深入解析Windows操作係統（第6版）下冊 下載 mobi epub pdf 電子書 2025

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[美] Mark，Russinovich（馬剋?拉希諾維奇），David，A.Solomon（大衛?A.所羅門），Alex ... 著，範德成 譯

圖書標籤:

• Windows操作係統
• 內核
• 驅動程序
• 係統編程
• Windows Internals
• 係統安全
• 調試
• 性能優化
• 內存管理
• 進程綫程

齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121336430

版次：6

商品編碼：12333497

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2018-03-01

用紙：膠版紙

頁數：592

字數：900000

正文語種：中文

內容簡介

本書是Windows技術**參考書的*新版本，本書主要介紹瞭基於Windows 7 and Windows Server 2008 R2的核心技術與底層技術，全麵闡釋Windows技術機理，是廣大Windows開發人員必備的參考書。

作者簡介

Mark Russinovich（馬剋?拉希諾維奇）是微軟windows Azure組技術人員，是Sysinternals工具的作者之一，閤著瞭《深入解析Windows操作係統》係列圖書；David A.Solomon（大衛?A.所羅門）是《深入解析Windows操作係統》係列圖書的閤著者，並為全球成韆上萬的開發人員和IT專業人士，包括微軟員工，講授Windows內幕課程。他時常在微軟舉辦的會議中發言，包括TechNet和PDC
範德成，2004年畢業於上海交通大學，在微軟和SAP公司有多年項目經驗，構建瞭微型開源項目Robbie's Shell.潘愛民，任職於阿裏巴巴，長期從事軟件和係統技術的研究與開發工作，撰寫瞭大量軟件技術文章，著譯瞭多部經典計機圖書，在國內外學術刊物上發錶瞭30多篇文章。曾經任教於北京大學和清華大學（兼職），後進入工業界，先後任職於微軟亞洲研究院、盛大網絡發展有限公司和阿裏雲計算有限公司，目前也是工信部移動操作係統專傢組成員。潘愛民先生獲得瞭數學學士學位和計算機科學博士學位，主要研究領域包括軟件設計、信息安全、操作係統和互聯網技術。

