3.Внутреннее устройство Windows (гл. 8-11) - Марк Руссинович

Ввод-вывод в проецируемые файлы (mapped file I/O) — важная функция подсистемы ввода-вывода, поддерживаемая ею совместно с диспетчером памяти (о проецируемых файлах см. главу 7). Термин «ввод-вывод в проецируемые файлы» относится к возможности интерпретировать файл на диске как часть виртуальной памяти процесса. Программа может обращаться к такому файлу как к большому массиву, не прибегая к буферизации или дисковому вводу-выводу. При доступе программы к памяти диспетчер памяти использует свой механизм подкачки для загрузки нужной страницы из дискового файла. Если программа изменяет какие-то данные в своем виртуальном адресном пространстве, диспетчер памяти записывает эти данные обратно в дисковый файл в ходе обычной операции подкачки страниц.

Ввод-вывод в проецируемые файлы доступен в пользовательском режиме через Windows-функции CreateFileMapping и MapViewOfFile. B самой операционной системе такой ввод-вывод используется при выполнении важных операций — при кэшировании файлов и активизации образов (загрузке и запуске исполняемых программ). Другим потребителем этого типа ввода-вывода является диспетчер кэша. Файловые системы обращаются к диспетчеру кэша для проецирования файлов данных на виртуальную память, что ускоряет работу программ, интенсивно использующих ввод-вывод. По мере использования файла диспетчер памяти подгружает в память страницы, к которым производится обращение. Если большинство систем кэширования выделяет для кэширования фиксированную область памяти, то кэш Windows расширяется или сокращается в зависимости от объема свободной памяти. Такое изменение размера кэша возможно благодаря тому, что диспетчер кэша опирается на соответствующую поддержку со стороны диспетчера памяти (см. главу 7). Используя преимущества подсистемы подкачки страниц диспетчера памяти, диспетчер кэша избегает дублирования работы, уже проделанной диспетчером памяти. (Внутреннее устройство диспетчера кэша рассматривается в главе 11.)

Windows также поддерживает особый вид высокопроизводительного ввода-вывода с использованием механизма «scatter/gather»; он доступен через Windows-функции ReadFileScatter и WriteFileGather. Эти функции позволяют приложению в рамках одной операции считывать или записывать данные из нескольких буферов в виртуальной памяти в непрерывную область дискового файла, а не выдавать отдельный запрос ввода-вывода для каждого буфера. Чтобы задействовать такой ввод-вывод, вы должны открыть файл для некэшируемого асинхронного (перекрывающегося) ввода-вывода и выровнять пользовательские буферы по границам страниц. Более того, если ввод-вывод направлен на устройство массовой памяти, то передаваемые данные нужно выровнять по границам секторов устройства, а их объем должен быть кратен размеру сектора.

Пакет запроса ввода-вывода (I/O request packet, IRP) хранит информацию, нужную для обработки запроса на ввод-вывод. Когда поток вызывает сервис ввода-вывода, диспетчер ввода-вывода создает IRP для представления операции в процессе ее выполнения подсистемой ввода-вывода. По возможности диспетчер ввода-вывода выделяет память под IRP в одном из двух ассоциативных списков IRP, индивидуальных для каждого процессора и хранящихся в пуле неподкачиваемой памяти. Ассоциативный список малых IRP (small-

IRP look-aside list) хранит IRP с одним блоком стека (об этих блоках — чуть позже), а ассоциативный список больших IRP (large-IRP look-aside list) — IRP с несколькими блоками стека. По умолчанию в IRP второго списка содержится 8 блоков стека, но раз в минуту система варьирует это число на основании того, сколько блоков было запрошено. Если для IRP требуется больше блоков стека, чем имеется в ассоциативном списке больших IRP, диспетчер ввода-вывода выделяет память под IRP из пула неподкачиваемой памяти. После создания и инициализации IRP диспетчер ввода-вывода сохраняет в IRP указатель на объект «файл» вызывающего потока.

