Windows 内核设计思想

出版者:电子工业出版社

作者:陈树宝

出品人:博文视点

页数:636

出版时间:2015-3

价格:108.00

isbn号码:9787121253140

具体描述

《Windows 内核设计思想》主要讲述Windows 内核的设计过程，从最底层的细节使用源码一步一步分析，结合Bochs 和WinDbg 调试器进行验证。《Windows 内核设计思想》提供全部源代码和能直接编译的项目工程，集理论、架构、编码、运行和调试于一体进行讲述，从多种角度呈现内核构架的基本流程。《Windows 内核设计思想》主要包括了Windows 内核加载器（ntldr）的分析，Windows 内核调试组件的设计，实现结构化异常处理的支持，并对内存管理和对象管理进行了精心讲解，同时对基于IRP 请求包的I/O 系统进行了论述，并且介绍了如何设计文件系统，最后简单讲解了进程和线程的一些基本知识。

《Windows 内核设计思想》适合希望深入了解Windows 内核框架的程序员及对此感兴趣的读者阅读。

目录信息

推荐序 1
推荐序 2
序言
前言
第 1 章 搭建开发和调试环境
1.1 编译环境
1.2 使用 Bochs 运行 ntos.img
1.3 使用 VMware 运行 ntos.vmdk
1.4 模拟调试运行
1.5 编程思想（等差数列求和）
1.6 函数调用约定
1.7 模块扩展约定
1.8 本章总结
第 2 章 Windows 内核加载器（SU）
2.1 主引导记录（MBR）
2.2 系统分区（Partition1）
2.3 SU 模块（startup.com）
2.3.1 原版 Windows Server 2003 系统 NTLDR startup.com 基本分析
2.3.2 根据原理重新构建新的 startup.com
2.4 检测物理内存
2.5 开启 A20 地址线
2.6 重新定位 GDT 和 IDT
2.7 保护模式
2.7.1 段描述符（Segment Descriptor）
2.7.2 特权级（privilege level）
2.7.3 段描述符表（segment descriptor table）
2.7.4 开启保护模式
2.8 加载 Loader 模块
2.9 转移控制权
2.10 导出函数
2.10.1 读写扇区
2.10.2 获取物理内存块
2.10.3 检测硬件
2.11 本章总结
第 3 章 Windows 内核调试设计
3.1 初始化调试系统
3.2 初始化模拟调试
3.3 初始化内核调试
3.3.1 中断和异常向量表
3.3.2 注册异常处理例程
3.3.3 基于栈框架的异常处理程序
3.3.4 除零错误（#DE）
3.3.5 单步异常（#DB）
3.3.6 断点异常（#BP）
3.3.7 一般保护性错误（#GP）
3.3.8 页面错误（#PF）
3.3.9 调试器服务（debugger service）
3.4 分发异常
3.5 内核调试分发
3.5.1 打印字符串
3.5.2 加载/卸载符号
3.5.3 报告异常
3.6 内核调试引擎核心
3.6.1 获取系统版本
3.6.2 获取/设置机器信息
3.6.3 读/写虚拟内存
3.6.4 设置/恢复断点
3.7 调试通信协议
3.7.1 串行端口
3.7.2 COM 寄存器
3.7.3 波特率
3.7.4 端口初始化
3.7.5 通信协议
3.7.6 读端口
3.7.7 写端口
3.7.8 调试包
3.7.9 接收调试包（KdReceivePacket）
3.7.10 发送调试包（KdSendPacket）
3.8 本章总结
第 4 章 Windows 内核加载器（Loader）
4.1 NtProcessStartup
4.2 PcMachInit
4.3 初始化内存管理器
4.3.1 内存描述符表
4.3.2 页面查找表
4.3.3 初始化堆
4.4 分页机制
4.4.1 页帧号（PFN）
4.4.2 页目录和页表
4.4.3 开启分页机制
4.4.4 虚拟地址转译物理地址
4.4.5 修改页目录和页表位置
4.5 Loader 读/写支持
4.5.1 ARC 接口标准
4.5.2 虚拟磁盘驱动（RamDisk）
4.5.3 磁盘驱动（Hwdisk）
4.5.4 文件系统驱动（Ldfs）
4.6 加载器参数块
4.7 加载和启动内核
4.7.1 收集硬件信息
4.7.2 本地语言支持（NLS）
4.7.3 加载模块
4.7.4 内存描述符链表
4.7.5 处理器控制域（PCR）和任务状态段（TSS）
4.8 本章总结
第 5 章 结构化异常处理
5.1 异常触发
5.2 分发异常（RtlDispatchException）
5.3 异常处理（_except_handler3）
5.4 全局展开（__global_unwind2）
5.5 局部展开（__local_unwind2）
5.6 冒泡排序（BubbleSort）
5.7 本章总结
第 6 章 内存管理
6.1 物理内存管理概述
6.2 虚拟地址空间布局
6.3 初始化内存系统（MmArmInitSystem）
