优先级 54

优先化策略 55

I/O优先级反转的避免（I/O优先级继承） 57

I/O优先级提升和撞升 57

实验：“非常低”和“正常”I/O吞吐量的对比 58

实验：I/O优先级提升/撞升的性能分析 59

带宽预留（计划的文件I/O） 60

容器通知 60

驱动程序检验器（Driver Verifier） 61

8.4内核模式驱动程序框架（KMDF） 63

KMDF驱动程序的结构和操作 64

实验：显示KMDF驱动程序 65

KMDF数据模型 66

KMDF的I/O模型 69

8.5用户模式驱动程序框架（UMDF） 72

8.6即插即用（PnP）管理器 76

即插即用支持的级别 77

驱动程序对于即插即用的支持 77

驱动程序加载、初始化和安装 79

Start值 80

设备列举 81

实验：将设备树转储出来 84

设备栈 85

设备栈的驱动程序加载 86

实验：在设备管理器中查看详细的devnode信息 88

驱动程序安装 90

实验：检查一个驱动程序的INF文件 92

实验：查看目录（catalog）文件 93

8.7电源管理器 94

电源管理器的操作 96

驱动程序的电源操作 97

实验：查看一个驱动程序的电源映射关系 97

实验：查看系统的电源能力和策略 98

驱动程序和应用程序对于设备电源的控制 100

电源可用性请求 100

实验：在调试器中查看一个电源可用性请求 101

实验：利用Powercfg查看电源可用性请求 103

处理器电源管理（PPM） 103

核心停运的策略 104

利用率函数 105

实验：查看利用率和频率的信息 106

实验：查看利用率和频率的历史 107

算法覆盖 108

增加/减少动作 108

各种阈值和策略的设置 109

实验：查看当前的核心停运策略 111

“性能检查”算法 112

实验：查看当前的PPM检查信息 116

8.8本章总结 118

第9章 存储管理 119

9.1有关存储的术语 119

9.2磁盘设备 120

旋转磁盘 120

磁盘的扇区格式 120

固态硬盘 122

NAND型闪存 122

文件的删除和irim命令 124

9.3磁盘驱动程序 125

Winload 125

磁盘类、端口和小端口驱动程序 126

iSCSI驱动程序 127

多路径I/O（MPIO）驱动程序 128

实验：观察物理磁盘I/O 130

磁盘设备对象 130

分区管理器 131

9.4卷的管理 132

基本磁盘 133

MBR风格的分区 133

GPT（GUID分区表）分区方案 133

基本磁盘卷管理器 134

动态磁盘 135

LDM数据库 135

实验：使用LDMDump来查看LDM数据库 137

LDM和GPT或MBR风格的分区方案 139

动态磁盘的卷管理器 140

多分区卷的管理 140

跨距卷 141

条带卷 142

实验：观察镜像卷的I/O操作 143

RAID-5卷 145

卷名字空间 145

挂载管理器 146

挂载点 147

卷的挂载 148

实验：查看VPB 149

卷的I/O操作 152

虚拟磁盘服务 153

9.5虚拟硬盘（VHD文件）支持 155

附载VHD的操作 156

嵌套的文件系统 156

9.6 BitLocker驱动器加密 157

加密密钥 159

可信平台模块（TPM） 161

BitLocker引导过程 163

BitLocker密钥的恢复 165

全卷加密驱动程序 166

BitLocker的管理 167

BitLocker To Go 168

9.7卷影像（shadow）拷贝服务 170

影像拷贝 170

“克隆”影像拷贝 170

“写时复制”影像拷贝 170

VSS的架构 170

VSS的操作 171

影像拷贝提供者 172

实验：查看Microsoft影像拷贝提供者的过滤型设备对象 173

Windows中的用途 174

备份 174

实验：查看影像卷的设备对象 174

“之前的版本”和系统还原 175

实验：导航到“之前的版本” 176

实验：映射卷影像设备对象 177

9.8本章总结 178

第10章 内存管理 179

10.1内存管理器简介 179

内存管理器组件 180

内部同步 181

检查内存的使用情况 182

实验：查看系统内存信息 182

10.2内存管理器提供的服务 184

大页面和小页面 185

保留页面和提交页面 187

实验：保留的页面对比提交的页面 188

提交限额 190

锁住内存 190

分配粒度 191

共享内存和映射文件 192

实验：查看内存映射文件 193

保护内存 194

“不可执行”页面保护 196

实验：查看进程上的DEP保护 199

软件的数据执行保护 200

写时复制 201

地址窗口扩展 203

10.3内核模式堆（系统内存池） 204

内存池的大小 205

实验：确定最大的池大小值 206

监视内存池的使用 208

实验：诊断内存池泄漏 210

快查表（Look-Aside List） 211

实验：查看系统的快查表 212

10.4堆管理器 212

堆的类型 213

堆管理器结构 214

堆同步 215

低碎片堆 215

堆的安全特性 216

堆的调试特性 217

pageheap 218

容错堆 218

10.5虚拟地址空间的布局结构 219

x86地址空间的布局结构 221

实验：检查一个应用程序能否感知大地址空间 222

x86系统地址空间的布局结构 223

x86会话空间 224

实验：查看会话 224

