深入解析：Windows操作系统

　　国内知名译者潘爱民先生译作
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　　深入解析Windows操作系统！彻底揭开Windows技术内幕！
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　　《深入解析：Windows操作系统》（第4版）是著名的操作系统内核专家Mark Russinovich和David Solomon撰写的Windows操作系统原理的新版著作，全面和深入地阐述了Windows操作系统的整体结构以及内部工作细节。本书针对 Windows Server 2003、Windows XP和Windows2000做了全面更新，通过许多练习实验让你直接感受到Windows的内部行为。另外，本书还介绍了一些高级诊断技术，以便使你的系统运行得更加平稳和高效。无论你是开发人员还是系统管理员，你都可以在本书中找到一些关键的、有关体系结构方面的知识，通过这些知识你可以更好地做系统设计、调试，以及性能优化。
《深入解析：Windows操作系统》（第4版）全书内容丰富、信息全面，主要包括的Windows操作系统深度知识有：理解Windows的关键机制，包括系统服务分发和调度机制、启动和停机，以及注册表；挖掘Windows的安全模型，包括访问控制、特权和审计；利用内核调试器和其他的工具来检查内部系统结构；检查与进程、线程和作业相关的数据结构和算法；观察Windows如何管理虚拟内存和物理内存；理解NTFS的操作和格式，诊断文件系统访问问题；从上往下查看 Windows的网络栈，包括映射、API、名称解析和协议驱动程序；诊断引导问题，执行崩溃分析。
《深入解析：Windows操作系统》（第4版）适合广大Windows平台开发人员、IT专业从业人员等参考使用。

　　潘爱民，浙江海宁人，获得了南开大学数学学士学位，清华大学工学硕士学位，以及北京大学计算机科学博士学位。他从中学时代开始接触计算机编程，经历了从DOS到Windows各种版本的发展历程。潘爱民曾经长期从事软件技术的研究和开发工作，撰写了大量软件技术文章，1999年曾经是《微电脑世界》杂志社的合作专家。他著写了《COM原理与应用》（1999年出版），翻译了多部经典名作，如《Visual C++技术内幕》（第四、六版）、《C++ Primer中文版》（第三版）、《COM本质论》、《计算机网络》（第四版）等。从2001年开始，潘爱民在北京大学计算机科学技术系承担研究生课程教学，共讲授了三门课程：《组件技术》、《网络与信息安全》和《程序开发环境分析与实践》，深受学生欢迎。2006年秋季在清华大学软件科学实验班讲授《程序设计与算法基础》课程。 潘爱民获得了2001年微软亚洲研究院“微软学者”称号，2002年度北京大学优秀教学奖。他现在微软亚洲研究院从事系统与安全方向的研究工作。

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第1章 概念和工具 1
1.1 Windows操作系统的版本 1
1.2 基础概念和术语 3
Windows API 3
服务、函数和例程 5
进程、线程和作业 6
虚拟内存 14
内核模式和用户模式 16
终端服务及多个会话 21
对象和句柄 22
安全性 23
注册表 24
Unicode 25
1.3 挖掘Windows内部机理 25
性能工具 27
Windows支持工具箱 27
Windows资源工具箱 27
内核调试 28
Platform SDK 33
DDK（设备驱动程序开发工具） 34
Sysinternals工具 34
1.4 本章总结 34
第2章 系统结构 35
2.1 需求和设计目标 35
2.2 操作系统模型 36
2.3 总体结构 37
可移植性 40
对称多处理 41
可伸缩性 46
客户和服务器版本之间的差异 47
检查版本 49
2.4 关键的系统组件 51
环境子系统和子系统DLL 53
硬件抽象层（HAL） 67
设备驱动程序 69
系统进程 75
2.5 本章总结 84
第3章 系统机制 85
3.1 陷阱分发 85
中断分发 87
异常分发 109
系统服务分发 119
3.2 对象管理器 124
执行体对象 126
对象结构 128
3.3 同步 149
高IRQL的同步 151
低IRQL的同步 155
3.4 系统辅助线程 166
3.5 Windows全局标志 168
3.6 本地过程调用（LPC） 171