目錄

第8章 I/O係統 1
8．1 I/O係統組件 1
I/O管理器 3
典型的I/O處理過程 4
8．2 設備驅動程序 5
設備驅動程序的類型 5
WDM驅動程序 6
分層的驅動程序 7
實驗：查看已加載的驅動程序列錶 9
驅動程序的結構 11
驅動程序對象和設備對象 13
實驗：看一看設備對象 15
實驗：顯示驅動程序和設備對象 17
打開設備 18
實驗：查看設備句柄 21
實驗：查看Windows設備名稱之間的映射 23
8．3 I/O處理 24
I/O類型 24
同步I/O和異步I/O 24
快速I/O 25
實驗：查看一個驅動程序登記的快速I/O例程 25
映射文件I/O和文件緩存 26
分散/聚集I/O 27
I/O請求包 27
IRP棧單元 28
實驗：查看驅動程序的分發例程 29
實驗：查看一個綫程的未完成IRP 29
IRP緩衝區管理 30
針對單層驅動程序的I/O請求 32
為一個中斷提供服務 33
完成一個I/O請求 34
同步 36
針對分層的驅動程序的I/O請求 38
實驗：查看一個設備棧 39
實驗：查看IRP 40
綫程無關I/O 45
I/O取消 45
用戶發起的I/O取消 46
綫程終止時的I/O取消 47
實驗：調試一個無法被殺死的進程 48
I/O完成端口 49
IoCompletion對象 50
使用完成端口 50
I/O完成端口操作 52
I/O優先級支持 54
I/O優先級 54
優先化策略 55
I/O優先級反轉的避免（I/O優先級繼承） 57
I/O優先級提升和撞升 57
實驗：“非常低”和“正常”I/O吞吐量的對比 58
實驗：I/O優先級提升/撞升的性能分析 59
帶寬預留（計劃的文件I/O） 60
容器通知 60
驅動程序檢驗器（Driver Verifier） 61
8．4 內核模式驅動程序框架（KMDF） 63
KMDF驅動程序的結構和操作 64
實驗：顯示KMDF驅動程序 65
KMDF數據模型 66
KMDF的I/O模型 69
8．5 用戶模式驅動程序框架（UMDF） 72
8．6 即插即用（PnP）管理器 76
即插即用支持的級彆 77
驅動程序對於即插即用的支持 77
驅動程序加載、初始化和安裝 79
Start值 80
設備列舉 81
實驗：將設備樹轉儲齣來 84
設備棧 85
設備棧的驅動程序加載 86
實驗：在設備管理器中查看詳細的devnode信息 88
驅動程序安裝 90
實驗：檢查一個驅動程序的INF文件 92
實驗：查看目錄（catalog）文件 93
8．7 電源管理器 94
電源管理器的操作 96
驅動程序的電源操作 97
實驗：查看一個驅動程序的電源映射關係 97
實驗：查看係統的電源能力和策略 98
驅動程序和應用程序對於設備電源的控製 100
電源可用性請求 100
實驗：在調試器中查看一個電源可用性請求 101
實驗：利用Powercfg查看電源可用性請求 103
處理器電源管理（PPM） 103
核心停運的策略 104
利用率函數 105
實驗：查看利用率和頻率的信息 106
實驗：查看利用率和頻率的曆史 107
算法覆蓋 108
增加/減少動作 108
各種閾值和策略的設置 109
實驗：查看當前的核心停運策略 111
“性能檢查”算法 112
實驗：查看當前的PPM檢查信息 116
8．8 本章總結 118
第9章 存儲管理 119
9．1 有關存儲的術語 119
9．2 磁盤設備 120
鏇轉磁盤 120
磁盤的扇區格式 120
固態硬盤 122
NAND型閃存 122
文件的刪除和irim命令 124
9．3 磁盤驅動程序 125
Winload 125
磁盤類、端口和小端口驅動程序 126
iSCSI驅動程序 127
多路徑I/O（MPIO）驅動程序 128
實驗：觀察物理磁盤I/O 130
磁盤設備對象 130
分區管理器 131
9．4 捲的管理 132
基本磁盤 133
MBR風格的分區 133
GPT（GUID分區錶）分區方案 133
基本磁盤捲管理器 134
動態磁盤 135
LDM數據庫 135
實驗：使用LDMDump來查看LDM數據庫 137
LDM和GPT或MBR風格的分區方案 139
動態磁盤的捲管理器 140
多分區捲的管理 140
跨距捲 141
條帶捲 142
實驗：觀察鏡像捲的I/O操作 143
RAID-5捲 145
捲名字空間 145
掛載管理器 146
掛載點 147
捲的掛載 148
實驗：查看VPB 149
捲的I/O操作 152
虛擬磁盤服務 153
9．5 虛擬硬盤（VHD文件）支持 155
附載VHD的操作 156
嵌套的文件係統 156
9．6 BitLocker驅動器加密 157
加密密鑰 159
可信平颱模塊（TPM） 161
BitLocker引導過程 163
BitLocker密鑰的恢復 165
全捲加密驅動程序 166
BitLocker的管理 167
BitLocker To Go 168
9．7 捲影像（shadow）拷貝服務 170
影像拷貝 170
“剋隆”影像拷貝 170
“寫時復製”影像拷貝 170
VSS的架構 170
VSS的操作 171
影像拷貝提供者 172
實驗：查看Microsoft影像拷貝提供者的過濾型設備對象 173
Windows中的用途 174
備份 174
實驗：查看影像捲的設備對象 174
“之前的版本”和係統還原 175
實驗：導航到“之前的版本” 176
實驗：映射捲影像設備對象 177
9．8 本章總結 178
第10章 內存管理 179
10．1 內存管理器簡介 179
內存管理器組件 180
內部同步 181
檢查內存的使用情況 182
實驗：查看係統內存信息 182
10．2 內存管理器提供的服務 184
大頁麵和小頁麵 185
保留頁麵和提交頁麵 187
實驗：保留的頁麵對比提交的頁麵 188
提交限額 190
鎖住內存 190
分配粒度 191
共享內存和映射文件 192
實驗：查看內存映射文件 193
保護內存 194
“不可執行”頁麵保護 196
實驗：查看進程上的DEP保護 199
軟件的數據執行保護 200
寫時復製 201
地址窗口擴展 203
10．3 內核模式堆（係統內存池） 204
內存池的大小 205
實驗：確定最大的池大小值 206
監視內存池的使用 208
實驗：診斷內存池泄漏 210
快查錶（Look-Aside List） 211
實驗：查看係統的快查錶 212
10．4 堆管理器 212
堆的類型 213
堆管理器結構 214
堆同步 215
低碎片堆 215
堆的安全特性 216
堆的調試特性 217
pageheap 218
容錯堆 218
10．5 虛擬地址空間的布局結構 219
x86地址空間的布局結構 221
實驗：檢查一個應用程序能否感知大地址空間 222
x86係統地址空間的布局結構 223
x86會話空間 224
實驗：查看會話 224
實驗：查看會話空間的使用情況 225
係統頁錶項（PTE，Page Table Entry） 226
實驗：查看會話空間的使用情況 226
64位地址空間布局結構 227
x64虛擬尋址的限製 230
Windows x64的16TB限製 231
動態的係統虛擬地址空間管理 233
實驗：查詢係統虛擬地址的用量 234
實驗：設置係統虛擬地址的限製值 235
係統的虛擬地址空間配額 236
用戶地址空間的布局結構 237
實驗：對用戶虛擬地址空間進行分析 238
映像隨機化 239
棧的隨機化 240
堆的隨機化 240
內核地址空間中的ASLR 240
對安全性緩和措施的控製 240
實驗：查看進程上的ASLR保護 241
10．6 地址轉譯 241
x86虛擬地址轉譯 242
頁目錄 245
實驗：檢查頁目錄和PDE 245
頁錶和頁錶項 246
頁錶項中硬件和軟件的“寫”位 247
頁麵內的字節 248
地址轉譯快查緩衝區 248
物理地址擴展（PAE） 249
實驗：轉譯地址 251
x64虛擬地址轉譯 253
IA64虛擬地址轉譯 254
10．7 頁麵錯誤處理 255
無效PTE 256
原型PTE 258
頁麵換入I/O 259
衝突的頁麵錯誤 260
聚簇的頁麵錯誤 260
頁麵文件 261
實驗：查看係統頁麵文件 262
提交用量和係統提交限額 263
提交用量和頁麵文件的大小 266
實驗：利用任務管理器來查看頁麵文件使用量 266
10．8 棧 268
用戶棧 268
實驗：創建最大數量的綫程 268
內核棧 269
實驗：觀察內核棧的使用量 269
DPC棧 270
10．9 虛擬地址描述符 270
進程的VAD 271
實驗：查看虛擬地址描述符 272
鏇轉VAD 272
10．10 NUMA 273
10．11 內存區對象 274
實驗：查看內存區對象 275
實驗：查看控製區域 277
10．12 驅動程序檢驗器 280
10．13 頁麵幀編號數據庫 284
實驗：查看PFN數據庫 287
頁麵列錶的動態變化 288
實驗：空閑列錶和零頁麵列錶 289
實驗：已修改列錶和備用列錶 291
頁麵優先級 296
實驗：觀察區分優先級的備用列錶 298
已修改頁麵寫齣器 299
PFN數據結構 301
實驗：查看PFN項 304
10．14 物理內存的限製 305
Windows客戶版本的限製 306
32位客戶的有效內存限製 307
10．15 工作集 309
按需換頁 309
邏輯預取器 310
實驗：窺探預取文件內部 312
實驗：觀察預取文件的讀和寫 312
放置策略 313
工作集管理 314
實驗：查看進程工作集大小 316
實驗：工作集與虛擬大小 316
實驗：在調試器中查看工作集列錶 317
平衡集管理器和交換器 318
係統工作集 319
內存通知事件 320
實驗：查看內存資源通知事件 321
10．16 主動式內存管理（Superfetch） 322
各個組件 322
跟蹤過程和日誌記錄 324
場景 325
頁麵優先級和重平衡 326
魯棒性能 328
RAM優化軟件 329
ReadyBoost 330
ReadyDrive 331
統一緩存 332
進程反射 334
實驗：利用Preflect來觀察進程反射的行為 336
10．17 本章總結 337
第11章 緩存管理器 338
11．1 緩存管理器的關鍵特性 338
單個中心化的係統緩存 339
內存管理器 339
緩存一緻性 339
虛擬塊緩存 341
流式緩存機製 341
對可恢復文件係統的支持 341
11．2 緩存的虛擬內存管理 342
11．3 緩存的大小 344
緩存的虛擬大小 344
緩存的工作集大小 344
實驗：查看係統緩存的工作集 345
緩存的物理大小 345
11．4 緩存的數據結構 347
係統範圍的緩存數據結構 347
實驗：查看係統緩存的工作集 349
針對每個文件的緩存數據結構 350
實驗：查看共享的和私有的緩存錶 353
11．5 文件係統接口 355
從緩存中來迴拷貝數據 356
通過映射和鎖定接口進行緩存 356
通過直接內存訪問接口進行緩存 357
11．6 快速I/O 357
11．7 預讀（Read Ahead）和滯後寫（Write Behind） 359
智能預讀 359
迴寫緩存（Write-Back Caching）和延遲寫（Lazy Writing） 361
實驗：觀察緩存管理器的活動情況 362
禁止一個文件的延遲寫齣行為 367
強迫緩存被直寫（write-through）到磁盤上 367
刷新映射文件 367
實驗：觀察緩存的刷新 368
寫節流（Write Throttling） 369
實驗：查看寫節流參數 370
係統綫程 370
11．8 本章總結 371
第12章 文件係統 372
12．1 Windows文件係統格式 373
CDFS 373
UDF 374
FAT12、FAT16和FAT32 374
exFAT 377
NTFS 377
12．2 文件係統驅動程序總體結構 378
本地FSD 379
遠程FSD 380
鎖定 381
實驗：查看已注冊文件係統的列錶 383
文件係統操作 387
顯式文件I/O 388
內存管理器的修改頁麵寫齣器和映射頁麵寫齣器 392
緩存管理器的延遲寫齣器（Lazy Writer） 392
緩存管理器的預讀綫程 392
內存管理器的頁麵錯誤處理器 393
文件係統過濾型驅動程序 393
進程監視器 393
實驗：查看進程監視器的過濾型驅動程序 394
12．3 診斷文件係統的問題 395
進程監視器的基本和高級模式 395
實驗：在一個空閑係統上查看文件係統的活動 395
進程監視器診斷技巧 396
12．4 公用日誌文件係統 397
列集操作 397
日誌的類型 398
日誌的布局結構 400
日誌序列號 401
日誌塊 401
所有者頁麵 402
虛擬LSN到物理LSN的轉譯 403
管理策略 404
12．5 NTFS設計目標和特性 404
高端（High-End）文件係統的需求 404
可恢復性 405
安全性 405
數據冗餘和容錯能力 405
NTFS的高級特性 406
多數據流 406
實驗：查看數據流 408
基於Unicode的名稱 408
通用的索引設施 409
動態的壞簇重新映射 409
硬鏈接（link）和交接（junction） 409
實驗：創建一個硬鏈接 410
符號（軟）鏈接和交接（junction） 410
實驗：創建一個符號鏈接 412
壓縮文件和稀疏文件 412
變化日誌 413
針對每個用戶的捲配額 413
鏈接跟蹤 414
加密 415
POSIX支持 416
碎片整理 416
動態分區 417
12．6 NTFS文件係統驅動程序 419
12．7 NTFS在磁盤上的結構 421
捲（volume） 421
簇（cluster） 422
主文件錶（MFT） 423
實驗：查看NTFS信息 425
文件記錄號 426
文件記錄 426
文件名 429
隧道傳輸 431
駐留的和非駐留的屬性 432
數據壓縮和稀疏文件 435
壓縮稀疏數據 435
壓縮非稀疏數據 437
稀疏文件 439
變化日誌文件 439
實驗：讀取變化日誌 441
索引 442
對象ID 444
配額跟蹤 444
統一的安全性 445
重解析點 447
事務支持 447
隔離性 448
實驗：理解和管理事務 449
事務型API 450
資源管理器 451
實驗：查詢資源管理器的信息 452
磁盤上的實現 453
日誌的實現 454
恢復的實現 455
12．8 NTFS的恢復支持 455
設計 456
元數據日誌記錄 457
日誌文件服務（LFS） 457
日誌記錄類型 459
恢復 461
分析掃描（Analysis Pass） 462
重做掃描（Redo Pass） 463
撤銷掃描（Undo Pass） 463
NTFS的壞簇恢復 465
自我修復 468
12．9 加密文件係統（EFS）安全性 469
第一次加密一個文件 472
加密文件數據 473
解密過程 474
加密文件的備份 474
實驗：查看EFS信息 475
加密文件的復製 475
12．10 本章總結 476
第13章 啓動和停機 477
13．1 引導過程 477
BIOS引導準備 477
BIOS引導扇區和Bootmgr 481
UEFI引導過程 495
從iSCSI引導 496
初始化內核和執行體子係統 497
實驗：加載器參數塊 497
Smss、Csrss和Wininit 504
未完成的文件重命名操作 507
ReadyBoot 509
自動啓動的映像文件 510
實驗：Autoruns 511
13．2 引導和啓動問題的故障檢查 511
最後已知的好配置 512
安全模式 512
安全模式下的驅動程序加載 513
能感知安全模式的用戶程序 514
安全模式下的引導日誌 515
Windows恢復環境（WinRE） 516
引導狀態文件 519
解決常見的引導問題 520
MBR損壞 520
引導扇區損壞 520
BCD的錯誤配置 520
係統文件損壞 521
Windows資源保護 522
System儲巢損壞 523
啓動屏幕之後的崩潰或者掛起 523
13．3 停機 525
實驗：驗證HungAppTimeout值 526
13．4 本章總結 528
第14章 崩潰轉儲分析 529
14．1 Windows為什麼會崩潰 529
14．2 藍屏 530
Windows崩潰的原因 531
14．3 診斷崩潰問題 533
14．4 崩潰轉儲文件 535
實驗：查看轉儲文件的信息 539
崩潰轉儲的生成 540
14．5 Windows錯誤報告 542
14．6 在綫崩潰分析 543
14．7 基本的崩潰轉儲分析 545
Notmyfault 545
基本的崩潰轉儲分析 546
詳細的分析 547
14．8 使用崩潰診斷工具 549
緩衝區溢齣、內存破壞和特殊內存池 550
實驗：通過驅動程序檢驗器啓用特殊內存池 552
代碼改寫和係統代碼寫保護 553
14．9 高級的崩潰轉儲分析 554
棧破壞 555
掛起的或無響應的係統 557
實驗：利用LiveKd來生成Hyper-V客戶的轉儲 559
當沒有崩潰轉儲時 561
實驗：附載一個內核調試器 562
14．10 對常見停止代碼的分析 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
實驗：藍屏屏幕保護程序 572
14．11 本章小結 572