6.4 初始化机器相关（MiInitMachineDependent）
6.5 初始化非分页池（MiInitializeNonPagedPool）
6.6 初始化系统 PTE（MiInitializeSystemPtes）
6.7 映射页帧数据库（MiMapPfnDatabase）
6.8 初始化颜色表（MiInitializeColorTables）
6.9 初始化页帧号数据库（MiInitializePfnDatabase）
6.9.1 从页面建立页帧号数据库（MiBuildPfnDatabaseFromPages）
6.9.2 从加载块物理内存链表建立页帧号数据库（MiBuildPfnDatabaseFromLoad-
erBlock）
6.10 初始化池（InitializePool）
6.11 分配池页面（MiAllocatePoolPages）
6.11.1 非分页池分配
6.11.2 分页池分配
6.11.3 分页池页面错误处理
6.12 释放池页（MiFreePoolPages）
6.12.1 释放分页池
6.12.2 释放非分页池
6.13 建立分页池（MiBuildPagedPool）
6.14 分配池内存（ExAllocatePoolWithTag）
6.15 释放池内存（ExFreePoolWithTag）
6.16 初始化系统空间映射（MiInitializeSystemSpaceMap）
6.17 本章总结
第 7 章 对象管理
7.1 对象概述
7.1.1 对象整体结构
7.1.2 对象头（object header）
7.1.3 对象类型（object type）
7.1.4 对象类型例程模板（object type procedure template）
7.2 分配对象内存空间（ObpAllocateObject）
7.3 释放对象内存空间（ObpDeallocateObject）
7.4 初始化对象系统（ObInitSystem）
7.5 创建句柄表（ExCreateHandleTable）
7.6 创建对象类型（ObCreateObjectType）
7.7 创建目录对象（NtCreateDirectoryObject）
7.8 创建对象（ObCreateObject）
7.9 插入对象（ObInsertObject）
7.10 查找对象名（ObpLookupObjectName）
7.11 查找目录项（ObpLookupEntryDirectory）
7.12 创建无名句柄（ObpCreateUnnamedHandle）
7.13 分配句柄表项（ExpAllocateHandleTableEntry）
7.14 解析符号链接（ObpParseSymbolicLink）
7.15 Section 和 Segment
7.15.1 Prototype PTE 页面异常处理
7.15.2 Section 映射到系统进程
7.15.3 VAD 页面错误处理
7.16 本章总结
第 8 章 I/O 系统
8.1 初始化 I/O 系统（IoInitSystem）
8.2 创建驱动对象（IopCreateDriver）
8.3 创建设备对象（IoCreateDevice）
8.4 分配 I/O 请求包（IoAllocateIrp）
8.5 传递 I/O 请求包（IoCallDriver）
8.6 释放 I/O 请求包（IoFreeIrp）
8.7 解析设备（IopParseDevice）
8.8 磁盘读/写支持
8.9 本章总结
第 9 章 文件系统设计
9.1 文件系统初始化（DriverEntry）
9.2 挂载卷（NtfsMountVolume）
9.2.1 识别文件系统格式
9.2.2 文件控制块（FCB）
9.2.3 上下文控制块（CCB）
9.2.4 创建流文件对象（IoCreateStreamFileObject）
9.2.5 初始化缓存映射（CcInitializeCacheMap）
9.3 打开文件（NtfsOpenFile）
9.4 读文件（NtfsReadFile）
9.5 关闭文件（NtfsCloseFile）
9.6 发起卷挂载请求
9.7 加载 NTDLL
9.7.1 打开 NTDLL
9.7.2 检查 NTDLL 映像（MmCheckSystemImage）
9.7.3 创建 NTDLL Section
9.7.4 映射 NTDLL Section 到当前进程空间
9.7.5 获取用户进入点
9.8 本章总结
第 10 章 进程和线程
10.1 进程和线程初始化
10.1.1 初始化进程
10.1.2 初始化线程
10.1.3 初始化线程上下文
10.1.4 初始化进程系统（PspInitPhase0）
10.2 线程优先级（priority）
10.3 线程状态（thread state）
10.4 线程调度（thread dispatch）
10.5 分配进程虚拟内存（NtAllocateVirtualMemory）
10.6 创建用户进程（smss.exe）
10.7 本章总结
附录 A PE 格式
· · · · · · (收起)

