【Windows源码分析】（一）初始化内核与执行体子系统

作者: 北极星2003
时间: 2008-03-22,23:59
链接: http://bbs.pediy.com/showthread.php?t=61749

对于那么没有相关经验的朋友，在阅读本文时最好对照windows源码来看，否则光看着这么多数据结构就足以头大。对于这篇文章，严格来说，应该是属于学习笔记型，如有分析不当的地方，请各位多指教！
    本文的主要目标是根据windows源码分析内核与执行体初始化流程，过程中会涉及大量的内核数据结构与函数，文中并不会介绍每个结构的含义及作用。内核中有很多晦涩难懂且枯燥的代码，我在分析过程尽可能的去分析每一行代码，否则如果只分析思路而不注重细节那么就跟没分析一样。
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本文结构：
一、内核初始化
1.1  系统启动过程简介
1.2  内核初始化
二、源码分析
2.1 内核初始化KiInitializeKernel
2.2 初始化内核数据结构KiInitSystem
2.3 [phase0]Ntoskrnl初始化ExpInitializeExecutive
2.4 [phase0]初始化进程管理器PsInitPhase0
2.5 [phase1]Ntoskrnl初始化Phase1Initialiation

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一、内核初始化
1.1  系统启动过程简介
      对于系统启动过程，已经有太多的资料介绍过了。这里只是稍作温习，为介绍后续内容做准备。这部分的内容参考了http://www.yesky.com/317/1711317.shtml。
系统的启动过程一般分为5个步骤：
（1）预引导过程
  [1] 系统加点自检，同时完成硬件设备的枚举和配置。
  [2] BIOS确定引导设备位置，加载引导设备的MBR。
  [3] 在MBR中扫描分区表，定位活动分区，并加载活动分区上引导扇区到内存
  [4] 加载系统根目录的ntldr。
（2）引导过程
  [5] 初始化Ntldr，完成处理器模式切换和文件系统驱动的加载，如果使用SCSI设备，
Ntldr将Ntbootdd.sys加载到内存。
  [6] Ntldr读取系统根目录的boot.ini
，在屏幕显示系统启动菜单，等待用户选择所需要加载的操作系统。
  [7] Ntldr读取并运行程序Ntdetect.com，完成硬件的检测。
  [8] Ntldr根据用户的选择调用系统的硬件配置文件。
（3）内核加载，在[8]后清除屏幕，显示进度条。
  [9] 加载执行体ntoskrnl.exe
  [10] 加载Hal.dll
  [11] 加载%systemroot/System32/Config/System下的注册表项HKEY_LOCAL_MACHINE/
SYSTEM。
  [12] 选择加载控制集，初始化计算机。
  [13] 根据控制集加载低级硬件设备驱动程序。
（4）内核初始化，显示图形界面。
  [14] 内核会使用检测到的硬件数据，在注册表中创建HKEY_LOCAL_MACHINE/HARDWA项。
  [15] 其次的工作是内核通过复制HKEY_LOCAL_MACHINE/SYSTEM/Select子键Current
项引用的控制集创建Clone控制集。
  [16] 内核开始进一步加载和初始化设备驱动程序。
  [17] Session Manager（Smss.exe）按顺序启动Windows 2000
更高一层次的子系统和各项服务。
（5）系统登陆过程
  [18] 系统首先启动Winlogon.exe。
  [19] 启动Local Security Authority(Lsass.exe)
   [20] 屏幕显示出登陆对话框。
  [21] 系统执行Service Controller(Screg.exe)再次扫描注册表HKEY_LOCAL_MACHINE/
SYSTEM/CurrentControlSet/Control项并自动加载其中系统的或用户的服务。
  [22] 此时，用户已成功的登陆到了Windows 2000系统，系统随后把Clone控制集拷贝到
LastKnownGood控制集。