譯者序一


在所有介紹Windows操作係統的圖書中，我相信都離不開Windows Internals係列提供的信息。除瞭公開可見到的Windows源代碼以外，本書是披露Windows係統機理最為詳盡的一份資料，尤其對於Windows的每一個最新版本。本書第6版專門針對Windows 7和Windows Server 2008 R2進行瞭大幅度更新。由於篇幅的增加，這一版本改成瞭上下兩冊來發行，由此也可見本書的“分量”。本書上冊中文版已於2014年4月齣版，這幾年間，我經常收到讀者的詢問，本書下冊是否齣版。現在，下冊中文版終於要齣版瞭，讀者們可以如願看到本書瞭。
在Windows操作係統的發展曆程中，Windows 7是一個具有特殊意義的版本。它可以算得上是最為復雜的單機操作係統，無論是從代碼規模、代碼復雜度，還是從係統適應場景的復雜程度，都超過瞭以前所有的版本。從某種意義上，Windows 7代錶瞭軟件工程的一個頂峰――人類可以構造齣如此復雜且能穩定工作的軟件係統！與此相對應，要用一本書來涵蓋其中的各種機理也同樣是一項艱巨的任務，本書作者基於他們過去所做的大量工作，以及對Windows的深入理解，齣色地完成瞭這一詮釋工作。
本書的權威性毋庸置疑。Mark Russinovich因在Windows內核探索方麵所作齣的貢獻而成為Microsoft Fellow（現為Azure CTO），本書中用到的大量Sysinternals工具均齣自他的手筆。David Solomon長期從事Windows NT內部機理的培訓，他不僅在全球各地培訓Windows係統程序員，甚至也為Microsoft的內部員工提供Windows內核培訓服務，他從本書第2版開始奠定瞭卓有成效的敘述風格。Alex Ionescu是一名年輕的黑客型Windows專傢，曾經為ReactOS（一個開源的操作係統項目，旨在兼容Windows 2000/XP/Server 2003的應用程序）編寫瞭絕大多數內核代碼。他曾經發現和報告瞭一些與Windows內核相關的軟件漏洞，也跟David Solomon一起講授Windows內部機理的課程。有如此強大的作者組閤，再加上Microsoft的內部支持（包括提供源代碼，以及Windows開發組的細緻解釋），本書無疑是Windows最新版本的第一手技術資料。
每一個對Windows操作係統有濃厚興趣的讀者都不應該錯過這本書。本書上冊介紹瞭Windows的係統架構、係統機製、管理機製、進程與綫程、安全性和網絡。下冊是上冊的直接延續，共有7章，分彆介紹瞭Windows I/O、存儲管理、內存管理、緩存管理器、文件係統、啓動與停機，以及崩潰轉儲分析。每一章都是一個重要話題，讀者既可以在上冊的基礎上繼續深入鑽研Windows各個子係統，也可以有選擇地閱讀某些章節。在閱讀過程中，最好能動手做一做書中描述的實驗。做這些實驗的門檻並不高，但效果非常好，既可以讓你直觀地領會Windows內部的一些設計與實現，也可以積纍一些洞察Windows內部活動的方法，這些方法對於排查Windows平颱上齣現的問題往往很有幫助。
我與本書的淵源是從第4版（針對Windows XP/Server 2003）開始的，後來第5版（針對Windows Vista/Server 2008）錯過瞭齣版周期，直至這次第6版又有機會翻譯。這三個版本，連同後來的第7版（針對Windows 10/Server 2016）都采用同樣的敘述框架，隻是針對最新的Windows版本做瞭更新。本書講述的內容，雖然是針對Windows 7/Server 2008 R2，但更新幅度較大，尤其是有關64位係統的介紹，有較多新內容。即使讀者已經在Windows 8或者Windows 10上工作，本書中的內容仍然對你有價值。另外，如果讀者不滿足於本書Windows係統機理的係列介紹，而希望進一步理解Windows操作係統的源代碼實現以及內核中的各種基礎算法，則推薦閱讀另一本書《Windows內核原理與實現》，這是我在Windows XP/Server 2003 SP1內核代碼基礎上寫作的一本講解Windows內核的書，它幾乎將Windows內核大白於天下。
最後，我要特彆感謝範德成先生，他在我第4版譯稿的基礎上，更新到瞭第6版。也要感謝電子工業齣版社的編輯劉皎，依然把第6版的翻譯工作交給瞭我，使我有機會彌補第5版中文版未能齣版之缺憾。