3.7 内核事件追踪 175
3.8 Wow64 178
Wow64进程地址空间布局结构 179
系统调用 179
异常分发 179
用户回调 179
文件系统重定向 180
注册表的重定向和反射 180
I/O控制请求 181
16位安装器应用程序 182
打印 182
一些限制 182
3.9 本章总结 182
第4章 管理机制 183
4.1 注册表 183
查看和修改注册表 183
注册表用法 184
注册表数据类型 185
注册表逻辑结构 186
注册表问题的诊断 192
注册表的内部机理 197
4.2 服务 211
服务应用 212
服务账户 217
服务控制管理器 223
服务启动 225
启动错误 229
接受当前引导和“最后已知的好控制集” 230
服务失败 231
服务停机 232
共享的服务进程 233
服务控制程序 236
4.3 Windows管理规范 237
WMI体系结构 237
提供者 239
公共信息模型（CIM）和可管理对象的格式语言 240
WMI名字空间 243
类关联 244
WMI实现 247
WMI安全性 248
4.4 本章总结 249
第5章 启动和停机 251
5.1 引导过程 251
x86和x64引导准备 251
x86/x64引导扇区和Ntldr 255
IA64引导过程 264
初始化内核和执行体子系统 266
Smss、Csrss和Winlogon 269
自动启动的映像文件 273
5.2 引导和启动问题的故障检查 274
最后已知的好配置 274
安全模式 274
安全模式下的驱动程序加载 275
恢复控制台（Recovery Console） 279
解决常见的引导问题 281
5.3 停机 286
5.4 本章总结 288
第6章 进程、线程和作业 289
6.1 进程的内部机理 289
数据结构 289
内核变量 297
性能计数器 297
有关的函数 298
6.2 CreateProcess的流程 300
阶段1：打开将要被执行的映像 302
阶段2：创建Windows执行体进程对象 304
阶段3：创建初始线程，以及它的栈和执行环境 308
阶段4：将新进程通知Windows子系统 309
阶段5：启动初始线程的执行 310
阶段6：在新进程环境下执行进程初始化 310
6.3 线程的内部机理 313
数据结构 313
内核变量 320
性能计数器 321
有关的函数 322
一个线程的产生 322
6.4 检查线程活动 323
6.5 线程调度 325
Windows调度的概述 326
优先级别 327
Windows调度API 330
有关的工具 331
实时优先级 333
线程状态 334
分发器数据库 338
时限 340
调度情形 345
环境切换 347
空闲（Idle）线程 348
优先级提升 348
多处理器系统 357
多处理器的线程调度算法 366
6.6 作业对象 369
6.7 本章总结 374
第7章 内存管理 375
7.1 内存管理器简介 375
内存管理器组件 376
内部同步 377
配置内存管理器 378
检查内存的使用情况 378
7.2 内存管理器提供的服务 382
大页面和小页面 382
保留的和提交的页面 384
锁住内存 385
分配粒度 385
共享内存和映射文件 386
保护内存 388
“不可执行”页面保护 390
写时复制 392
堆管理器 394
地址窗口扩展 399
7.3 系统内存池 401
配置内存池的大小 401
监视内存池的使用 404
预读列表（Look-Aside List） 408
驱动程序检验器（Driver Verifier） 409
7.4 虚拟地址空间的布局结构 413
x86用户地址空间的布局结构 415
x86系统地址空间的布局结构 417
x86会话空间 418
系统页表项（PTE，Page Table Entry） 421
64位地址空间布局结构 422
7.5 地址转译 425
x86虚拟地址转译 425
地址转译快查缓冲区 434
物理地址扩展（PAE） 435
IA-64虚拟地址转译 437
x64虚拟地址转译 438
7.6 页面错误处理 439
无效PTE 440
原型PTE 441
页面换入I/O 443
冲突的页面错误 444
页面文件 444
7.7 虚拟地址描述符 448
7.8 内存区对象 450
7.9 工作集 457
按需换页 458
7.10 逻辑预取器 458
放置策略 462
工作集管理 463
平衡集管理器和交换器 466
