描述
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8.1 I/O系统组件 1
I/O管理器 3
典型的I/O处理过程 4
8.2 设备驱动程序 5
设备驱动程序的类型 5
WDM驱动程序 6
分层的驱动程序 7
实验：查看已加载的驱动程序列表 9
驱动程序的结构 11
驱动程序对象和设备对象 13
实验：看一看设备对象 15
实验：显示驱动程序和设备对象 17
打开设备 18
实验：查看设备句柄 21
实验：查看Windows设备名称之间的映射 23
8.3 I/O处理 24
I/O类型 24
同步I/O和异步I/O 24
快速I/O 25
实验：查看一个驱动程序登记的快速I/O例程 25
映射文件I/O和文件缓存 26
分散/聚集I/O 27
I/O请求包 27
IRP栈单元 28
实验：查看驱动程序的分发例程 29
实验：查看一个线程的未完成IRP 29
IRP缓冲区管理 30
针对单层驱动程序的I/O请求 32
为一个中断提供服务 33
完成一个I/O请求 34
同步 36
针对分层的驱动程序的I/O请求 38
实验：查看一个设备栈 39
实验：查看IRP 40
线程无关I/O 45
I/O取消 45
用户发起的I/O取消 46
线程终止时的I/O取消 47
实验：调试一个无法被杀死的进程 48
I/O完成端口 49
IoCompletion对象 50
使用完成端口 50
I/O完成端口操作 52
I/O优先级支持 54
I/O优先级 54
优先化策略 55
I/O优先级反转的避免（I/O优先级继承） 57
I/O优先级提升和撞升 57
实验：“非常低”和“正常”I/O吞吐量的对比 58
实验：I/O优先级提升/撞升的性能分析 59
带宽预留（计划的文件I/O） 60
容器通知 60
驱动程序检验器（Driver Verifier） 61
8.4 内核模式驱动程序框架（KMDF） 63
KMDF驱动程序的结构和操作 64
实验：显示KMDF驱动程序 65
KMDF数据模型 66
KMDF的I/O模型 69
8.5 用户模式驱动程序框架（UMDF） 72
8.6 即插即用（PnP）管理器 76
即插即用支持的级别 77
驱动程序对于即插即用的支持 77
驱动程序加载、初始化和安装 79
Start值 80
设备列举 81
实验：将设备树转储出来 84
设备栈 85
设备栈的驱动程序加载 86
实验：在设备管理器中查看详细的devnode信息 88
驱动程序安装 90
实验：检查一个驱动程序的INF文件 92
实验：查看目录（catalog）文件 93
8.7 电源管理器 94
电源管理器的操作 96
驱动程序的电源操作 97
实验：查看一个驱动程序的电源映射关系 97
实验：查看系统的电源能力和策略 98
驱动程序和应用程序对于设备电源的控制 100
电源可用性请求 100
实验：在调试器中查看一个电源可用性请求 101
实验：利用Powercfg查看电源可用性请求 103
处理器电源管理（PPM） 103
核心停运的策略 104
利用率函数 105
实验：查看利用率和频率的信息 106
实验：查看利用率和频率的历史 107
算法覆盖 108
增加/减少动作 108
各种阈值和策略的设置 109
实验：查看当前的核心停运策略 111
“性能检查”算法 112
实验：查看当前的PPM检查信息 116
8.8 本章总结 118
第9章 存储管理 119
9.1 有关存储的术语 119
9.2 磁盘设备 120
旋转磁盘 120
磁盘的扇区格式 120
固态硬盘 122
NAND型闪存 122
文件的删除和irim命令 124
9.3 磁盘驱动程序 125
Winload 125
磁盘类、端口和小端口驱动程序 126
iSCSI驱动程序 127
多路径I/O（MPIO）驱动程序 128
实验：观察物理磁盘I/O 130
磁盘设备对象 130
分区管理器 131
9.4 卷的管理 132
基本磁盘 133
MBR风格的分区 133
GPT（GUID分区表）分区方案 133