潘愛民
2018年1月於杭州
譯者序二


微軟的Windows操作係統曆經三十年左右的發展，早已成為一個博大精深的桌麵及服務器操作係統，並在市場上獲得瞭很大的成功。但近十年來，以亞馬遜、榖歌、Facebook等為代錶的互聯網企業在市場和技術兩方麵開疆拓土，極大地推動瞭移動設備、雲計算、大數據和人工智能等行業的發展，顯著影響瞭包括微軟在內的各大傳統軟件巨頭的發展態勢。繼2006年亞馬遜提齣雲計算之後，微軟於2008年首度公開Azure虛擬機雲平颱，SAP也在2012年公開其應用程序雲平颱。盡管各種新的技術不斷湧現，但本書的定位焦點仍然在Windows操作係統本身，在我看來，這本書的價值依然很高，因為技術的本源有共通性，Windows操作係統又可謂是微軟技術的中流砥柱――微軟的Azure雲平颱的操作係統就是基於Windows開發的，其上運行的虛擬機管理器正是最早在Windows Server 2008中發布的Hyper-V。
如果你對Windows操作係統有著濃厚的興趣，自然不應該錯過本書。如果你是分布式係統架構師，也同樣能從本書中受益。這是因為，分布式係統和操作係統在許多方麵都有著或多或少的相似性，對操作係統設計原理的掌握自然會對分布式係統的設計有重大啓發和幫助。比如，操作係統的綫程調度和分布式係統的負載均衡、操作係統的磁盤緩存和分布式係統的緩存設計、操作係統的文件係統和分布式係統的文件係統、虛擬機管理器的VLAN和分布式係統的軟件定義網絡（SDN）、操作係統的性能監視器與分布式係統服務器的性能監視平颱等之間都有不少相似性。
以事務處理為例，Windows Vista中引入瞭KTM（內核事務管理器，參見本書第12章），它所實現的事務的隔離級彆類似於數據庫的READ COMMITTED級彆，是一種幾乎所有SQL數據庫都會實現的隔離級彆；而分布式係統中的Paxos共識算法所能實現的分布式事務，其隔離級彆也類似於READ COMMITTED。又以磁盤緩存為例（參見本書第11章），操作係統的磁盤緩存是強一緻性的，而分布式係統緩存可以做成應用服務器內的，或者是專門的緩存層，前一種實現對負載均衡調度有特殊要求，而普通的負載均衡會大大降低緩存命中率從而導緻係統性能低下，後一種實現則在網絡延遲上稍差些。兩種實現都要考慮是做成強一緻性的還是最終一緻性的，前者需要在寫的同時更新緩存，後者則需要自動淘汰舊的緩存數據。緩存的粒度也很重要，粒度過小可能導緻索引數據量過大，這和操作係統磁盤緩存的原理是類似的。所以，理解操作係統的知識能拓展眼界，進而對基於這些係統的設計産生正麵影響。
此外，理解操作係統的行為有助於設計性能更高的分布式程序。比如，瞭解操作係統磁盤緩存的原理，有助於設計齣高性能的對象存儲服務――可以想辦法提高對象存儲在操作係統上的緩存命中率，或者在必要時禁用操作係統緩存而改為自己實現緩存機製。又如，瞭解操作係統網絡棧的工作模式，有助於編寫做高速網絡傳輸的程序，甚至可以深入驅動程序層麵做進一步的性能優化。
我是Windows操作係統的深度用戶，學習和研究瞭包括Windows、Linux、FreeBSD、OpenBSD在內的多種操作係統。從1995年首次接觸Windows 3．1開始，就與Windows結下瞭不解之緣。陸續使用過Windows 3．1、Windows 95、Windows 98、Windows ME、Windows NT 4．0、Windows 2000、Windows XP、Windows Vista、Windows 7、Windows 8、Windows 8．1和Windows 10等各個版本，還接觸過Windows Server 2000、Windows Server 2003、Windows Server 2008、Windows Server 2008 R2等服務器版本，以及其上的Microsoft Virtual PC、Virtual Server和Hyper-V虛擬化技術。我會好奇它們有著怎樣的功能和性能，底層是怎樣工作的，為什麼這樣設計而不是那樣設計的；正是因為這種好奇，所以Windows Internals一直是我十分感興趣的一本書。在完成本書上冊的翻譯工作後，我寫瞭一篇後記（http：//www．fandecheng．com/personal/ interests/pwindows/wi_translation_ps．pdf裏麵講瞭很多個人的理解和感悟）。2012年，當好友高博打電話告訴我有機會參與《深入解析Windows操作係統》第6版的翻譯時，我非常欣喜。在高博的引薦下，我首次見到瞭仰慕已久的潘愛民老師。因此我非常感謝高博的引薦和潘愛民老師的認可，感謝電子工業齣版社的劉皎和白濤兩位編輯，本書的齣版離不開他們的策劃和編輯。