系统工作集 467
7.11 页面帧编号数据库 469
页面列表的动态变化 472
已修改页面写出器 475
PFN数据结构 476
低内存通知和高内存通知 479
7.12 本章总结 483
第8章 安全性 485
8.1 安全系统组件 488
8.2 保护对象 492
访问检查 493
安全描述符和访问控制 506
8.3 账户权限和特权 516
账户权限 517
特权 518
超级特权 523
8.4 安全审计 524
8.5 登录（Logon） 526
Winlogon初始化 528
用户登录步骤 529
8.6 软件限制策略 533
8.7 本章总结 535
第9章 I/O系统 537
9.1 I/O系统组件 537
I/O管理器 539
典型的I/O处理过程 540
9.2 设备驱动程序 541
设备驱动程序的类型 541
驱动程序的结构 548
驱动程序对象和设备对象 550
打开设备 555
9.3 I/O处理 561
I/O类型 561
映射文件I/O和文件缓存 564
I/O请求包 564
针对单层驱动程序的I/O请求 569
针对分层的驱动程序的I/O请求 577
I/O完成端口 585
驱动程序检验器（Driver Verifier） 589
9.4 即插即用（PnP）管理器 590
即插即用支持的级别 591
驱动程序对于即插即用的支持 592
驱动程序加载、初始化和安装 594
驱动程序安装 603
9.5 电源管理器 607
电源管理器的操作 609
驱动程序的电源操作 610
驱动程序对于设备电源的控制 613
9.6 本章总结 613
第10章 存储管理 615
10.1 有关存储的术语 615
10.2 磁盘驱动程序 616
Ntldr 616
磁盘类、端口和小端口驱动程序 617
磁盘设备对象 620
分区管理器 622
10.3 卷的管理 622
基本磁盘 624
动态磁盘 626
多分区卷的管理 632
卷名字空间 638
卷的I/O操作 646
虚拟磁盘服务 648
卷影像（shadow）拷贝服务 649
10.4 本章总结 654
第11章 缓存管理器 655
11.1 缓存管理器的关键特性 655
单个中心化的系统缓存 656
内存管理器 656
缓存一致性 656
虚拟块缓存 658
流式缓存机制 658
对可恢复文件系统的支持 658
11.2 缓存的虚拟内存管理 660
11.3 缓存的大小 662
LargeSystemCache 662
缓存的虚拟大小 663
缓存的工作集大小 665
缓存的物理大小 667
11.4 缓存的数据结构 668
系统范围的缓存数据结构 669
针对每个文件的缓存数据结构 670
11.5 文件系统接口 674
从缓存中来回拷贝数据 676
通过映射和锁定接口进行缓存 677
通过直接内存访问接口进行缓存 678
11.6 快速I/O 679
11.7 预读（Read Ahead）和滞后写（Write Behind） 682
智能预读 682
回写缓存（Write-Back Caching）和延迟写（Lazy Writing） 683
写节流（Write Throttling） 686
系统线程 687
11.8 本章总结 688
第12章 文件系统 689
12.1 Windows文件系统格式 690
CDFS 690
UDF 691
FAT12、FAT16和FAT32 691
NTFS 694
12.2 文件系统驱动程序总体结构 694
本地FSD 695
远程FSD 696
文件系统操作 700
文件系统过滤型驱动程序 705
12.3 诊断文件系统的问题 711
Filemon的基本和高级模式 711
Filemon诊断技巧 712
12.4 NTFS设计目标和特性 717
高端（High-End）文件系统的需求 717
NTFS的高级特性 719
12.5 NTFS文件系统驱动程序 729
12.6 NTFS在磁盘上的结构 732
卷（volume） 732
簇（cluster） 732
主文件表（MFT） 733
文件引用号 739
文件纪录 740
文件名 742
驻留的和非驻留的属性 744
数据压缩和稀疏文件 747
变化日志文件 752
索引 753
对象ID 754
配额跟踪 755
统一的安全性 756
重解析点 758
12.7 NTFS的恢复支持 758
文件系统设计的演变 759
日志记录 761
恢复 767
NTFS的坏簇恢复 771
12.8 加密文件系统（EFS）安全性 775
第一次加密一个文件 778
解密过程 783
