Windows内核原理与实现

内容概要

潘爱民

任职于阿里云计算有限公司，担任阿里云OS 首席架构师。长期从事软件和系统技术的研究与开发工作，撰写了大量软件技术文章，著译了多部经典计算机图书，在国内外学术刊物上发表了30 多篇文章。曾经任教于北京大学和清华大学（兼职）。后进入工业界，先后任职于微软亚洲研究院、盛大网络发展有限公司和阿里云计算有限公司。目前也是工信部移动操作系统专家组成员。

潘爱民先生获得了数学学士学位和计算机科学博士学位，主要研究领域包括软件设计、信息安全、操作系统和互联网技术。

书籍目录

第1章  概述
1

1.1  操作系统基础
2

1.1.1  计算机系统的硬件资源管理
2

1.1.2  为应用程序提供执行环境
5

1.2  学习操作系统之必备知识
7

1.3  Windows操作系统发展历史
9

1.4  Windows内核的版本
11

1.5  操作系统的研究与发展
13

1.6  本章总结
16

第2章  Windows系统总述
17

2.1  现代操作系统的基本结构
17

2.2  Windows系统结构
18

2.2.1  Windows内核结构
20

2.2.2  Windows内核中的关键组件
22

2.2.3  Windows子系统
32

2.2.4  系统线程和系统进程
35

2.3  关于Windows研究内核
37

2.3.1  WRK包含了什么
38

2.3.2  WRK源代码说明
39

2.3.3  本书对WRK源代码的引用
41

2.4  Windows内核的基本概念
42

2.4.1  处理器模式
43

2.4.2  内存管理
44

2.4.3  进程和线程管理
46

2.4.4  中断和异常
48

2.4.5  同步
51

2.5  Windows内核中的公共管理设施
53

2.5.1  Windows内核中的对象管理
53

2.5.2  注册表和配置管理器
61

2.5.3  事件追踪（ETW）
72

2.5.4  安全性管理
75

2.6  Windows引导过程
81

2.6.1  内核加载
82

2.6.2  内核初始化
85

2.6.3  建立用户登录会话
90

2.7  本章总结
96

第3章  Windows进程和线程
97

3.1  进程基本概念
97

3.1.1  多进程模型
98

3.1.2  进程与程序
99

3.2  线程基本概念
102

3.2.1  线程模型
102

3.2.2  线程调度算法
104

3.2.3  线程与进程的关系
106

3.3  Windows中进程和线程的数据结构
106

3.3.1  内核层的进程和线程对象
106

3.3.2  执行体层的进程和线程对象
118

3.4  Windows的进程和线程管理
129

3.4.1  Windows进程的句柄表
129

3.4.2  获得当前线程或进程
135

3.4.3  进程和线程的创建过程
136

3.4.4  进程和线程的结束处理
146

3.4.5  系统初始进程和线程
148

3.5  Windows中的线程调度
150

3.5.1  线程优先级
150

3.5.2  线程状态转移
153

3.5.3  时限管理
163

3.5.4  优先级调度和环境切换
165

3.6  进程和线程运行状态监视工具
171

3.6.1  ProcMon使用示例
171

3.6.2  ProcMon实现原理
173

3.7  本章总结
174

第4章  Windows内存管理
175

4.1  内存管理概述
176

4.1.1  页式内存管理
177

4.1.2  段式内存管理
181

4.1.3  内存管理算法介绍
184

4.1.4  Windows内存管理概述
192

4.2  Windows系统内存管理
194

4.2.1  系统地址空间初始化
194

4.2.2  系统地址空间内存管理
209

4.2.3  系统PTE区域的管理
223

4.3  进程内存管理
229

4.3.1  地址空间的创建和初始化
229

4.3.2  地址空间切换
234

4.3.3  进程地址空间的内存管理
235

4.3.4  内存区对象
241

4.4  内存页面交换
250

4.4.1  Intel x86中的PTE
251

4.4.2  软件PTE：无效PTE和原型PTE
253

4.4.3  页面错误处理
257

4.4.4  Windows的写时复制
263

4.5  物理内存管理
265

4.5.1  PFN数据库
266

4.5.2  物理页面的状态变化
272

4.5.3  物理页面链表的管理和操作
275

4.5.4  修改页面写出器
280

4.5.5  进程/栈交换器
282

4.5.6  低内存通知和高内存通知
285

4.6  工作集管理
286

4.6.1  Windows工作集管理器
286

4.6.2  平衡集管理器
292

4.7  内存监视工具MemMon
293

4.7.1  MemMon使用介绍
293

4.7.2  MemMon实现原理
295

4.8  本章总结
295

第5章  Windows并发和同步
297

5.1  进程和线程的同步基础
297

5.1.1  并发性基础
298

5.1.2  进程或线程之间的通信
301

5.1.3  经典的同步问题
305

5.2  Windows中断与异常
310

5.2.1  硬件中断的发生和处理
311

5.2.2  中断请求级别（IRQL）
317

5.2.3  中断对象
320

5.2.4  DPC（延迟过程调用）
323

5.2.5  时钟中断和定时器管理
327

5.2.6  APC（异步过程调用）
330

5.2.7  异常分发
336

5.3  不依赖于线程调度的同步机制
343

5.3.1  提升IRQL实现数据同步
343

5.3.2  互锁操作
345

5.3.3  无锁的单链表实现
346

5.3.4  自旋锁
349

5.4  基于线程调度的同步机制
354

5.4.1  线程进入等待
354

5.4.2  分发器对象
361

5.4.3  门等待
369

5.4.4  执行体资源（executive resource）
370

5.4.5  推锁（push lock）
373

5.4.6  死锁
378

5.5  观察线程同步关系——DPerfLite
379

5.5.1  DPerfLite使用示例
379

5.5.2  DPerfLite实现原理
381

5.6  本章总结
382

第6章  Windows I/O系统