基本磁盘卷管理器 134
动态磁盘 135
LDM数据库 135
实验：使用LDMDump来查看LDM数据库 137
LDM和GPT或MBR风格的分区方案 139
动态磁盘的卷管理器 140
多分区卷的管理 140
跨距卷 141
条带卷 142
实验：观察镜像卷的I/O操作 143
RAID-5卷 145
卷名字空间 145
挂载管理器 146
挂载点 147
卷的挂载 148
实验：查看VPB 149
卷的I/O操作 152
虚拟磁盘服务 153
9.5 虚拟硬盘（VHD文件）支持 155
附载VHD的操作 156
嵌套的文件系统 156
9.6 BitLocker驱动器加密 157
加密密钥 159
可信平台模块（TPM） 161
BitLocker引导过程 163
BitLocker密钥的恢复 165
全卷加密驱动程序 166
BitLocker的管理 167
BitLocker To Go 168
9.7 卷影像（shadow）拷贝服务 170
影像拷贝 170
“克隆”影像拷贝 170
“写时复制”影像拷贝 170
VSS的架构 170
VSS的操作 171
影像拷贝提供者 172
实验：查看Microsoft影像拷贝提供者的过滤型设备对象 173
Windows中的用途 174
备份 174
实验：查看影像卷的设备对象 174
“之前的版本”和系统还原 175
实验：导航到“之前的版本” 176
实验：映射卷影像设备对象 177
9.8 本章总结 178
第10章 内存管理 179
10.1 内存管理器简介 179
内存管理器组件 180
内部同步 181
检查内存的使用情况 182
实验：查看系统内存信息 182
10.2 内存管理器提供的服务 184
大页面和小页面 185
保留页面和提交页面 187
实验：保留的页面对比提交的页面 188
提交限额 190
锁住内存 190
分配粒度 191
共享内存和映射文件 192
实验：查看内存映射文件 193
保护内存 194
“不可执行”页面保护 196
实验：查看进程上的DEP保护 199
软件的数据执行保护 200
写时复制 201
地址窗口扩展 203
10.3 内核模式堆（系统内存池） 204
内存池的大小 205
实验：确定的池大小值 206
监视内存池的使用 208
实验：诊断内存池泄漏 210
快查表（Look-Aside List） 211
实验：查看系统的快查表 212
10.4 堆管理器 212
堆的类型 213
堆管理器结构 214
堆同步 215
低碎片堆 215
堆的安全特性 216
堆的调试特性 217
pageheap 218
容错堆 218
10.5 虚拟地址空间的布局结构 219
x86地址空间的布局结构 221
实验：检查一个应用程序能否感知大地址空间 222
x86系统地址空间的布局结构 223
x86会话空间 224
实验：查看会话 224
实验：查看会话空间的使用情况 225
系统页表项（PTE，Page Table Entry） 226
实验：查看会话空间的使用情况 226
64位地址空间布局结构 227
x64虚拟寻址的限制 230
Windows x64的16TB限制 231
动态的系统虚拟地址空间管理 233
实验：查询系统虚拟地址的用量 234
实验：设置系统虚拟地址的限制值 235
系统的虚拟地址空间配额 236
用户地址空间的布局结构 237
实验：对用户虚拟地址空间进行分析 238
映像随机化 239
栈的随机化 240
堆的随机化 240
内核地址空间中的ASLR 240
对安全性缓和措施的控制 240
实验：查看进程上的ASLR保护 241
10.6 地址转译 241
x86虚拟地址转译 242
页目录 245
实验：检查页目录和PDE 245
页表和页表项 246
页表项中硬件和软件的“写”位 247
页面内的字节 248
地址转译快查缓冲区 248
物理地址扩展（PAE） 249
实验：转译地址 251
x64虚拟地址转译 253
IA64虚拟地址转译 254