加密文件的备份 784
12.9 本章总结 785
第13章 网络 787
13.1 Windows的网络总体结构 787
OSI参考模型 787
Windows网络组件 789
13.2 网络API 791
Windows套接字（Windows Sockets） 791
远过程调用 798
Web访问API 803
命名管道和邮件槽 804
NetBIOS 811
NetBIOS的操作 812
其他的网络API 813
13.3 多重定向器支持 815
多提供者转发器 816
多UNC提供者 818
13.4 名称解析 820
域名系统 820
Windows Internet名称服务 820
13.5 协议驱动程序 821
TCP/IP的扩展 824
13.6 NDIS驱动程序 828
NDIS小端口的变化形式 832
面向连接的NDIS 832
外接NDIS（Remote NDIS） 835
QOS 836
13.7 绑定 838
13.8 分层的网络服务 839
远程访问（Remote Access） 839
活动目录 840
网络负载平衡 841
文件复制服务 843
分布式文件系统 843
13.9 本章总结 844
第14章 崩溃转储分析 845
14.1 Windows为什么会崩溃 845
14.2 蓝屏 846
14.3 崩溃转储文件 849
崩溃转储的生成 852
14.4 Windows错误报告 853
14.5 在线崩溃分析 854
14.6 基本的崩溃转储分析 855
Notmyfault 855
基本的崩溃转储分析 856
详细的分析 858
14.7 使用崩溃诊断工具 860
缓冲区溢出和特殊内存池 861
代码改写和系统代码写保护 863
14.8 高级的崩溃转储分析 864
栈破坏 865
挂起的系统或无响应的系统 866
当没有崩溃转储时 869
术语表 871
术语对照表 895
索引 901

　　现在我们已经了解了必须熟悉的术语、概念和工具，所以，我们准备开始挖掘Microsoft Windows操作系统的内部设计目标和数据结构。这一章讲述系统的总体结构--关键的部件、它们相互之间如何交互，以及它们分别运行在什么样的环境下。为了提供一个有助于理解Windows内部机理的框架，首先回顾一下最初的需求和设计目标，这些需求和目标基本上勾画出了Windows系统最初的设计和规范。
　　2.1 需求和设计目标
　　回到1989年，下面的需求导致了Windows NT的以下规范：
　　n 提供一个真正32位的、抢先式的（preemptive）、可重入的（reentrant）虚拟内存操作系统；
　　n 在多种硬件体系结构和平台上运行；
　　n 可在对称多处理器系统（symmetric multiprocessing systems）上运行，并且能很好地适应处理器的数量；
　　n 成为一个主要的分布式计算平台，无论是作为网络客户还是服务器；
　　n 能够运行大多数已有的16位MS-DOS和Microsoft Windows 3.1应用程序；
　　n 符合政府对于POSIX 1003.1兼容性的要求；
　　n 符合政府和工业界对于操作系统安全性方面的要求；
　　n 支持Unicode，以便很容易地适应全球市场。
　　要创建一个满足这些需求的系统，必须做出数千个决定；为了便于做出这些决定，Windows NT设计小组在项目开始之初选择了下面的设计目标：
　　n 扩展性（Extensibility） 编写的系统代码必须能够随着市场需求的变化而自如地增长和改变；
　　n 可移植性（Portability） 系统必须能运行在多种硬件体系结构上，必须能根据市场的需要，相对容易地移到新的体系结构上；
　　n 可靠性和健壮性（Reliability and Robustness） 系统应该能够保护自己，不会因内部的错误和外部的篡改而不能工作。应用程序应该无法伤害操作系统或者其他的应用程序；
　　n 兼容性（Compatibility） 虽然Windows NT应该扩展已有的技术，但是它的用户界面和API应该与老版本的Windows和MS-DOS兼容。而且它也应该能与其他的系统，比如UNIX、OS/2和NetWare，很好地互操作；
　　n 性能（Performance） 在其他设计目标的约束下，系统在每一种硬件平台上应尽可能运行得更快，对外部的响应尽可能地及时。
　　随着我们挖掘Windows内部结构和内部操作的各种细节，你将会看到，这些原始的设计目标和市场要求是如何成功地融入到系统的构造过程中的。但是，在我们开始挖掘内部细节之前，先来看一下Windows的总体设计模型，并且将它与其他的现代操作系统作一比较。

