58（80）---windows internals 6 mark david alex

最新推荐文章于 2014-12-07 17:50:16 发布

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本文深入探讨了Windows操作系统内核及执行体的关键组件和技术细节，包括缓存管理器、内存管理器、逻辑预取器、superfetch等如何提高系统性能，以及内核对象、处理器控制区域和控制块的作用。

缓存管理器(第二部分第11章介绍）增强文件io的性能。它可以将最近访问的磁盘数据存在内存中，这有助于加快读操作的速度；还可以推迟磁盘写入，有助于加快写操作的速度。这个机制依赖于内存管理器对内存映射文件的支持。

内存管理器（第二部分第十章介绍）实现虚拟内存，为每个进程提供一个虚拟地址空间，大小可能超过物理内存。内存管理器也对缓存管理器提供底层支持。

逻辑预取器和superfetch（第二部分第十章介绍）通过优化启动过程中的数据加载加速系统启动。

执行体包含四种类型的支持函数，以方便上述组件使用。大约三分之一在WDK中描述了。分类如下

对象管理器创建管理删除代表系统资源（如进程，线程和同步对象）的windows执行体对象和抽象数据类型。第三章会详细介绍。

高级LPC(Advanced LPC facility ALPC),在客户端和服务端传递消息。ALPC同时也作为RPC的本地传输层。RPC是客户端和服务端通信的工业标准。

公共运行库。如字符串处理数学运算数据类型转换安全结构处理

执行体支持例程系统内存分配互锁内存访问以及三种特殊类型的同步资源快速互斥体和压栈锁。

执行体也包含其他结构。本书后面会介绍。

内核调试器库。允许调试内核。windbg和kd都实现了KD协议，KD协议可以通过各种传输层传输(如USB IEEE1394）。

用户态调试框架，为用户态调试API发送事件，支持断点和单步跟踪，以及改变线程上下文。

内核事务管理器，为资源管理器提供通用的，两个阶段的提交机制，如事务化注册表（TxR) 和事务化NTFS(TxF).

Hyper-V库。作为Hyper-V栈的一部分，为虚拟机提供内核支持，为虚拟机下运行的部分代码提供优化。

错误数据管理器为非标准和非兼容性的硬件设备提供服务。

驱动程序验证器，为内核态驱动程序和代码提供校验。

windows事件跟踪，对用户态组件和内核态组件进行事件跟踪。

windows诊断结构，根据诊断场景智能跟踪系统活动。

windows硬件错误架构支持例程，提供通用框架来报告硬件错误。

文件系统运行时库，为文件系统驱动提供通用支持例程。

内核

内核包含Ntoskrnl.exe中一组函数，他们为执行体组件提供基础设施（线程调度，同步服务），和底层硬件架构相关的支持（中断，异常分发）。内核代码主要有C来编写，C语言不方便操作的地方（如特定的指令和寄存器），用汇编。

内核中的许多函数都在WDK中描述，以KE开头。

内核对象

内核提供底层的，定义良好的，可预测的操作系统原语和机制，以方便高层调用。内核通过实现系统机制并避免做决策来和执行体隔离。它把所有的决策留给了执行体，除了线程调度。

在内核之外，执行体用对象来代表线程和其他可共享资源。这些对象需要一些策略，如利用句柄来操作，利用安全检查来进行保护以及创建时推测资源限额。这个负担被内核排斥了。内核实现了一些简单的对象，称为内核对象，帮助内核控制关键处理，支持执行体对象创建。大多数执行体对象封装了一个或者多个内核对象，包括内核定义的属性。

有一组内核对象，称为控制对象，建立语义控制各种操作系统功能。包括APC，DPC，以及IO管理器使用的一部分对象，如中断对象。

另外一组内核对象，称为分发器对象，拥有同步能力，可以改变和影响线程调度。分发器对象包括内核线程，互斥体，时间，内核事件对，信号灯，时钟，可等待时钟。执行体使用内核函数来创建内核对象，构造更复杂的对象。第三章进一步介绍了对象，第五章介绍进程和线程。

内核处理器控制区域和控制块(Kernel Processor Control Region and Control BlockKPCR KPRCB）

内核使用一个称为处理器控制区域（processor control region KPCR）的数据结构来保存处理器相关的数据。KPCR包括基本信息如处理器中断分发表（IDT)任务状态段（TSS),全局描述符表（GDT）.还包含中断控制器状态，和其他模块共享，如（ACPI驱动程序和HAL）。为便于访问KPCR，在在32为系统上，寄存器fs中保存了一个指针，在x64系统上gs保存了一个指针，在IA64上，KPCR位于0xe0000000ffff0000.。

KPCR包含一个结构，称为内核处理器控制块kernel processor control block
(KPRCB).。和已经文档化的KPCR不同，KPRCB是一个私有数据结构，只被Ntoskrnl.exe使用。它包含调度信息，如当前、下一个、空闲线程。处理器的分发数据库（包含每个优先级的就绪队列）：DPC队列；CPUID（模型，步长，速度，特性位）。CPU和NUMA拓扑（节点信息，内核，逻辑处理器等等）；缓存大小，时间统计信息（DCP和中断时间）KPRCB也包含处理器的统计信息，如IO统计信息，缓存管理器统计信息（参考第二部分第11章），DPC统计信息，内存管理器统计信息（第二部分第十章）。KPRCB有时也用来保存一些结构来优化内存访问，特别是在NUMA系统上。这些结构基于每个处理器，并且是缓存对齐的，如换页和非换页内存池旁视链表就存在KPRCB中。