383

6.1  I/O概述
384

6.1.1  现代计算机系统的I/O
384

6.1.2  I/O软件技术
388

6.1.3  Windows I/O系统结构
390

6.2  I/O管理器
392

6.2.1  驱动程序初始化
393

6.2.2  驱动程序对象和设备对象
399

6.2.3  文件对象
404

6.2.4  对象生命周期管理
407

6.3  即插即用管理器
408

6.3.1  即插即用的基本要求
409

6.3.2  Windows中驱动程序的即插即用支持
410

6.3.3  设备列举与设备树
411

6.4  电源管理器
414

6.4.1  电源管理概述
414

6.4.2  Windows中的电源管理
417

6.5  设备驱动程序
422

6.5.1  设备驱动程序分类
423

6.5.2  例子驱动程序toaster
425

6.5.3  驱动程序的代码结构
427

6.5.4  toaster设备的设备栈
432

6.5.5  过滤驱动程序的配置和加载
434

6.5.6  非即插即用驱动程序
437

6.6  I/O处理
440

6.6.1  I/O请求包（IRP）
440

6.6.2  针对独立设备对象的I/O处理
447

6.6.3  处理I/O请求过程中的事项
451

6.6.4  针对设备栈的I/O处理
461

6.6.5  I/O完成端口
465

6.7  I/O请求监视工具IRPMon
468

6.7.1  IRPMon使用介绍
468

6.7.2  IRPMon实现原理
469

6.8  本章总结
470

第7章  Windows存储管理
471

7.1  存储管理概述
471

7.1.1  硬件存储体系（memory hierarchy）
472

7.1.2  Windows的存储管理结构
474

7.2  Windows缓存管理
476

7.2.1  Windows缓存空间的内存管理
476

7.2.2  缓存管理器的数据访问路径
483

7.2.3  直接使用系统缓存中的数据
486

7.2.4  缓存管理器的预读处理
493

7.2.5  缓存管理器的延迟写
496

7.3  Windows中卷的管理
499

7.3.1  Windows存储栈结构
500

7.3.2  卷的挂载
504

7.3.3  卷与文件系统
507

7.3.4  文件对象的I/O处理
510

7.4  Windows文件系统
513

7.4.1  文件系统驱动程序结构
514

7.4.2  RAW文件系统与FsRtl
519

7.4.3  文件系统的I/O过滤
522

7.4.4  FAT文件系统
530

7.4.5  NTFS文件系统
534

7.5  本章总结
542

第8章  Windows系统服务
545

8.1  Windows系统服务原理
545

8.1.1  Intel x86的用户模式-内核模式切换
545

8.1.2  Windows的用户模式-内核模式切换
550

8.1.3  Windows中的系统服务分发
555

8.1.4  增加系统服务表或表项
562

8.2  LPC（本地过程调用）服务
565

8.2.1  LPC结构模型
565

8.2.2  LPC端口和LPC消息
567

8.2.3  LPC通信模型的实现
569

8.2.4  LPC应用
575

8.3  命名管道（Named Pipe）服务
577

8.3.1  命名管道的名称解析
577

8.3.2  命名管道的通信模型
579

8.3.3  命名管道的实现
581

8.4  邮件槽（Mailslot）服务
584

8.4.1  邮件槽的名称解析
584

8.4.2  邮件槽的通信模型
585

8.4.3  邮件槽的实现
586

8.5  SDT显示工具SDTViewer
588

8.5.1  SDTViewer使用介绍
588

8.5.2  SDTViewer实现原理
589

8.6  本章总结
590

第9章  Windows系统高级话题
591

9.1  网络
591

9.1.1  Windows网络体系结构
591

9.1.2  TDI（传输驱动程序接口）
595

9.1.3  NDIS（网络驱动程序接口规范）
599

9.1.4  Windows Vista及以后版本的网络结构
601

9.2  Windows子系统
603

9.2.1  Windows子系统结构
603

9.2.2  Windows子系统初始化与GUI线程
607

9.2.3  窗口管理
610

9.2.4  GDI（图形设备接口）
620

9.2.5  Windows Vista及以后的子系统变化
627

9.3  内核日志
629

9.3.1  内核日志记录器
629

9.3.2  利用内核日志信息诊断性能问题
632

9.4  Windows Vista/Server 2008/7的重要变化
640

9.4.1  MinWin工程
640

9.4.2  进程和线程管理
643

9.4.3  内存管理
645

9.4.4  I/O处理的改进
647

9.5  本章总结
650

附录A  建立WRK工作环境
651

A.1  编译WRK
651

A.2  启动WRK
655

A.3  调试WRK
658

附录B  内核代码插入工具KInjectToolKit
665

B.1  KInjectToolKit功能介绍
666

B.2  KInjectToolKit的代码实现
667

B.3  KInjectToolKit的限制
671

参考资料
673

术语对照表
681

索引
687

编辑推荐

潘爱民编著的《Windows内核原理与实现》从操作系统原理角度组织材料，深度解析了Windows内核如何实现现代操作系统的各个关键部件，并直接以Windows核源代码(WRK， Windows Research Kernel)为参照。在内容选取方面，侧重Windows核中基本的系统部件，同时也兼顾作为一个操作系统的完整性。在讲解代码实现的同时并未局限于代码本身，而是着重阐述了Windows内核中运用的算法和机制。

作者简介

本书介绍Windows内核的基本原理，包括进程和线程、内存管理、线程间同步、I/O模型和Windows的存储模型。对于每一部分内容的介绍，首先从现代操作系统的基本原理出发，然后结合Windows公开的源代码WRK来介绍Windows中的具体实现，最后介绍相应的工具来检查所学的知识。

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