10.7 页面错误处理 255
无效PTE 256
原型PTE 258
页面换入I/O 259
冲突的页面错误 260
聚簇的页面错误 260
页面文件 261
实验：查看系统页面文件 262
提交用量和系统提交限额 263
提交用量和页面文件的大小 266
实验：利用任务管理器来查看页面文件使用量 266
10.8 栈 268
用户栈 268
实验：创建数量的线程 268
内核栈 269
实验：观察内核栈的使用量 269
DPC栈 270
10.9 虚拟地址描述符 270
进程的VAD 271
实验：查看虚拟地址描述符 272
旋转VAD 272
10.10 NUMA 273
10.11 内存区对象 274
实验：查看内存区对象 275
实验：查看控制区域 277
10.12 驱动程序检验器 280
10.13 页面帧编号数据库 284
实验：查看PFN数据库 287
页面列表的动态变化 288
实验：空闲列表和零页面列表 289
实验：已修改列表和备用列表 291
页面优先级 296
实验：观察区分优先级的备用列表 298
已修改页面写出器 299
PFN数据结构 301
实验：查看PFN项 304
10.14 物理内存的限制 305
Windows客户版本的限制 306
32位客户的有效内存限制 307
10.15 工作集 309
按需换页 309
逻辑预取器 310
实验：窥探预取文件内部 312
实验：观察预取文件的读和写 312
放置策略 313
工作集管理 314
实验：查看进程工作集大小 316
实验：工作集与虚拟大小 316
实验：在调试器中查看工作集列表 317
平衡集管理器和交换器 318
系统工作集 319
内存通知事件 320
实验：查看内存资源通知事件 321
10.16 主动式内存管理（Superfetch） 322
各个组件 322
跟踪过程和日志记录 324
场景 325
页面优先级和重平衡 326
鲁棒性能 328
RAM优化软件 329
ReadyBoost 330
ReadyDrive 331
统一缓存 332
进程反射 334
实验：利用Preflect来观察进程反射的行为 336
10.17 本章总结 337
第11章 缓存管理器 338
11.1 缓存管理器的关键特性 338
单个中心化的系统缓存 339
内存管理器 339
缓存一致性 339
虚拟块缓存 341
流式缓存机制 341
对可恢复文件系统的支持 341
11.2 缓存的虚拟内存管理 342
11.3 缓存的大小 344
缓存的虚拟大小 344
缓存的工作集大小 344
实验：查看系统缓存的工作集 345
缓存的物理大小 345
11.4 缓存的数据结构 347
系统范围的缓存数据结构 347
实验：查看系统缓存的工作集
在所有介绍Windows操作系统的图书中，我相信都离不开Windows Internals系列提供的信息。除了公开可见到的Windows源代码以外，本书是披露Windows系统机理为详尽的一份资料，尤其对于Windows的每一个版本。本书第6版专门针对Windows 7和Windows Server 2008 R2进行了大幅度更新。由于篇幅的增加，这一版本改成了上下两册来发行，由此也可见本书的“分量”。本书上册中文版已于2014年4月出版，这几年间，我经常收到读者的询问，本书下册是否出版。现在，下册中文版终于要出版了，读者们可以如愿看到本书了。
在Windows操作系统的发展历程中，Windows 7是一个具有特殊意义的版本。它可以算得上是为复杂的单机操作系统，无论是从代码规模、代码复杂度，还是从系统适应场景的复杂程度，都超过了以前所有的版本。从某种意义上，Windows 7代表了软件工程的一个——人类可以构造出如此复杂且能稳定工作的软件系统！与此相对应，要用一本书来涵盖其中的各种机理也同样是一项艰巨的任务，本书作者基于他们过去所做的大量工作，以及对Windows的深入理解，出色地完成了这一诠释工作。