实验：查看会话空间的使用情况 225

系统页表项（PTE，Page Table Entry） 226

实验：查看会话空间的使用情况 226

64位地址空间布局结构 227

x64虚拟寻址的限制 230

Windows x64的16TB限制 231

动态的系统虚拟地址空间管理 233

实验：查询系统虚拟地址的用量 234

实验：设置系统虚拟地址的限制值 235

系统的虚拟地址空间配额 236

用户地址空间的布局结构 237

实验：对用户虚拟地址空间进行分析 238

映像随机化 239

栈的随机化 240

堆的随机化 240

内核地址空间中的ASLR 240

对安全性缓和措施的控制 240

实验：查看进程上的ASLR保护 241

10.6地址转译 241

x86虚拟地址转译 242

页目录 245

实验：检查页目录和PDE 245

页表和页表项 246

页表项中硬件和软件的“写”位 247

页面内的字节 248

地址转译快查缓冲区 248

物理地址扩展（PAE） 249

实验：转译地址 251

x64虚拟地址转译 253

IA64虚拟地址转译 254

10.7页面错误处理 255

无效PTE 256

原型PTE 258

页面换入I/O 259

冲突的页面错误 260

聚簇的页面错误 260

页面文件 261

实验：查看系统页面文件 262

提交用量和系统提交限额 263

提交用量和页面文件的大小 266

实验：利用任务管理器来查看页面文件使用量 266

10.8栈 268

用户栈 268

实验：创建最大数量的线程 268

内核栈 269

实验：观察内核栈的使用量 269

DPC栈 270

10.9虚拟地址描述符 270

进程的VAD 271

实验：查看虚拟地址描述符 272

旋转VAD 272

10.10 NUMA 273

10.11内存区对象 274

实验：查看内存区对象 275

实验：查看控制区域 277

10.12驱动程序检验器 280

10.13页面帧编号数据库 284

实验：查看PFN数据库 287

页面列表的动态变化 288

实验：空闲列表和零页面列表 289

实验：已修改列表和备用列表 291

页面优先级 296

实验：观察区分优先级的备用列表 298

已修改页面写出器 299

PFN数据结构 301

实验：查看PFN项 304

10.14物理内存的限制 305

Windows客户版本的限制 306

32位客户的有效内存限制 307

10.15 工作集 309

按需换页 309

逻辑预取器 310

实验：窥探预取文件内部 312

实验：观察预取文件的读和写 312

放置策略 313

工作集管理 314

实验：查看进程工作集大小 316

实验：工作集与虚拟大小 316

实验：在调试器中查看工作集列表 317

平衡集管理器和交换器 318

系统工作集 319

内存通知事件 320

实验：查看内存资源通知事件 321

10.16主动式内存管理（Superfetch） 322

各个组件 322

跟踪过程和日志记录 324

场景 325

页面优先级和重平衡 326

鲁棒性能 328

RAM优化软件 329

ReadyBoost 330

ReadyDrive 331

统一缓存 332

进程反射 334

实验：利用Preflect来观察进程反射的行为 336

10.17本章总结 337

第11章 缓存管理器 338

11.1缓存管理器的关键特性 338

单个中心化的系统缓存 339

内存管理器 339

缓存一致性 339

虚拟块缓存 341

流式缓存机制 341

对可恢复文件系统的支持 341

11.2缓存的虚拟内存管理 342

11.3缓存的大小 344

缓存的虚拟大小 344

缓存的工作集大小 344

实验：查看系统缓存的工作集 345

缓存的物理大小 345

11.4缓存的数据结构 347

系统范围的缓存数据结构 347

实验：查看系统缓存的工作集 349

针对每个文件的缓存数据结构 350

实验：查看共享的和私有的缓存表 353

11.5文件系统接口 355

从缓存中来回拷贝数据 356

通过映射和锁定接口进行缓存 356

通过直接内存访问接口进行缓存 357

11.6快速I/O 357

11.7预读（Read Ahead）和滞后写（Write Behind） 359

智能预读 359

回写缓存（Write-Back Caching）和延迟写（Lazy Writing） 361

实验：观察缓存管理器的活动情况 362

禁止一个文件的延迟写出行为 367

强迫缓存被直写（write-through）到磁盘上 367

刷新映射文件 367

实验：观察缓存的刷新 368

写节流（Write Throttling） 369

实验：查看写节流参数 370

系统线程 370

11.8本章总结 371

第12章 文件系统 372

12.1 Windows文件系统格式 373

CDFS 373

UDF 374

FAT12、FAT16和FAT32 374

exFAT 377

NTFS 377

12.2文件系统驱动程序总体结构 378

本地FSD 379

远程FSD 380

锁定 381

实验：查看已注册文件系统的列表 383

文件系统操作 387

显式文件I/O 388

内存管理器的修改页面写出器和映射页面写出器 392

缓存管理器的延迟写出器（Lazy Writer） 392

缓存管理器的预读线程 392

内存管理器的页面错误处理器 393

文件系统过滤型驱动程序 393