用户评价

我是一位有多年Windows开发经验的工程师，一直以来，我对于Windows操作系统背后那些“看不见”的运作机制充满了好奇，尤其是在处理一些疑难杂症时，常常会因为对内核理解的不足而感到束手无策。这本书《Windows 内核设计思想》的出现，对于我来说，无疑是一份期待已久的礼物。我希望这本书能够详细地剖析Windows内核的各个关键组件，并不仅仅停留在API的介绍，而是深入到其设计哲学和实现逻辑。例如，在进程和线程的管理方面，我希望能了解其调度算法是如何工作的，如何实现多任务并发，以及线程间的同步和通信机制的底层原理。内存管理是另一个我非常感兴趣的领域，我期待书中能详细阐述Windows如何管理物理内存和虚拟内存，包括页式内存管理、内存映射文件、内存泄漏的检测和预防等方面。此外，系统调用的实现、中断和异常的处理、设备驱动程序的工作原理，以及Windows的网络协议栈的设计，都是我希望能够从这本书中获得深入理解的部分。我更希望这本书能够提供一些实际的案例分析，通过分析一些经典的性能问题或安全漏洞，来印证书中讲解的内核设计思想，从而加深读者的理解。我坚信，通过研读这本书，我能够更透彻地理解Windows操作系统的运行逻辑，从而在开发过程中，能够做出更明智的设计决策，写出更具性能和稳定性的应用程序，并能够更有效地排查和解决系统层面的问题。

我一直对操作系统底层运作的原理有着浓厚的兴趣，尤其是Windows这样的巨头，其内部的设计思想究竟是怎样的，更是让我好奇不已。《Windows 内核设计思想》这本书的标题，直接点燃了我内心的求知欲。我希望这本书能够系统性地介绍Windows内核的整体架构，从宏观上勾勒出整个系统的蓝图。更重要的是，我期待书中能够深入剖析各个关键子系统的设计理念和实现细节。例如，在进程和线程管理方面，我希望了解Windows是如何实现高效调度和上下文切换的，以及其同步机制（如锁、信号量等）的底层实现原理，这对于开发并发程序至关重要。内存管理是操作系统的核心，我希望这本书能够详细讲解Windows的虚拟内存管理机制，包括页式管理、内存映射、页面替换算法等，以及它们对应用程序性能的影响。此外，I/O系统也是我非常感兴趣的部分，了解Windows如何处理设备驱动程序，如何进行中断处理，以及其文件系统的设计理念，将有助于我更深入地理解系统的输入输出运作。我也希望书中能够涉及一些关于系统调用的机制，以及用户模式和内核模式之间的界限是如何划分的。如果能够结合一些实际案例，解释一些常见的系统性能问题或安全漏洞是如何产生的，那将是非常有价值的。我希望通过阅读这本书，能够从根本上理解Windows的运作方式，从而在我的开发实践中，能够写出更具效率、更稳定、更安全的代码，并能够更精准地定位和解决问题。