ПРИМЕЧАНИЕ DWORD-параметр реестра HKLMSystemCurrentControlSetSession ManagerI/O SystemLargIrpStackLocations (если он определен) указывает, сколько блоков стека содержится в IRP, которые хранятся в ассоциативном списке больших IRP

Ha рис. 9–9 показан пример запроса ввода-вывода, демонстрирующий взаимосвязи между IRP и объектами «файл», «устройство» и «драйвер». Данный пример относится к запросу ввода-вывода, который адресован одноуровневому драйверу, но большинство операций ввода-вывода гораздо сложнее, так как в их выполнении участвует не один, а несколько многоуровневых драйверов. (Этот случай мы рассмотрим позже.)

IRP состоит из двух частей: фиксированного заголовка (часто называемого телом IRP) и одного или нескольких блоков стека. Фиксированная часть содержит такую информацию, как тип и размер запроса, указатель на буфер в случае буферизованного ввода-вывода, данные о состоянии, изменяющиеся по мере обработки запроса, а также сведения о том, является запрос синхронным или асинхронным. Блок стека IRP (IRP stack location) содержит номер функции (состоящий из основного и дополнительного номеров), параметры, специфичные для функции, и указатель на объект «файл» вызывающего потока. Основной номер функции (major function code) идентифицирует принадлежащую драйверу процедуру диспетчеризации, которую диспетчер ввода-вывода вызывает при передаче IRP драйверу. Необязательный дополнительный номер функции (minor function code) иногда используется как модификатор основного номера. B командах управления электропитанием и Plug and Play всегда указывается дополнительный номер функции.

B большинстве драйверов процедуры диспетчеризации определены только для подмножества основных функций, т. е. функций, предназначенных для создания/открытия, записи, чтения, управления вводом-выводом на устройстве, управления электропитанием, операций Plug and Play, System (для WMI-команд) и закрытия. Драйверы файловой системы определяют функции для всех (или почти всех) точек входа. Диспетчер ввода-вывода записывает в точки входа, не заполненные драйверами, указатели на свою функцию IopInvalidDeviceRequest. Эта функция возвращает вызывающему потоку код ошибки, который уведомляет о попытке обращения к функции, не поддерживаемой данным устройством.

ЭКСПЕРИМЕНТ: исследуем процедуры диспетчеризации, принадлежащие драйверу

Вы можете получить список всех функций, определенных драйвером для своих процедур диспетчеризации. Для этого введите команду !drvobj отладчика ядра и после имени (или адреса) объекта «драйвер» укажите значение 7. Следующий вывод показывает, что драйверы поддерживают 28 типов IRR

Каждый IRP, пока он активен, хранится в списке IRP, сопоставленном с потоком, который выдал запрос на ввод-вывод. Это позволяет подсистеме ввода-вывода найти и отменить любые незавершенные IRP, если выдавший их поток завершается.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр незавершенных IRP потока

Команда !thread выводит любые IRP, сопоставленные с потоком. Запустите отладчик ядра в работающей системе и найдите процесс диспетчера управления сервисами (Services.exe) в выводе, сгенерированном командой !process

Теперь создайте дамп потоков для процесса, выполнив команду !process применительно к объекту «процесс». Вы должны увидеть множество потоков, у большинства из которых есть IRP; эти IRP отображаются в блоке IRP List информации о потоке (заметьте, что отладчик выводит лишь первые 17 IRP для потока, у которого имеется более 17 незавершенных запросов ввода-вывода):

У этого IRP основной номер функции — 3, что соответствует IRP_ MJ_READ. Он содержит один блок стека и адресован устройству, принадлежащему драйверу Npfs (Named Pipe File System). (Информацию о Npfs см. в главе 13.)

Когда приложение или драйвер устройства неявно создает IRP с помощью системного сервиса NtReadFile, NtWriteFile или NtDeviceIoControlFile (этим сервисам соответствуют Windows-функции ReadFile, WriteFile и DeviceIoControt), диспетчер ввода-вывода определяет, должен ли он участвовать в управлении буферами ввода и вывода вызывающего потока. Диспетчер ввода-вывода поддерживает три вида управления буферами.

• Буферизованный ввод-вывод (buffered I/O) Диспетчер ввода-вывода выделяет в пуле неподкачиваемой памяти буфер, равный по размеру буферу вызывающего потока. Создавая IRP при операциях записи, диспетчер ввода-вывода копирует данные из буфера вызывающего потока в выделенный буфер. Завершая обработку IRP при операциях чтения, диспетчер ввода-вывода копирует данные из выделенного буфера в пользовательский буфер и освобождает выделенный буфер.