1.2  内核初始化
     本文所要介绍的重点是ntoskrnl的初始化流程。这个初始化过程大致分为两个阶段：phase0和phase1。对于具体所处的阶段是由一个全局变量InitializationPhase来标识，当InitializationPhase为0时表示处于phase0，当 InitializationPhase为1时表示处于phase1。
    Ntoskrnl在入口函数中调用KiSystemStartup，而KiSystemStartup又依次为每个CPU调用 HalInitializeProcessor和KiInitializeKernel。如果KiInitializeKernel运行在引导CPU上，则会调用KiInitSystem执行系统范围全局的内核初始化。然后KiInitializeKernel调用 ExpInitializeExecutive函数，负责实现phase0阶段的初始化工作。
    （注：引导CPU，即0号CPU，每个CPU都以整数标识，0号CPU是第一个被初始化的CPU。当初始化第1个CPU时需要进行额外的操作，因而称之为引导CPU）
    在phase0阶段的初始化过程中首先调用HalInitSystem初始化HAL，然后依次初始化内存管理器、对象管理器、安全引用监视器、进程管理器和即插即用管理器。其中在调用PsInitSystem执行进程管理器在phase0阶段初始化时，创建了一个新的系统线程即为 Phase1Initialization，用于执行phase1阶段的初始化。由于此时并不允许中断，Phase1Initialization线程并不立即执行。当完成phase0阶段初始化并返回到KiInitializeKernel时，设置IRQL到DISPATCH_LEVEL并使CPU调度 Phase1Initialization线程，从而进行phase1阶段的初始化。

关于内核初始化流程可以用下图表示，从上到下表示时间顺序：
名称: init.JPG
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文件大小: 30.6 KB

图示说明：
[1] 关于KiInitializeKernel的具体实现参见2.1小节。
[2] 关于KiInitSystem的具体实现参见2.2小节
[3] 关于phase0阶段ExpInitializeExecutive的具体实现参见2.3小节。
[4] 关于phase0阶段进程管理器初始化(PsInitSystem)的具体实现参见2.4小节。
[5] 关于Phase1Initialization线程实现phase1阶段初始化的具体过程参见2.5小节。

二、源码分析
2.1  内核初始化KiInitializeKernel
      这个函数在系统由bootstrapped启动后且系统未被初始化之前取得控制权。当新的处理器加入时，调用这个例程可以初始化处理器相关的数据结构。主要功能是:
(1)初始化内核数据结构
(2)初始化处理控制块(Processor Control Block)
(3)调用内核执行体初始化例程
(4)最后返回系统启动例程(KiSystemStartup)
      下面就是KiInitializeKernel的执行流程：

代码:

VOID KiInitializeKernel (
          IN PKPROCESS Process,
          IN PKTHREAD Thread,
          IN PVOID IdleStack,      // IDLE线程的内核堆栈基地址
          IN PKPRCB Prcb,      // 指向处理器控制块结构
          IN CCHAR Number,      // 指定当前正在初始化的处理器索引号
          PLOADER_PARAMETER_BLOCK LoaderBlock
          )
{
  
  
  // 初始化Prcb的部分成员
  // ……

  // 在系统初始化过程(KiSystemStartup)会枚举所有CPU，
  // 然后循环调用KiInitializeKernel依次初始化每个CPU
  // 在初始化号CPU时，会初始化一部分内核数据结构
  if (Number == 0) {
  
  

    // 初始化处理器相关的全局信息
    // 例如KeI386NpxPresent，KeI386CpuType，KeI386CpuStep，KeI386FxsrPresent等
    // ……

    // 初始化体系无关的内核数据结构
    KiInitSystem();

    // 初始化idle线程的进程对象
    KeInitializeProcess(Process,…… );
  } 
  else
  {
  
  
    // ……
  }

  // ……

  // 初始化线程对象
  KeInitializeThread(Thread, (PVOID)((ULONG)IdleStack),
    (PKSYSTEM_ROUTINE)NULL, (PKSTART_ROUTINE)NULL,
    (PVOID)NULL, (PCONTEXT)NULL, (PVOID)NULL, Process);

  // ……

  // 调用内核执行体的初始化例程
  try {
  
  
    ExpInitializeExecutive(Number, LoaderBlock);
  } except (EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER) {
  
  
    KeBugCheck (PHASE0_EXCEPTION);
  }

  // ……

  // 如果是启动CPU（0号），动态分配内核堆栈空间和K的IOPM存储区域
  if (Number == 0) {
  
  
    PVOID DpcStack = MmCreateKernelStack(FALSE);
    if (DpcStack == NULL) {
  
  
      KeBugCheckEx(NO_PAGES_AVAILABLE, 1, 0, 0, 0);
    }
    Prcb->DpcStack = DpcStack;