本书的权威性毋庸置疑。Mark Russinovich因在Windows内核探索方面所作出的贡献而成为Microsoft Fellow（现为Azure CTO），本书中用到的大量Sysinternals工具均出自他的手笔。David Solomon长期从事Windows NT内部机理的培训，他不仅在全球各地培训Windows系统程序员，甚至也为Microsoft的内部员工提供Windows内核培训服务，他从本书第2版开始奠定了卓有成效的叙述风格。Alex Ionescu是一名年轻的黑客型Windows专家，曾经为ReactOS（一个开源的操作系统项目，旨在兼容Windows 2000/XP/Server 2003的应用程序）编写了绝大多数内核代码。他曾经发现和报告了一些与Windows内核相关的软件漏洞，也跟David Solomon一起讲授Windows内部机理的课程。有如此强大的作者组合，再加上Microsoft的内部支持（包括提供源代码，以及Windows开发组的细致解释），本书无疑是Windows版本的手技术资料。
每一个对Windows操作系统有浓厚兴趣的读者都不应该错过这本书。本书上册介绍了Windows的系统架构、系统机制、管理机制、进程与线程、安全性和网络。下册是上册的直接延续，共有7章，分别介绍了Windows I/O、存储管理、内存管理、缓存管理器、文件系统、启动与停机，以及崩溃转储分析。每一章都是一个重要话题，读者既可以在上册的基础上继续深入钻研Windows各个子系统，也可以有选择地阅读某些章节。在阅读过程中，好能动手做一做书中描述的实验。做这些实验的门槛并不高，但效果非常好，既可以让你直观地领会Windows内部的一些设计与实现，也可以积累一些洞察Windows内部活动的方法，这些方法对于排查Windows平台上出现的问题往往很有帮助。
我与本书的渊源是从第4版（针对Windows XP/Server 2003）开始的，后来第5版（针对Windows Vista/Server 2008）错过了出版周期，直至这次第6版又有机会翻译。这三个版本，连同后来的第7版（针对Windows 10/Server 2016）都采用同样的叙述框架，只是针对的Windows版本做了更新。本书讲述的内容，虽然是针对Windows 7/Server 2008 R2，但更新幅度较大，尤其是有关64位系统的介绍，有较多新内容。即使读者已经在Windows 8或者Windows 10上工作，本书中的内容仍然对你有价值。另外，如果读者不满足于本书Windows系统机理的系列介绍，而希望进一步理解Windows操作系统的源代码实现以及内核中的各种基础算法，则推荐阅读另一本书《Windows内核原理与实现》，这是我在Windows XP/Server 2003 SP1内核代码基础上写作的一本讲解Windows内核的书，它几乎将Windows内核大白于天下。
后，我要特别感谢范德成先生，他在我第4版译稿的基础上，更新到了第6版。也要感谢电子工业出版社的编辑刘皎，依然把第6版的翻译工作交给了我，使我有机会弥补第5版中文版未能出版之缺憾。
潘爱民
2018年1月于杭州
译者序二
微软的Windows操作系统历经三十年左右的发展，早已成为一个博大精深的桌面及服务器操作系统，并在市场上获得了很大的成功。但近十年来，以亚马逊、谷歌、Facebook等为代表的互联网企业在市场和技术两方面开疆拓土，极大地推动了移动设备、云计算、大数据和人工智能等行业的发展，显著影响了包括微软在内的各大传统软件巨头的发展态势。继2006年亚马逊提出云计算之后，微软于2008年首度公开Azure虚拟机云平台，SAP也在2012年公开其应用程序云平台。尽管各种新的技术不断涌现，但本书的定位焦点仍然在Windows操作系统本身，在我看来，这本书的价值依然很高，因为技术的本源有共通性，Windows操作系统又可谓是微软技术的中流砥柱——微软的Azure云平台的操作系统就是基于Windows开发的，其上运行的虚拟机管理器正是早在Windows Server 2008中发布的Hyper-V。