範德成
2018年1月於上海浦東張江

引言


《深入解析Windows操作係統（第6版）》的讀者對象是那些想要理解Microsoft Windows 7和Windows Server 2008 R2操作係統的核心組件內部工作機理的高級計算機專業人員（包括開發人員和係統管理員）。開發人員利用這些知識，可以在構建Windows平颱上的應用程序時更好地理解各種設計決策背後的基本原理，調試復雜的問題。係統管理員也可以從這些信息中獲益，因為理解瞭操作係統背後的工作原理，有助於理解係統的性能行為，並且在事情變糟時更容易診斷各種係統問題。在閱讀瞭這本書以後，你應該可以更好地理解Windows是如何工作的，以及它為什麼有這樣那樣的錶現。
本書的結構
《深入解析Windows操作係統（第6版）》第一次被分成瞭上下冊來齣版。為Windows的每一個版本更新這本書需要花相當多的時間，所以，按照上下冊來組織本書內容使我們可以更快地齣版上冊部分。
本書上冊的前兩章為“概念和工具”和“係統結構”：第1章定義瞭關鍵的概念，並介紹瞭本書後麵用到的工具；第2章講述瞭總體係統結構和組件。接下來的兩章展示瞭係統中關鍵的底層機製和管理機製。上冊部分還覆蓋瞭操作係統的三個核心組件：進程、綫程和作業；安全性；網絡。
本書下冊的內容覆蓋瞭剩餘的核心子係統：I/O、存儲、內存管理、緩存管理器和文件係統。下冊最後部分還描述瞭啓動和停機過程，並介紹瞭崩潰轉儲分析。
本書的曆史
本書以前的名稱是“Inside Windows NT”（Microsoft Press，1992，中文版的名稱是《Windows NT技術內幕》），現在是第6版。第1版由Helen Custer撰寫（在Microsoft Windows NT 3．1最初發布之前齣版）。Inside Windows NT是第一本關於Windows NT的書籍，它提供瞭有關Windows NT係統架構和設計方麵的關鍵要點。Inside Windows NT (Second Edition)（Microsoft Press， 1998）由David Solomon撰寫，在內容上做瞭更新，涵蓋瞭Windows NT 4．0，並且大大地提高瞭技術深度的層次。
“Inside Windows 2000 (Third Edition)”（Microsoft Press，2000）由David Solomon和Mark Russinovich閤著完成。第3版增加瞭許多新的話題，比如啓動和停機、Windows服務的內部機理、注冊錶的內部機理、文件係統驅動程序、網絡。它也覆蓋瞭Windows 2000中內核的變化，比如Windows驅動程序模型（WDM，Windows Driver Model）、即插即用、電源管理、Windows管理設施（WMI，Windows Management Instrumentation）、加密、作業對象和終端服務。Windows Internals (Fourth Edition)是針對Windows XP和Windows Server 2003的更新，它加入瞭更多的內容，主要集中在幫助IT專業人員更好地利用Windows的內部機理的知識，比如使用Windows Sysinternals （www．microsoft．com/technet/sysinternals）的關鍵工具，以及分析崩潰轉儲。Windows Internals (Fifth Edition)是針對Windows Vista和Windows Server 2008的更新，它包含的新內容有：映像加載器、用戶模式調試設施，以及Hyper-V。
第6版的變化
這一最新的版本在內容上做瞭更新，以覆蓋Windows 7和Windows Server 2008 R2中所做的內核變化。練習用的實驗也相應地做瞭更新，以反映齣工具中的變化。
練習實驗
即使沒有訪問Windows源代碼，你也可以通過一些工具（比如內核調試器，以及來自Sysinternals和Winsider Seminars ＆ Solutions的工具）獲得許多有關Windows內部機理的知識。當可以通過一個工具來揭示或演示Windows內部行為的某一方麵時，本書的“實驗”輔助章節就會列齣讓你自己試用該工具時遵從的步驟。這樣的實驗遍布全書，我們鼓勵你在閱讀本書時試一試這些實驗――看一看Windows內部是如何工作的，這比你僅僅讀一遍本書印象要深刻得多。
本書沒有覆蓋的話題
Windows是一個大而復雜的操作係統。本書並沒有覆蓋與Windows內部機理相關的一切內容，而是把焦點集中在基本的係統組件上。例如，本書沒有講述COM+（Windows分布式麵嚮對象編程基礎設施），也沒有講述Microsoft ．NET框架（托管代碼應用程序的基礎）。
因為這是一本講述內部機理的書籍，不是一本用戶指南、程序設計或係統管理類型的書籍，所以，本書沒有描述如何使用、編程或配置Windows。
提醒和告誡
因為本書講述的是Windows操作係統中未文檔化的內部結構和內部操作的行為（比如內核結構和函數），所以，這些內容有可能會在不同發行版本之間有所變化。（外部的接口，比如Windows API，則不會受到不兼容變化的影響。）
說到“受版本變化的影響”，我們並不是指本書所講述的細節將在不同發行版本之間一定有所變化，但是你不能認為它們不會改變。任何使用瞭這些未文檔化接口的軟件都有可能在將來的Windows版本上無法正常工作。更糟的是，在內核模式下運行並且用到瞭這些未文檔化接口的軟件（比如設備驅動程序）在新的Windows發行版本上運行時可能會導緻係統崩潰。
緻謝
首先，感謝Azius LLC的Jamie Hanrahan和BrianCatlin加入這一項目――沒有他們的幫助，本書將無法完成。他們對“安全性”和“網絡”這兩章做瞭大量的更新，也為“管理機製”和“進程和綫程”這兩章的更新做齣瞭很多貢獻。Azius提供瞭Windows內部機理和設備驅動程序的訓練。更多信息參見www．azius．com。
我們想要感謝Alex Ionescu，在這一版本中他是一名完全的聯閤作者。這包含瞭Alex在本書第5版所做的大量工作，以及在這一版本中持續做的工作。
同時感謝Daniel Pearson，他更新瞭“崩潰轉儲分析”一章。他多年來的轉儲分析經驗，使得本章內容更加貼近真實場景。
感謝Eric Traut和Jon DeVaan，繼續讓David Solomon可以為瞭寫作本書而訪問Windows源代碼，以及繼續開發他的Windows Internals課程。
有三個關鍵的評審者尚未因為他們對第5版的評審和貢獻而被緻以感謝，他們是：Arun Kishan、Landy Wang和Aaron Margosis。再次感謝他們！再次感謝Arun和Landy為這一版本所做的詳細審查和極有幫助的見地。
若沒有來自Microsoft Windows開發組關鍵成員的審查、建議和支持，這本書不會擁有現在這樣的技術細節深度和精確度。因此，我們感謝下麵的人員，他們為本書提供瞭技術審查和建議：Greg Cottingham、Joe Hamburg、Jeff Lambert、Pavel Lebedinsky、Joseph East、Adi Oltean、Alexey Pakhunov、Valerie See。
同時感謝Scott Lee、Tim Shoultz和Eric Kratzer在編寫“崩潰轉儲分析”這章時所提供的協助。
對於“網絡”這一章，特彆感謝Gianluigi Nusca和Tom Jolly，他們所做的遠遠超齣瞭他們的責任範圍：Gianluigi在BranchCache的材料方麵提供瞭特彆有用的幫助，以及大量的建議（他還寫瞭許多段落材料）；Tom Jolly不僅提供瞭優秀的審查意見和建議，而且讓許多其他的開發人員幫忙做技術審查。下麵是所有對“網絡”這一章做瞭審查和貢獻的人員：Roopesh Battepati、Molly Brown、Greg Cottingham、Dotan Elharrar、Eric Hanson、Tom Jolly、Manoj Kadam、Greg Kramer、David Kruse、Jeff Lambert、Darene Lewis、Dan Lovinger、Gianluigi Nusca、Amos Ortal、Ivan Pashov、Ganesh Prasad、Paul Swan、Shiva Kumar Thangapandi。
Amos Ortal和Dotan Elharrar對NAP的內容提供瞭幫助，Shiva Kumar Thangapandi對EAP部分提供瞭大量幫助。
感謝Gerard Murphy為本書審閱Windows 7停機機製的內容，並清楚地解釋瞭不同組策略下的行為。
感謝Microsoft電源管理組的Tristan Brown，有好幾天他在辦公室陪Alex一起加班到深夜，仔細解釋處理器核心的停運算法和行為。他還提供瞭一幅珍貴的插圖。
感謝Apurva Doshi給Alex發瞭一份詳細解釋瞭緩存管理器在Windows 7中改變的文檔，本書中所介紹的一些新的行為和改變正是由於該文檔的幫助纔研究清楚的。
感謝Matthieu Suiche，是他提供的內核符號文件數據庫讓Alex能發現最核心的內核數據結構中新增和去除的字段，並由此引發瞭他對底層功能變化的探索和發現。
感謝Cenk Ergan、Michael Fortin和Mehmet Iyigun對Superfetch細節部分的審查和建議。
Christophe Nasarre作為總體技術評審人，他所做的詳細檢查極大地提高瞭本書的技術精確度和一緻性。
我們也要再次感謝Hex-Rays（www．hex-rays．com）的Ilfak Guilfanov，因為他們為Alex Ionescu提供瞭IDA Pro Advanced and Hex Rays許可，所以Alex可以加快對Windows內核的逆嚮工程。
最後，作者們要感謝Microsoft Press的同事們，他們在背後做瞭很多工作，將這本書變成現實。Devon Musgrave作為本書的策劃編輯，承擔瞭雙重職責：既要考慮成本，也要考慮本書的發展；Carol Dillingham是本書的項目編輯。編輯和産品經理Steve Sagman、版權編輯Roger LeBanc、校對編輯Audrey Marr和索引編輯Christina Yeager都為本書的質量做齣瞭貢獻。
最後，感謝Microsoft Press的發行人Ben Ryan，他始終相信為讀者提供如此詳細程度的Windows知識是極其重要的！
勘誤和本書支持
我們做瞭各種努力來確保本書的精確性。自本書齣版以來已經報告的任何錯誤都將在http：//go．microsoft．com/FWLink/?Linkid=245675上列齣。
如果你遇到瞭尚未列齣的錯誤，你可以通過以上頁麵將錯誤報告給我們。
如果你需要額外的支持，請發送電子郵件給Microsoft Press Book Support：mspinput@microsoft．com。
請注意，通過上述地址並不會提供有關Microsoft軟件産品的支持。
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Contents
目錄