作为一名对计算机系统底层运作原理有着浓厚兴趣的学习者，《Windows 内核设计思想》这本书的出现，简直就像是一场及时雨。我一直觉得，如果想在软件开发领域达到更高的层次，光停留在应用层面的知识是远远不够的，对操作系统内核的理解，尤其是像Windows这样占据市场主导地位的操作系统，其重要性不言而喻。这本书的书名本身就极具吸引力，它承诺将带我们走进Windows内核的核心，去探究其设计理念的精髓。我期待这本书能够详细地阐述Windows内核的整体架构，包括用户模式和内核模式的划分、系统调用的实现机制，以及进程和线程的管理策略。内存管理是操作系统的核心之一，我希望这本书能深入解析Windows的虚拟内存模型，包括分页、分段、页面置换算法等，以及它们是如何影响应用程序性能的。此外，I/O管理和文件系统也是我特别关注的部分，了解Windows如何处理硬件I/O请求，以及NTFS文件系统的内部结构和操作，将有助于我更好地理解文件读写性能瓶颈的成因。驱动程序的开发也是一个复杂但重要的领域，如果书中能够对Windows驱动程序模型（WDM/WDF）有深入的讲解，并结合具体的例子，那将是非常宝贵的。总而言之，我希望这本书能够以一种清晰、系统的方式，揭示Windows内核的复杂性，并帮助我建立起一个扎实的底层知识体系，从而在未来的开发工作中，能够写出更高效、更稳定、更安全的代码。

在日常的开发工作中，我常常会遇到一些现象，明明代码逻辑没有问题，性能却始终无法达到预期，或者在处理并发场景时出现意想不到的bug。这种时候，我总会感到，对Windows操作系统底层机制的理解，是我技术瓶颈所在。《Windows 内核设计思想》这本书的名字，正是我迫切需要的内容。我希望这本书能够深入浅出地揭示Windows内核的工作原理，让我能够从更宏观的视角理解系统是如何运作的。我特别期待它能详细讲解Windows内核的整体架构，包括各个核心子系统之间的关系。在进程与线程管理方面，我希望能理解其调度策略，线程同步机制的底层实现，以及进程间通信的高效方式。内存管理无疑是重中之重，我希望能深入了解Windows的虚拟内存模型，包括其页表结构、缺页中断的处理，以及内存保护机制。此外，I/O系统也是我非常关注的部分，我希望了解Windows是如何通过驱动程序与硬件交互，以及其文件系统的设计理念。我更希望这本书能够提供一些关于系统性能优化的指导，或者解释一些常见的系统级问题是如何产生的，例如，资源竞争、上下文切换的开销等。如果书中能够包含一些实际的性能分析案例，通过剖析真实的场景来印证理论知识，那将非常有帮助。我期待这本书能够帮助我构建起一个更加坚实的Windows内核知识体系，从而在未来的开发工作中，能够写出更具性能、更稳定、更安全的代码，并能够更精准地定位和解决问题。

这本书的名字叫《Windows 内核设计思想》，光是这个名字就让我对接下来的阅读充满了期待。作为一名在Windows平台上摸爬滚打多年的开发者，我深知理解操作系统底层原理的重要性。过去，我常常在遇到一些棘手的性能问题或者不寻常的系统行为时，感到力不从心，只能凭着经验和一些零散的博客文章来推测，但总觉得不够深入，缺乏系统性的认识。这本书的出现，仿佛为我打开了一扇通往Windows内核世界的大门，让我有机会一窥其堂奥。我希望通过阅读它，能够真正理解Windows是如何工作的，它的每一个模块是如何协同运作的，以及在编写高效、健壮的应用程序时，有哪些底层机制是我们必须考虑的。我尤其关注这本书在讲解内核对象（如进程、线程、内存管理、I/O管理等）时，是如何阐述其设计理念和实现细节的。我希望它不仅仅是罗列API，而是能够深入剖析这些对象背后的抽象，以及它们是如何映射到物理硬件和系统资源的。此外，对于内核中的同步机制、中断处理、驱动程序模型等内容，我也抱有极大的兴趣。我深信，只有掌握了这些核心思想，才能在Windows平台上游刃有余，写出真正优秀的软件。这本书的出现，无疑为我们提供了一个绝佳的学习机会，我已迫不及待地想深入其中，探索Windows内核的奥秘。

