Windows IO处理流程浅析(IRP)

太过爱你忘了你带给我的痛 2022-09-21 01:11 246阅读 0赞

Windows操作系统中（以Windows 2000/XP为例），一个典型的I/O请求要通过一系列复杂的操作实现。

讨论Windows 系统的I/O操作的流程之前，不得不提及Windows的I/O系统结构。简单说来，从虚拟机的角度来说，Windows的I/O系统是一个层层封装的虚拟机。Windows在系统核心中，对设备进行了数层封装：直接构建在设备上的是硬件抽象层（HAL），在此之上的是设备驱动程序，然后是I/O系统（I/O管理器、电源管理、WDM、WMI例程等）；同时还有许多在用户态运行的系统服务如WMI服务，方便应用程序管理I/O设备。正因为有这种复杂的层次结构，统一管理、兼容成百上千不同种类的系统设备才成为可能。各个抽象层次把硬件结构上的多样性屏蔽掉，使用户能够按照一个统一的方式进行I/O操作。由于这里主要讨论I/O处理流程，I/O系统的结构不做细致阐述。

以下以打开一个文件对象的过程为例，说明Windows I/O请求的处理流程：

打开文件对象（File Object）

1. 子系统调用一个I/O系统服务，打开一个有名字的文件。

2. I/O管理器（I/O Manager）调用对象管理器（Object Manager）查找这个文件并帮

助它找到所有相关的符号链接。同时也调用安全引用监视器（Security Reference Monitor）检查这个子系统是否有打开这个文件对象的权限。

3. 如果这个文件所在的卷还没有装入，那么I/O管理器暂时挂起这个请求，调用其他文件系统，直到装有这个文件的卷装入，然后I/O管理器恢复刚才挂起的请求。

4. I/O管理器为文件打开请求的IRP初始化分配内存。对于驱动程序而言，文件打开请求等价于一个"create"请求。

5. I/O管理器调用文件系统驱动程序，向它发送IRP。文件系统驱动程序访问它在IRP

中的I/O堆栈单元（I/O stack location）以决定要进行什么操作，检查参数，决定是否需要通过cache访问文件。如果不需要，在IRP中建立更低一级驱动程序的I/O堆栈单元。

6. 各级驱动程序处理IRP完成这个I/O操作请求，会调用I/O管理器和其他系统组件

提供的核心态支持例程。

7. 驱动程序在IRP中设置I/O状态块（指明操作是否成功或错误代码），并将IRP返

回到I/O Manager。

8. I/O管理器从IRP中获得I/O状态，通过被保护的子系统将状态信息返回到原始调

用者处。

9. I/O管理器释放已经完成任务的IRP。

10. 如果操作成功，I/O管理器返回这个文件对象的句柄到子系统；否则返回相应的失

败状态。

//如图

![Center][]

如果打开成功，子系统就可以通过句柄来对这个设备进行各种I/O操作。其他操作的工作流程与此类似。I/O管理器会根据不同的请求类型产生相应的IRP发送到相应的驱动程序中执行特定的操作。

以上处理流程虽然复杂，但去掉一些细节后，总脉络是清晰的：I/O请求先陷入到系统核心，从上依层次向下将指令传到设备，执行结果依次向上返回到调用进程，切换回用户态。

整个流程中，有几个重要的数据结构：

文件对象（File Object）：文件对象是一种逻辑上的对象，它并不仅仅可以代表文件，事实上它可以代表许许多多不同的物理设备（键盘、打印机、屏幕„„当然也可以代表文件）。它事实上提供的是一种基于内存共享的物理资源表示法。每个文件对象对应一个句柄，用户程序通过这个句柄实现各种I/O操作。具体说，通过写入/查询特定的内存区段的，即可实现和物理设备的通讯。Windows所有的I/O操作都通过这种虚拟的文件对象进行，它隐藏了I/O操作目标的实现细节，为各种不同的物理设备提供了一个统一的操作接口。

驱动程序对象（Driver Object）和设备对象（Device Object）：驱动程序对象代表系统中一个独立的驱动程序，并且为I/O记录每个驱动程序的调度例程的地址（入口点）；设备对象代表系统中的一个物理、逻辑或虚拟的设备（注意，并不一定是物理设备！）并描述其特征。

总体上看，可以认为驱动程序对象是在功能上的抽象(对应某个“操作”)，设备对象是结构上的抽象（对应某个“设备”）。完成某个操作通常需要用到多个设备，所以驱动程序对象通常有多个与它相关的设备对象。

尽管驱动程序对象和设备对象所封装的功能和设备是各种各样的，但它们都有统一的模型和接口，所以I/O管理器可以统一对它们进行管理和调用，而不用在意其具体内部结构的不同。

I/O请求包（IRP）是I/O系统用来存储处理I/O请求所需信息（例如请求的类型和大小、是同步请求还是异步请求、指向缓冲区的指针和进展状态信息等）的地方。由前面的例子可以看到，在整个系统内核中的I/O处理流程中，所有的调用/返回/控制信息都是由IRP传递的。它在I/O请求开始时由I/O管理器创建，在I/O处理完成后被释放，它是I/O处理中负责信息传递的最主要数据结构，即所谓以IRP驱动的I/O处理机制。

以上四种数据结构完整的抽象出了一个I/O请求的方方面面，它们在逻辑上把形形色色的I/O操作都统一起来，使用户可以不理会具体实现的细节，用几乎同样的方式实现各种I/O操作。

在整个I/O系统中，I/O管理器无疑是非常重要的，具有核心地位。顾名思义，它负责所有I/O请求的调度和管理工作。根据请求的不同内容，选择相应的驱动程序对象，设备对象，并生成、发送、释放各种不同的IRP。整个I/O处理流程是在它的指挥下完成的。

另外，完成I/O操作还需要有许多系统中其他服务的支持，总体上被称为驱动程序支持例程。

大体流程概括如下图（课本P317页图7.12所描述的也是这个结构）：

![Center 1][]

事实上由于I/O操作种类繁多，它们有不同的需求和特点，所以Windows提供了不同的I/O操作选项。主要的I/O操作类型有：同步I/O和异步I/O，快速I/O（注意：快速I/O模式比较特殊，不使用IRP），映射文件I/O和文件高速缓存，分散/集中I/O。各种I/O操作类型的内部处理步骤是很不一样的。同时，单层和多层的驱动程序也有不同的执行策略。这些涉及到过多的细节和Windows驱动程序模型（WDM），在此不更多的展开讨论。

虽然具体到每一个I/O请求处理策略会各有不同，但总的来说，涉及到的操作对象和数据结构就是前面提到的那些。而且总的处理脉络仍然是：I/O请求先陷入到系统核心，从上依层次向下将指令传到设备，执行结果依次向上返回到调用进程，切换回用户态。参考资料：

l《操作系统教程》

l《MSDN Library》 DDK部分

[Center]: /images/20220823/6405046584354a0bae10710a37872ee3.png
[Center 1]: /images/20220823/95910f88b23a4b18b7d9bf87b3fcd471.png