第8章 I/O係統 1
8．1 I/O係統組件 1
I/O管理器 3
典型的I/O處理過程 4
8．2 設備驅動程序 5
設備驅動程序的類型 5
WDM驅動程序 6
分層的驅動程序 7
實驗：查看已加載的驅動程序列錶 9
驅動程序的結構 11
驅動程序對象和設備對象 13
實驗：看一看設備對象 15
實驗：顯示驅動程序和設備對象 17
打開設備 18
實驗：查看設備句柄 21
實驗：查看Windows設備名稱之間的映射 23
8．3 I/O處理 24
I/O類型 24
同步I/O和異步I/O 24
快速I/O 25
實驗：查看一個驅動程序登記的快速I/O例程 25
映射文件I/O和文件緩存 26
分散/聚集I/O 27
I/O請求包 27
IRP棧單元 28
實驗：查看驅動程序的分發例程 29
實驗：查看一個綫程的未完成IRP 29
IRP緩衝區管理 30
針對單層驅動程序的I/O請求 32
為一個中斷提供服務 33
完成一個I/O請求 34
同步 36
針對分層的驅動程序的I/O請求 38
實驗：查看一個設備棧 39
實驗：查看IRP 40
綫程無關I/O 45
I/O取消 45
用戶發起的I/O取消 46
綫程終止時的I/O取消 47
實驗：調試一個無法被殺死的進程 48
I/O完成端口 49
IoCompletion對象 50
使用完成端口 50
I/O完成端口操作 52
I/O優先級支持 54
I/O優先級 54
優先化策略 55
I/O優先級反轉的避免（I/O優先級繼承） 57
I/O優先級提升和撞升 57
實驗：“非常低”和“正常”I/O吞吐量的對比 58
實驗：I/O優先級提升/撞升的性能分析 59
帶寬預留（計劃的文件I/O） 60
容器通知 60
驅動程序檢驗器（Driver Verifier） 61
8．4 內核模式驅動程序框架（KMDF） 63
KMDF驅動程序的結構和操作 64
實驗：顯示KMDF驅動程序 65
KMDF數據模型 66
KMDF的I/O模型 69
8．5 用戶模式驅動程序框架（UMDF） 72
8．6 即插即用（PnP）管理器 76
即插即用支持的級彆 77
驅動程序對於即插即用的支持 77
驅動程序加載、初始化和安裝 79
Start值 80
設備列舉 81
實驗：將設備樹轉儲齣來 84
設備棧 85
設備棧的驅動程序加載 86
實驗：在設備管理器中查看詳細的devnode信息 88
驅動程序安裝 90
實驗：檢查一個驅動程序的INF文件 92
實驗：查看目錄（catalog）文件 93
8．7 電源管理器 94
電源管理器的操作 96
驅動程序的電源操作 97
實驗：查看一個驅動程序的電源映射關係 97
實驗：查看係統的電源能力和策略 98
驅動程序和應用程序對於設備電源的控製 100
電源可用性請求 100
實驗：在調試器中查看一個電源可用性請求 101
實驗：利用Powercfg查看電源可用性請求 103
處理器電源管理（PPM） 103
核心停運的策略 104
利用率函數 105
實驗：查看利用率和頻率的信息 106
實驗：查看利用率和頻率的曆史 107
算法覆蓋 108
增加/減少動作 108
各種閾值和策略的設置 109
實驗：查看當前的核心停運策略 111
“性能檢查”算法 112
實驗：查看當前的PPM檢查信息 116
8．8 本章總結 118
第9章 存儲管理 119
9．1 有關存儲的術語 119
9．2 磁盤設備 120
鏇轉磁盤 120
磁盤的扇區格式 120
固態硬盤 122
NAND型閃存 122
文件的刪除和irim命令 124
9．3 磁盤驅動程序 125
Winload 125
磁盤類、端口和小端口驅動程序 126
iSCSI驅動程序 127
多路徑I/O（MPIO）驅動程序 128
實驗：觀察物理磁盤I/O 130
磁盤設備對象 130
分區管理器 131
9．4 捲的管理 132
基本磁盤 133
MBR風格的分區 133
GPT（GUID分區錶）分區方案 133
基本磁盤捲管理器 134
動態磁盤 135
LDM數據庫 135
實驗：使用LDMDump來查看LDM數據庫 137
LDM和GPT或MBR風格的分區方案 139
動態磁盤的捲管理器 140
多分區捲的管理 140
跨距捲 141
條帶捲 142
實驗：觀察鏡像捲的I/O操作 143
RAID-5捲 145
捲名字空間 145
掛載管理器 146
掛載點 147
捲的掛載 148
實驗：查看VPB 149
捲的I/O操作 152
虛擬磁盤服務 153
9．5 虛擬硬盤（VHD文件）支持 155
附載VHD的操作 156
嵌套的文件係統 156
9．6 BitLocker驅動器加密 157
加密密鑰 159
可信平颱模塊（TPM） 161
BitLocker引導過程 163
BitLocker密鑰的恢復 165
全捲加密驅動程序 166
BitLocker的管理 167
BitLocker To Go 168
9．7 捲影像（shadow）拷貝服務 170
影像拷貝 170
“剋隆”影像拷貝 170
“寫時復製”影像拷貝 170
VSS的架構 170
VSS的操作 171
影像拷貝提供者 172
實驗：查看Microsoft影像拷貝提供者的過濾型設備對象 173
Windows中的用途 174
備份 174
實驗：查看影像捲的設備對象 174
“之前的版本”和係統還原 175
實驗：導航到“之前的版本” 176
實驗：映射捲影像設備對象 177
9．8 本章總結 178
第10章 內存管理 179
10．1 內存管理器簡介 179
內存管理器組件 180
內部同步 181
檢查內存的使用情況 182
實驗：查看係統內存信息 182
10．2 內存管理器提供的服務 184
大頁麵和小頁麵 185
保留頁麵和提交頁麵 187
實驗：保留的頁麵對比提交的頁麵 188
提交限額 190
鎖住內存 190
分配粒度 191
共享內存和映射文件 192
實驗：查看內存映射文件 193
保護內存 194
“不可執行”頁麵保護 196
實驗：查看進程上的DEP保護 199
軟件的數據執行保護 200
寫時復製 201
地址窗口擴展 203
10．3 內核模式堆（係統內存池） 204
內存池的大小 205
實驗：確定最大的池大小值 206
監視內存池的使用 208
實驗：診斷內存池泄漏 210
快查錶（Look-Aside List） 211
實驗：查看係統的快查錶 212
10．4 堆管理器 212
堆的類型 213
堆管理器結構 214
堆同步 215
低碎片堆 215
堆的安全特性 216
堆的調試特性 217
pageheap 218
容錯堆 218
10．5 虛擬地址空間的布局結構 219
x86地址空間的布局結構 221
實驗：檢查一個應用程序能否感知大地址空間 222
x86係統地址空間的布局結構 223
x86會話空間 224
實驗：查看會話 224
實驗：查看會話空間的使用情況 225
係統頁錶項（PTE，Page Table Entry） 226
實驗：查看會話空間的使用情況 226
64位地址空間布局結構 227
x64虛擬尋址的限製 230
Windows x64的16TB限製 231
動態的係統虛擬地址空間管理 233
實驗：查詢係統虛擬地址的用量 234
實驗：設置係統虛擬地址的限製值 235
係統的虛擬地址空間配額 236
用戶地址空間的布局結構 237
實驗：對用戶虛擬地址空間進行分析 238
映像隨機化 239
棧的隨機化 240
堆的隨機化 240
內核地址空間中的ASLR 240
對安全性緩和措施的控製 240
實驗：查看進程上的ASLR保護 241
10．6 地址轉譯 241
x86虛擬地址轉譯 242
頁目錄 245
實驗：檢查頁目錄和PDE 245
頁錶和頁錶項 246
頁錶項中硬件和軟件的“寫”位 247
頁麵內的字節 248
地址轉譯快查緩衝區 248
物理地址擴展（PAE） 249
實驗：轉譯地址 251
x64虛擬地址轉譯 253
IA64虛擬地址轉譯 254
10．7 頁麵錯誤處理 255
無效PTE 256
原型PTE 258
頁麵換入I/O 259
衝突的頁麵錯誤 260
聚簇的頁麵錯誤 260
頁麵文件 261
實驗：查看係統頁麵文件 262
提交用量和係統提交限額 263
提交用量和頁麵文件的大小 266
實驗：利用任務管理器來查看頁麵文件使用量 266
10．8 棧 268
用戶棧 268
實驗：創建最大數量的綫程 268
內核棧 269
實驗：觀察內核棧的使用量 269
DPC棧 270
10．9 虛擬地址描述符 270
進程的VAD 271
實驗：查看虛擬地址描述符 272
鏇轉VAD 272
10．10 NUMA 273
10．11 內存區對象 274
實驗：查看內存區對象 275
實驗：查看控製區域 277
10．12 驅動程序檢驗器 280
10．13 頁麵幀編號數據庫 284
實驗：查看PFN數據庫 287
頁麵列錶的動態變化 288
實驗：空閑列錶和零頁麵列錶 289
實驗：已修改列錶和備用列錶 291
頁麵優先級 296
實驗：觀察區分優先級的備用列錶 298
已修改頁麵寫齣器 299
PFN數據結構 301
實驗：查看PFN項 304
10．14 物理內存的限製 305
Windows客戶版本的限製 306
32位客戶的有效內存限製 307
10．15 工作集 309
按需換頁 309
邏輯預取器 310
實驗：窺探預取文件內部 312
實驗：觀察預取文件的讀和寫 312
放置策略 313
工作集管理 314
實驗：查看進程工作集大小 316
實驗：工作集與虛擬大小 316
實驗：在調試器中查看工作集列錶 317
平衡集管理器和交換器 318
係統工作集 319
內存通知事件 320
實驗：查看內存資源通知事件 321
10．16 主動式內存管理（Superfetch） 322
各個組件 322
跟蹤過程和日誌記錄 324
場景 325
頁麵優先級和重平衡 326
魯棒性能 328
RAM優化軟件 329
ReadyBoost 330
ReadyDrive 331
統一緩存 332
進程反射 334
實驗：利用Preflect來觀察進程反射的行為 336
10．17 本章總結 337
第11章 緩存管理器 338
11．1 緩存管理器的關鍵特性 338
單個中心化的係統緩存 339
內存管理器 339
緩存一緻性 339
虛擬塊緩存 341
流式緩存機製 341
對可恢復文件係統的支持 341
11．2 緩存的虛擬內存管理 342
11．3 緩存的大小 344
緩存的虛擬大小 344
緩存的工作集大小 344
實驗：查看係統緩存的工作集 345
緩存的物理大小 345
11．4 緩存的數據結構 347
係統範圍的緩存數據結構 347
實驗：查看係統緩存的工作集 349
針對每個文件的緩存數據結構 350
實驗：查看共享的和私有的緩存錶 353
11．5 文件係統接口 355
從緩存中來迴拷貝數據 356
通過映射和鎖定接口進行緩存 356
通過直接內存訪問接口進行緩存 357
11．6 快速I/O 357
11．7 預讀（Read Ahead）和滯後寫（Write Behind） 359
智能預讀 359
迴寫緩存（Write-Back Caching）和延遲寫（Lazy Writing） 361
實驗：觀察緩存管理器的活動情況 362
禁止一個文件的延遲寫齣行為 367
強迫緩存被直寫（write-through）到磁盤上 367
刷新映射文件 367
實驗：觀察緩存的刷新 368
寫節流（Write Throttling） 369
實驗：查看寫節流參數 370
係統綫程 370
11．8 本章總結 371
第12章 文件係統 372
12．1 Windows文件係統格式 373
CDFS 373
UDF 374
FAT12、FAT16和FAT32 374
exFAT 377
NTFS 377
12．2 文件係統驅動程序總體結構 378
本地FSD 379
遠程FSD 380
鎖定 381
實驗：查看已注冊文件係統的列錶 383
文件係統操作 387
顯式文件I/O 388
內存管理器的修改頁麵寫齣器和映射頁麵寫齣器 392
緩存管理器的延遲寫齣器（Lazy Writer） 392
緩存管理器的預讀綫程 392
內存管理器的頁麵錯誤處理器 393
文件係統過濾型驅動程序 393
進程監視器 393
實驗：查看進程監視器的過濾型驅動程序 394
12．3 診斷文件係統的問題 395
進程監視器的基本和高級模式 395
實驗：在一個空閑係統上查看文件係統的活動 395
進程監視器診斷技巧 396
12．4 公用日誌文件係統 397
列集操作 397
日誌的類型 398
日誌的布局結構 400
日誌序列號 401
日誌塊 401
所有者頁麵 402
虛擬LSN到物理LSN的轉譯 403
管理策略 404
12．5 NTFS設計目標和特性 404
高端（High-End）文件係統的需求 404
可恢復性 405
安全性 405
數據冗餘和容錯能力 405
NTFS的高級特性 406
多數據流 406
實驗：查看數據流 408
基於Unicode的名稱 408
通用的索引設施 409
動態的壞簇重新映射 409
硬鏈接（link）和交接（junction） 409
實驗：創建一個硬鏈接 410
符號（軟）鏈接和交接（junction） 410
實驗：創建一個符號鏈接 412
壓縮文件和稀疏文件 412
變化日誌 413
針對每個用戶的捲配額 413
鏈接跟蹤 414
加密 415
POSIX支持 416
碎片整理 416
動態分區 417
12．6 NTFS文件係統驅動程序 419
12．7 NTFS在磁盤上的結構 421
捲（volume） 421
簇（cluster） 422
主文件錶（MFT） 423
實驗：查看NTFS信息 425
文件記錄號 426
文件記錄 426
文件名 429
隧道傳輸 431
駐留的和非駐留的屬性 432
數據壓縮和稀疏文件 435
壓縮稀疏數據 435
壓縮非稀疏數據 437
稀疏文件 439
變化日誌文件 439
實驗：讀取變化日誌 441
索引 442
對象ID 444
配額跟蹤 444
統一的安全性 445
重解析點 447
事務支持 447
隔離性 448
實驗：理解和管理事務 449
事務型API 450
資源管理器 451
實驗：查詢資源管理器的信息 452
磁盤上的實現 453
日誌的實現 454
恢復的實現 455
12．8 NTFS的恢復支持 455
設計 456
元數據日誌記錄 457
日誌文件服務（LFS） 457
日誌記錄類型 459
恢復 461
分析掃描（Analysis Pass） 462
重做掃描（Redo Pass） 463
撤銷掃描（Undo Pass） 463
NTFS的壞簇恢復 465
自我修復 468
12．9 加密文件係統（EFS）安全性 469
第一次加密一個文件 472
加密文件數據 473
解密過程 474
加密文件的備份 474
實驗：查看EFS信息 475
加密文件的復製 475
12．10 本章總結 476
第13章 啓動和停機 477
13．1 引導過程 477
BIOS引導準備 477
BIOS引導扇區和Bootmgr 481
UEFI引導過程 495
從iSCSI引導 496
初始化內核和執行體子係統 497
實驗：加載器參數塊 497
Smss、Csrss和Wininit 504
未完成的文件重命名操作 507
ReadyBoot 509
自動啓動的映像文件 510
實驗：Autoruns 511
13．2 引導和啓動問題的故障檢查 511
最後已知的好配置 512
安全模式 512
安全模式下的驅動程序加載 513
能感知安全模式的用戶程序 514
安全模式下的引導日誌 515
Windows恢復環境（WinRE） 516
引導狀態文件 519
解決常見的引導問題 520
MBR損壞 520
引導扇區損壞 520
BCD的錯誤配置 520
係統文件損壞 521
Windows資源保護 522
System儲巢損壞 523
啓動屏幕之後的崩潰或者掛起 523
13．3 停機 525
實驗：驗證HungAppTimeout值 526
13．4 本章總結 528
第14章 崩潰轉儲分析 529
14．1 Windows為什麼會崩潰 529
14．2 藍屏 530
Windows崩潰的原因 531
14．3 診斷崩潰問題 533
14．4 崩潰轉儲文件 535
實驗：查看轉儲文件的信息 539
崩潰轉儲的生成 540
14．5 Windows錯誤報告 542
14．6 在綫崩潰分析 543
14．7 基本的崩潰轉儲分析 545
Notmyfault 545
基本的崩潰轉儲分析 546
詳細的分析 547
14．8 使用崩潰診斷工具 549
緩衝區溢齣、內存破壞和特殊內存池 550
實驗：通過驅動程序檢驗器啓用特殊內存池 552
代碼改寫和係統代碼寫保護 553
14．9 高級的崩潰轉儲分析 554
棧破壞 555
掛起的或無響應的係統 557
實驗：利用LiveKd來生成Hyper-V客戶的轉儲 559
當沒有崩潰轉儲時 561
實驗：附載一個內核調試器 562
14．10 對常見停止代碼的分析 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
實驗：藍屏屏幕保護程序 572
14．11 本章小結 572