    // 分配K的IOPM存储区域，用于BiosCall交换
    Ki386IopmSaveArea = ExAllocatePoolWithTag(PagedPool,PAGE_SIZE * 2,'  eK');
    if (Ki386IopmSaveArea == NULL) {
  
  
      KeBugCheckEx(NO_PAGES_AVAILABLE, 2, PAGE_SIZE * 2, 0, 0);
    }
  }
  
    // 设置IRQL为DISPATCH_LEVEL级别，允许线程派发
    KeRaiseIrql(DISPATCH_LEVEL, &OldIrql);

    // 设置当前线程优先级为0，这样才能调度Phase1Initialization线程
    KeSetPriorityThread(Thread, (KPRIORITY)0);
 
    // 检测是否存在就绪线程，如果不存在则把当前CPU添加到KiIdleSummary
    KiAcquireQueuedSpinLock(KiQueuedSpinLockContext(LockQueueDispatcherLock));
    if (Prcb->NextThread == (PKTHREAD)NULL) {
  
  
        SetMember(Number, KiIdleSummary);
    }
    KiReleaseQueuedSpinLock(KiQueuedSpinLockContext(LockQueueDispatcherLock));

    // 提升IRQL到HIGH_LEVEL，屏蔽中断
KeRaiseIrql(HIGH_LEVEL, &OldIrql);

  return;
}

这里有3个关键处：
（1）当初始化0号CPU时调用KiInitSystem用于初始化内核数据结构。
（2）调用执行体初始化例程ExpInitializeExecutive。
（3）在调用ExpInitializeExecutive返回后，首先设置IRQL为DISPATCH_LEVEL
级别，允许线程派发，然后设置当前线程优先级为0，表明当前线程放弃下一个时间片，使得CPU可以执行Phase1Initialization线程，最后提升IRQL为HIGH_LEVEL，屏蔽系统中断，保证phase1阶段的初始化不可中断。

2.2 初始化内核数据结构KiInitSystem
KiInitSystem
初始化了一些比较重要也比较常见的内核数据结构，这些数据结构中大量地使用了
LIST_ENTRY结构。如下所示：

代码:

VOID KiInitSystem (VOID)
{
  
  
  ULONG Index;

  // 初始化调度队列链表头，每一个优先级都有一个独立的进程链表
  for (Index = 0; Index < MAXIMUM_PRIORITY; Index += 1) {
  
  
    InitializeListHead(&KiDispatcherReadyListHead[Index]);
  }

  // 初始化BugCheck回调函数链表，及其旋转锁
  InitializeListHead(&KeBugCheckCallbackListHead);
  KeInitializeSpinLock(&KeBugCheckCallbackLock);

  // 初始化定时器过期的DPC对象
  KeInitializeDpc(&KiTimerExpireDpc,
    (PKDEFERRED_ROUTINE)KiTimerExpiration, NIL);

  // 初始化profile链表，及其旋转锁
  KeInitializeSpinLock(&KiProfileLock);
  InitializeListHead(&KiProfileListHead);

  // 初始化当前活动的profile链表
  InitializeListHead(&KiProfileSourceListHead);

  // 初始化定时器链表
  for (Index = 0; Index < TIMER_TABLE_SIZE; Index += 1) {
  
  
    InitializeListHead(&KiTimerTableListHead[Index]);
  }

  // 初始化swap通知事件
  KeInitializeEvent(&KiSwapEvent,SynchronizationEvent,FALSE);

  InitializeListHead(&KiProcessInSwapListHead);
  InitializeListHead(&KiProcessOutSwapListHead);
  InitializeListHead(&KiStackInSwapListHead);
  InitializeListHead(&KiWaitInListHead);
  InitializeListHead(&KiWaitOutListHead);

  // 初始化SSDT
  KeServiceDescriptorTable[0].Base = &KiServiceTable[0];
  KeServiceDescriptorTable[0].Count = NULL;
  KeServiceDescriptorTable[0].Limit = KiServiceLimit;
#if defined(_IA64_)
  KeServiceDescriptorTable[0].TableBaseGpOffset =
    (LONG)(*(KiServiceTable-1) - (ULONG_PTR)KiServiceTable);
#endif
  KeServiceDescriptorTable[0].