如果你对Windows操作系统有着浓厚的兴趣，自然不应该错过本书。如果你是分布式系统架构师，也同样能从本书中受益。这是因为，分布式系统和操作系统在许多方面都有着或多或少的相似性，对操作系统设计原理的掌握自然会对分布式系统的设计有重大启发和帮助。比如，操作系统的线程调度和分布式系统的负载均衡、操作系统的磁盘缓存和分布式系统的缓存设计、操作系统的文件系统和分布式系统的文件系统、虚拟机管理器的VLAN和分布式系统的软件定义网络（SDN）、操作系统的性能监视器与分布式系统服务器的性能监视平台等之间都有不少相似性。
以事务处理为例，Windows Vista中引入了KTM（内核事务管理器，参见本书第12章），它所实现的事务的隔离级别类似于数据库的READ COMMITTED级别，是一种几乎所有SQL数据库都会实现的隔离级别；而分布式系统中的Paxos共识算法所能实现的分布式事务，其隔离级别也类似于READ COMMITTED。又以磁盘缓存为例（参见本书第11章），操作系统的磁盘缓存是强一致性的，而分布式系统缓存可以做成应用服务器内的，或者是专门的缓存层，前一种实现对负载均衡调度有特殊要求，而普通的负载均衡会大大降低缓存命中率从而导致系统性能低下，后一种实现则在网络延迟上稍差些。两种实现都要考虑是做成强一致性的还是终一致性的，前者需要在写的同时更新缓存，后者则需要自动淘汰旧的缓存数据。缓存的粒度也很重要，粒度过小可能导致索引数据量过大，这和操作系统磁盘缓存的原理是类似的。所以，理解操作系统的知识能拓展眼界，进而对基于这些系统的设计产生正面影响。
此外，理解操作系统的行为有助于设计性能更高的分布式程序。比如，了解操作系统磁盘缓存的原理，有助于设计出高性能的对象存储服务——可以想办法提高对象存储在操作系统上的缓存命中率，或者在必要时禁用操作系统缓存而改为自己实现缓存机制。又如，了解操作系统网络栈的工作模式，有助于编写做高速网络传输的程序，甚至可以深入驱动程序层面做进一步的性能优化。
我是Windows操作系统的深度用户，学习和研究了包括Windows、Linux、FreeBSD、OpenBSD在内的多种操作系统。从1995年首次接触Windows 3.1开始，就与Windows结下了不解之缘。陆续使用过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等各个版本，还接触过Windows Server 2000、Windows Server 2003、Windows Server 2008、Windows Server 2008 R2等服务器版本，以及其上的Microsoft Virtual PC、Virtual Server和Hyper-V虚拟化技术。我会好奇它们有着怎样的功能和性能，底层是怎样工作的，为什么这样设计而不是那样设计的；正是因为这种好奇，所以Windows Internals一直是我十分感兴趣的一本书。在完成本书上册的翻译工作后，我写了一篇后记（http://www.fandecheng.com/personal/ interests/pwindows/wi_translation_ps.pdf里面讲了很多个人的理解和感悟）。2012年，当好友高博打电话告诉我有机会参与《深入解析Windows操作系统》第6版的翻译时，我非常欣喜。在高博的引荐下，我首次见到了仰慕已久的潘爱民老师。因此我非常感谢高博的引荐和潘爱民老师的认可，感谢电子工业出版社的刘皎和白涛两位编辑，本书的出版离不开他们的策划和编辑。
范德成
2018年1月于上海浦东张江
引言
《深入解析Windows操作系统（第6版）》的读者对象是那些想要理解Microsoft Windows 7和Windows Server 2008 R2操作系统的核心组件内部工作机理的高级计算机专业人员（包括开发人员和系统管理员）。开发人员利用这些知识，可以在构建Windows平台上的应用程序时更好地理解各种设计决策背后的基本原理，调试复杂的问题。系统管理员也可以从这些信息中获益，因为理解了
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