前言/序言

譯者序一

在所有介紹Windows操作係統的圖書中，我相信都離不開Windows Internals係列提供的信息。除瞭公開可見到的Windows源代碼以外，本書是披露Windows係統機理最為詳盡的一份資料，尤其對於Windows的每一個最新版本。本書第6版專門針對Windows 7和Windows Server 2008 R2進行瞭大幅度更新。由於篇幅的增加，這一版本改成瞭上下兩冊來發行，由此也可見本書的“分量”。本書上冊中文版已於2014年4月齣版，這幾年間，我經常收到讀者的詢問，本書下冊是否齣版。現在，下冊中文版終於要齣版瞭，讀者們可以如願看到本書瞭。

在Windows操作係統的發展曆程中，Windows 7是一個具有特殊意義的版本。它可以算得上是最為復雜的單機操作係統，無論是從代碼規模、代碼復雜度，還是從係統適應場景的復雜程度，都超過瞭以前所有的版本。從某種意義上，Windows 7代錶瞭軟件工程的一個頂峰——人類可以構造齣如此復雜且能穩定工作的軟件係統！與此相對應，要用一本書來涵蓋其中的各種機理也同樣是一項艱巨的任務，本書作者基於他們過去所做的大量工作，以及對Windows的深入理解，齣色地完成瞭這一詮釋工作。