在我的职业生涯中，总会遇到一些现象，无论如何调试应用，总觉得卡在一个瓶颈上，而这个瓶颈似乎与操作系统本身有着千丝万缕的联系。这种感觉促使我一直渴望能够更深入地了解Windows的内部工作机制。《Windows 内核设计思想》这本书的名字，正好击中了我的痛点和兴趣点。我期望这本书不仅仅是一本枯燥的技术手册，而是一个能够引导我理解Windows内核“为什么”这样设计的引导者。我希望它能够详细解释Windows内核的模块化设计，以及各模块之间的交互方式，例如，用户模式与内核模式的边界是如何划定的，系统调用是如何实现权限的转换和信息的传递。进程和线程是现代操作系统最基本也是最重要的概念，我希望书中能够深入分析Windows是如何创建、管理和调度进程与线程的，包括其优先级机制、上下文切换的细节，以及多核处理器的利用策略。内存管理也是我特别关注的重点，我希望能了解Windows如何进行内存分配、回收，如何处理缺页中断，以及其内存保护机制的实现。另外，对于I/O子系统，我希望书中能阐述其分层结构，以及如何高效地处理各种I/O请求，包括文件I/O和设备I/O。如果能结合一些实际的性能调优案例，或者解释一些常见的系统级问题，如死锁、资源耗尽等是如何在内核层面产生的，那将极大地提升这本书的实用价值。我期待这本书能帮助我构建一个坚实的Windows内核知识体系，从而让我能够更自信地应对复杂的开发挑战。

作为一名追求技术深度和广度的开发者，我对操作系统内核的了解程度，往往决定了我能够解决问题的天花板。《Windows 内核设计思想》这本书的出现，就像是为我打开了一扇通往Windows底层世界的大门。我期望这本书能够以一种系统、深入的方式，讲解Windows内核的核心概念和设计原理。我希望它能详细阐述Windows内核的整体架构，包括其模块化的设计思想，以及用户模式和内核模式的划分与交互。进程和线程的管理是操作系统的基石，我期待书中能够深入剖析Windows是如何实现进程的创建、销毁、调度以及线程的同步与通信机制的。内存管理是另一大重点，我希望能详细了解Windows的虚拟内存管理，包括其分页机制、内存分配策略，以及内存保护等，这将有助于我理解程序性能瓶颈的根源。此外，I/O子系统也是我非常感兴趣的部分，我希望了解Windows是如何处理硬件中断，以及其驱动程序模型的工作原理。如果书中能够对网络协议栈的设计思想有所阐述，那将更加完美。我更看重的是，这本书能否解释“为什么”要这样做，即其背后的设计思想和权衡。例如，在处理多任务时，为什么会采用特定的调度算法？在内存管理中，为什么会采用页式管理？如果能结合一些实际的系统性能分析案例，甚至是一些历史上的设计决策的演变，那将极大地提升本书的价值。我相信，通过这本书的学习，我将能够更自信地驾驭Windows平台，写出更高效、更稳定、更安全的应用程序。