进程监视器 393

实验：查看进程监视器的过滤型驱动程序 394

12.3诊断文件系统的问题 395

进程监视器的基本和高级模式 395

实验：在一个空闲系统上查看文件系统的活动 395

进程监视器诊断技巧 396

12.4公用日志文件系统 397

列集操作 397

日志的类型 398

日志的布局结构 400

日志序列号 401

日志块 401

所有者页面 402

虚拟LSN到物理LSN的转译 403

管理策略 404

12.5 NTFS设计目标和特性 404

高端（High-End）文件系统的需求 404

可恢复性 405

安全性 405

数据冗余和容错能力 405

NTFS的高级特性 406

多数据流 406

实验：查看数据流 408

基于Unicode的名称 408

通用的索引设施 409

动态的坏簇重新映射 409

硬链接（link）和交接（junction） 409

实验：创建一个硬链接 410

符号（软）链接和交接（junction） 410

实验：创建一个符号链接 412

压缩文件和稀疏文件 412

变化日志 413

针对每个用户的卷配额 413

链接跟踪 414

加密 415

POSIX支持 416

碎片整理 416

动态分区 417

12.6 NTFS文件系统驱动程序 419

12.7 NTFS在磁盘上的结构 421

卷（volume） 421

簇（cluster） 422

主文件表（MFT） 423

实验：查看NTFS信息 425

文件记录号 426

文件记录 426

文件名 429

隧道传输 431

驻留的和非驻留的属性 432

数据压缩和稀疏文件 435

压缩稀疏数据 435

压缩非稀疏数据 437

稀疏文件 439

变化日志文件 439

实验：读取变化日志 441

索引 442

对象ID 444

配额跟踪 444

统一的安全性 445

重解析点 447

事务支持 447

隔离性 448

实验：理解和管理事务 449

事务型API 450

资源管理器 451

实验：查询资源管理器的信息 452

磁盘上的实现 453

日志的实现 454

恢复的实现 455

12.8 NTFS的恢复支持 455

设计 456

元数据日志记录 457

日志文件服务（LFS） 457

日志记录类型 459

恢复 461

分析扫描（Analysis Pass） 462

重做扫描（Redo Pass） 463

撤销扫描（Undo Pass） 463

NTFS的坏簇恢复 465

自我修复 468

12.9加密文件系统（EFS）安全性 469

第一次加密一个文件 472

加密文件数据 473

解密过程 474

加密文件的备份 474

实验：查看EFS信息 475

加密文件的复制 475

12.10本章总结 476

第13章 启动和停机 477

13.1引导过程 477

BIOS引导准备 477

BIOS引导扇区和Bootmgr 481

UEFI引导过程 495

从iSCSI引导 496

初始化内核和执行体子系统 497

实验：加载器参数块 497

Smss、Csrss和Wininit 504

未完成的文件重命名操作 507

ReadyBoot 509

自动启动的映像文件 510

实验：Autoruns 511

13.2引导和启动问题的故障检查 511

最后已知的好配置 512

安全模式 512

安全模式下的驱动程序加载 513

能感知安全模式的用户程序 514

安全模式下的引导日志 515

Windows恢复环境（WinRE） 516

引导状态文件 519

解决常见的引导问题 520

MBR损坏 520

引导扇区损坏 520

BCD的错误配置 520

系统文件损坏 521

Windows资源保护 522

System储巢损坏 523

启动屏幕之后的崩溃或者挂起 523

13.3停机 525

实验：验证HungAppTimeout值 526

13.4本章总结 528

第14章 崩溃转储分析 529

14.1 Windows为什么会崩溃 529

14.2蓝屏 530

Windows崩溃的原因 531

14.3诊断崩溃问题 533

14.4崩溃转储文件 535

实验：查看转储文件的信息 539

崩溃转储的生成 540

14.5 Windows错误报告 542

14.6在线崩溃分析 543

14.7基本的崩溃转储分析 545

Notmyfault 545

基本的崩溃转储分析 546

详细的分析 547

14.8使用崩溃诊断工具 549

缓冲区溢出、内存破坏和特殊内存池 550

实验：通过驱动程序检验器启用特殊内存池 552

代码改写和系统代码写保护 553

14.9高级的崩溃转储分析 554

栈破坏 555

挂起的或无响应的系统 557

实验：利用LiveKd来生成Hyper-V客户的转储 559

当没有崩溃转储时 561

实验：附载一个内核调试器 562

14.10对常见停止代码的分析 564

0xD1-DRIVER_IRQL_NOT_LESS_OR_EQUAL 564

0x8E-KERNEL_MODE_EXCEPTION_NOT_HANDLED 566

0x7F-UNEXPECTED_KERNEL_MODE_TRAP 567

0xC5-DRIVER_CORRUPTED_EXPOOL 569

硬件故障 571

实验：蓝屏屏幕保护程序 572

14.11本章小结 572

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