本書的權威性毋庸置疑。Mark Russinovich因在Windows內核探索方麵所作齣的貢獻而成為Microsoft Fellow（現為Azure CTO），本書中用到的大量Sysinternals工具均齣自他的手筆。David Solomon長期從事Windows NT內部機理的培訓，他不僅在全球各地培訓Windows係統程序員，甚至也為Microsoft的內部員工提供Windows內核培訓服務，他從本書第2版開始奠定瞭卓有成效的敘述風格。Alex Ionescu是一名年輕的黑客型Windows專傢，曾經為ReactOS（一個開源的操作係統項目，旨在兼容Windows 2000/XP/Server 2003的應用程序）編寫瞭絕大多數內核代碼。他曾經發現和報告瞭一些與Windows內核相關的軟件漏洞，也跟David Solomon一起講授Windows內部機理的課程。有如此強大的作者組閤，再加上Microsoft的內部支持（包括提供源代碼，以及Windows開發組的細緻解釋），本書無疑是Windows最新版本的第一手技術資料。

每一個對Windows操作係統有濃厚興趣的讀者都不應該錯過這本書。本書上冊介紹瞭Windows的係統架構、係統機製、管理機製、進程與綫程、安全性和網絡。下冊是上冊的直接延續，共有7章，分彆介紹瞭Windows I/O、存儲管理、內存管理、緩存管理器、文件係統、啓動與停機，以及崩潰轉儲分析。每一章都是一個重要話題，讀者既可以在上冊的基礎上繼續深入鑽研Windows各個子係統，也可以有選擇地閱讀某些章節。在閱讀過程中，最好能動手做一做書中描述的實驗。做這些實驗的門檻並不高，但效果非常好，既可以讓你直觀地領會Windows內部的一些設計與實現，也可以積纍一些洞察Windows內部活動的方法，這些方法對於排查Windows平颱上齣現的問題往往很有幫助。

我與本書的淵源是從第4版（針對Windows XP/Server 2003）開始的，後來第5版（針對Windows Vista/Server 2008）錯過瞭齣版周期，直至這次第6版又有機會翻譯。這三個版本，連同後來的第7版（針對Windows 10/Server 2016）都采用同樣的敘述框架，隻是針對最新的Windows版本做瞭更新。本書講述的內容，雖然是針對Windows 7/Server 2008 R2，但更新幅度較大，尤其是有關64位係統的介紹，有較多新內容。即使讀者已經在Windows 8或者Windows 10上工作，本書中的內容仍然對你有價值。另外，如果讀者不滿足於本書Windows係統機理的係列介紹，而希望進一步理解Windows操作係統的源代碼實現以及內核中的各種基礎算法，則推薦閱讀另一本書《Windows內核原理與實現》，這是我在Windows XP/Server 2003 SP1內核代碼基礎上寫作的一本講解Windows內核的書，它幾乎將Windows內核大白於天下。

最後，我要特彆感謝範德成先生，他在我第4版譯稿的基礎上，更新到瞭第6版。也要感謝電子工業齣版社的編輯劉皎，依然把第6版的翻譯工作交給瞭我，使我有機會彌補第5版中文版未能齣版之缺憾。

潘愛民

2018年1月於杭州

譯者序二

微軟的Windows操作係統曆經三十年左右的發展，早已成為一個博大精深的桌麵及服務器操作係統，並在市場上獲得瞭很大的成功。但近十年來，以亞馬遜、榖歌、Facebook等為代錶的互聯網企業在市場和技術兩方麵開疆拓土，極大地推動瞭移動設備、雲計算、大數據和人工智能等行業的發展，顯著影響瞭包括微軟在內的各大傳統軟件巨頭的發展態勢。繼2006年亞馬遜提齣雲計算之後，微軟於2008年首度公開Azure虛擬機雲平颱，SAP也在2012年公開其應用程序雲平颱。盡管各種新的技術不斷湧現，但本書的定位焦點仍然在Windows操作係統本身，在我看來，這本書的價值依然很高，因為技術的本源有共通性，Windows操作係統又可謂是微軟技術的中流砥柱——微軟的Azure雲平颱的操作係統就是基於Windows開發的，其上運行的虛擬機管理器正是最早在Windows Server 2008中發布的Hyper-V。

如果你對Windows操作係統有著濃厚的興趣，自然不應該錯過本書。如果你是分布式係統架構師，也同樣能從本書中受益。這是因為，分布式係統和操作係統在許多方麵都有著或多或少的相似性，對操作係統設計原理的掌握自然會對分布式係統的設計有重大啓發和幫助。比如，操作係統的綫程調度和分布式係統的負載均衡、操作係統的磁盤緩存和分布式係統的緩存設計、操作係統的文件係統和分布式係統的文件係統、虛擬機管理器的VLAN和分布式係統的軟件定義網絡（SDN）、操作係統的性能監視器與分布式係統服務器的性能監視平颱等之間都有不少相似性。

以事務處理為例，Windows Vista中引入瞭KTM（內核事務管理器，參見本書第12章），它所實現的事務的隔離級彆類似於數據庫的READ COMMITTED級彆，是一種幾乎所有SQL數據庫都會實現的隔離級彆；而分布式係統中的Paxos共識算法所能實現的分布式事務，其隔離級彆也類似於READ COMMITTED。又以磁盤緩存為例（參見本書第11章），操作係統的磁盤緩存是強一緻性的，而分布式係統緩存可以做成應用服務器內的，或者是專門的緩存層，前一種實現對負載均衡調度有特殊要求，而普通的負載均衡會大大降低緩存命中率從而導緻係統性能低下，後一種實現則在網絡延遲上稍差些。兩種實現都要考慮是做成強一緻性的還是最終一緻性的，前者需要在寫的同時更新緩存，後者則需要自動淘汰舊的緩存數據。緩存的粒度也很重要，粒度過小可能導緻索引數據量過大，這和操作係統磁盤緩存的原理是類似的。所以，理解操作係統的知識能拓展眼界，進而對基於這些係統的設計産生正麵影響。

此外，理解操作係統的行為有助於設計性能更高的分布式程序。比如，瞭解操作係統磁盤緩存的原理，有助於設計齣高性能的對象存儲服務——可以想辦法提高對象存儲在操作係統上的緩存命中率，或者在必要時禁用操作係統緩存而改為自己實現緩存機製。又如，瞭解操作係統網絡棧的工作模式，有助於編寫做高速網絡傳輸的程序，甚至可以深入驅動程序層麵做進一步的性能優化。

我是Windows操作係統的深度用戶，學習和研究瞭包括Windows、Linux、FreeBSD、OpenBSD在內的多種操作係統。從1995年首次接觸Windows 3.1開始，就與Windows結下瞭不解之緣。陸續使用過Windows 3.1、Windows 95、Windows 98、Windows ME、Windows NT 4.0、Windows 2000、Windows XP、Windows Vista、Windows 7、Windows 8、Windows 8.1和Windows 10等各個版本，還接觸過Windows Server 2000、Windows Server 2003、Windows Server 2008、Windows Server 2008 R2等服務器版本，以及其上的Microsoft Virtual PC、Virtual Server和Hyper-V虛擬化技術。我會好奇它們有著怎樣的功能和性能，底層是怎樣工作的，為什麼這樣設計而不是那樣設計的；正是因為這種好奇，所以Windows Internals一直是我十分感興趣的一本書。在完成本書上冊的翻譯工作後，我寫瞭一篇後記（http://www.fandecheng.com/personal/ interests/pwindows/wi_translation_ps.pdf裏麵講瞭很多個人的理解和感悟）。2012年，當好友高博打電話告訴我有機會參與《深入解析Windows操作係統》第6版的翻譯時，我非常欣喜。在高博的引薦下，我首次見到瞭仰慕已久的潘愛民老師。因此我非常感謝高博的引薦和潘愛民老師的認可，感謝電子工業齣版社的劉皎和白濤兩位編輯，本書的齣版離不開他們的策劃和編輯。

範德成

2018年1月於上海浦東張江

引言

《深入解析Windows操作係統（第6版）》的讀者對象是那些想要理解Microsoft Windows 7和Windows Server 2008 R2操作係統的核心組件內部工作機理的高級計算機專業人員（包括開發人員和係統管理員）。開發人員利用這些知識，可以在構建Windows平颱上的應用程序時更好地理解各種設計決策背後的基本原理，調試復雜的問題。係統管理員也可以從這些信息中獲益，因為理解瞭

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