对于一个在Windows平台上耕耘多年的开发者来说，对操作系统内核的理解，就像是内功的修炼，是决定技术深度和广度的关键。《Windows 内核设计思想》这个书名，无疑正是我苦苦寻觅的那把钥匙。我期待这本书能够带领我深入Windows内核的腹地，去探寻那些隐藏在API调用之下、影响程序性能与稳定性的核心设计。我希望它能够详尽地阐述Windows内核的整体结构，包括其用户模式与内核模式的划分，系统调用的实现流程，以及各种系统对象（如进程、线程、事件、信号量等）的创建、管理和销毁过程。内存管理是操作系统中最复杂也最核心的部分之一，我迫切希望书中能够深入解读Windows的虚拟内存模型，包括其分页机制、内存保护策略，以及内存映射文件的原理，这将有助于我理解内存的分配与释放，以及如何避免内存泄漏。此外，I/O系统也是我非常关注的领域，我希望了解Windows是如何高效地处理各种I/O请求，包括磁盘I/O、网络I/O，以及驱动程序模型的工作原理。我尤其期待书中能够对文件系统的设计思想有所涉及，了解NTFS等文件系统是如何实现其功能的。如果这本书能够结合一些实际的性能分析案例，解释某些常见的系统级问题，例如进程间通信的效率、线程同步的开销等，那将是锦上添花。我相信，通过这本书的学习，我能够构建起一个对Windows内核更加立体、更加深入的认识，从而在我的开发工作中，能够写出更优化、更健壮的应用程序。

长期以来，我对Windows操作系统的内部运作机制都充满了好奇，但很多时候，即便查阅了大量的文档，依然觉得对某些底层问题知其然不知其所以然。《Windows 内核设计思想》这个名字，正是我一直所期待的。我希望这本书能够真正地带领我走进Windows内核的世界，去理解它背后的设计哲学和实现逻辑，而不仅仅是罗列API的用法。首先，我非常希望能深入了解Windows内核的整体架构，包括其用户模式和内核模式的划分，以及它们之间的交互方式，例如，系统调用的实现机制。其次，进程和线程的管理是操作系统最基本也最重要的组成部分，我期待这本书能够详细阐述Windows是如何创建、管理、调度进程和线程的，包括其优先级体系、上下文切换的细节，以及进程间通信（IPC）的各种机制及其底层实现。内存管理也是我关注的重点，我希望能够了解Windows如何分配和管理虚拟内存，包括页式管理、内存保护、内存映射文件等，以及这些机制如何影响程序的性能。此外，I/O系统和文件系统也是我特别感兴趣的领域，我希望能理解Windows是如何高效地处理各种硬件I/O请求，以及其文件系统的设计理念。如果书中能够结合一些实际的性能调优案例，或者解释一些常见的系统级问题（如死锁、资源耗尽等）的成因，那将极大地提升本书的实用性。我希望通过这本书，能够建立起一个扎实的Windows内核知识体系，从而在开发过程中，能够做出更优化的设计，写出更高效、更稳定的程序。

一直以来，我对Windows操作系统的内部运作机制都充满着好奇，总觉得在应用层的开发背后，隐藏着更深层的秘密。《Windows 内核设计思想》这本书的出现，恰好满足了我对这种底层探索的渴望。我期望这本书能够以一种系统化、深入化的方式，带领我理解Windows内核的设计理念和实现细节。我非常想了解Windows内核的整体架构，包括其用户模式与内核模式的划分，以及系统调用的实现过程。在进程和线程管理方面，我希望能深入理解Windows是如何实现高效的任务调度，以及线程间的同步与通信机制的底层原理，这对于并发编程至关重要。内存管理也是我极为关注的领域，我希望能够详细了解Windows的虚拟内存模型，包括其分页机制、内存分配与回收策略，以及内存保护机制，这些都直接影响到程序的性能和稳定性。此外，I/O系统也是我非常感兴趣的部分，我希望了解Windows是如何处理各种硬件I/O请求，以及其驱动程序模型的工作方式。如果书中能够对文件系统的设计思想进行阐述，例如NTFS文件系统的特性，那将是非常宝贵的。我更希望这本书能够解释“为什么”是这样设计的，即其背后的权衡和考量。通过阅读这本书，我希望能建立起一个对Windows内核更加全面和深刻的认识，从而在我的开发实践中，能够写出更优化、更健壮、更安全的应用程序，并能更有效地诊断和解决系统层面的问题。