　　《深入解析Windows操作系统，第4版》的读者对象是那些想要理解Microsoft Windows 2000、Windows XP和Microsoft Windows Server 2003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。这样的知识也可以帮助开发人员调试复杂的问题。系统管理员也可以从这些信息中获益，因为理解了操作系统背后的工作原理，可以有助于理解系统的性能行为，以及当事情变糟时更易于诊断各种系统问题。在阅读了这本书以后，你应该可以更好地理解Windows是如何工作的，以及它为什么有这样那样的表现。　　
　　本书的结构　　
　　前两章（“概念和工具”和“系统结构”）奠定了本书后面用到的术语和概念的基础。接下去的三章——“系统机制”、“管理机制”以及“启动和停机”——讲述了系统中关键的底层机制。接下来的八章解释了操作系统的核心组件：进程、线程和作业、内存管理、安全性、I/O系统、存储管理、缓存管理器、文件系统，以及网络，最后一章介绍了崩溃转储分析。　　
　　本书的历史　　
　　本书以前的名称是Inside Windows NT（Microsoft Press，1992，中文版的名称是《Windows NT技术内幕》），现在是第4版。第1版是由Helen Custer著的（在Microsoft Windows NT 3.1的最初发布以前出版）。Inside Windows NT是第一本关于Windows NT的书籍，它提供了有关Windows NT系统的体系结构和设计方面的关键要点。Inside Windows NT，Second Edition（Microsoft Press 1998）是由David Solomon著的。该书在内容上做了更新，涵盖了Windows NT 4.0，并且大大地提高了技术深度的层次。Inside Windows 2000，Third Edition（Microsoft Press，2000）是由David Solomon和Mark Russinovich合著的。第3版增加了许多新的话题，比如启动和停机、Windows服务的内部机理、注册表的内部机理、文件系统驱动程序、网络，以及Windows 2000中内核的变化，其中，关于Windows 2000中内核的变化，包含了Windows驱动程序模型（WDM，Windows Driver Model）、即插即用、电源管理、Windows管理规范（WMI，Windows Management Instrumentation）、加密、作业对象和终端服务。　　
　　第4版的变化　　
　　这一最新的版本，现在称为“Microsoft Windows Internals（Fourth Edition）”，在内容上做了更新，以覆盖Windows XP和Windows Server 2003中所做的内核变化，包括对于64位系统的支持。练习用的实验也相应地做了更新，以反映出工具中的变化；新增加的实验用到了一些在第3版写作时尚未可用的新工具。　　
　　由于从Windows 2000到后续版本之间的内核变化相对较小（与“Windows NT 4.0和Windows 2000之间的变化”相比较而言），所以，本书中绝大部分内容适用于Windows 2000、Windows XP和Windows Server 2003。因此，除非特别声明，否则一切内容都适用于这三个版本。　　
　　练习实验　　
　　即使没有访问源代码，你也可以通过一些工具（比如内核调试器）来获得许多有关Windows内部机理的知识。每当可以通过一个工具来揭示或演示Windows内部行为的某一方面时，本书中的“实验”辅助章节就会列出让你自己试用该工具时遵从的步骤。这样的实验遍布全书，我们鼓励你在阅读本书时试一试这些实验——看一看Windows内部是如何工作的，这比你仅仅读一遍本书所得到的印象要深刻得多。　　
　　本书没有涵盖的话题　　
　　Windows是一个大而复杂的操作系统。本书并没有涵盖与Windows内部机理相关的一切内容，而是把焦点集中在基本的系统组件上。例如，本书没有讲述COM+（Windows分布式面向对象编程基础设施），也没有讲述.NET框架（下一代托管代码的应用程序的基础）。　　
　　因为这是一本讲述内部机理的书籍，不是一本用户指南、程序设计或系统管理类型的书籍，所以，本书没有描述如何使用、编程或配置Windows。　　
　　提醒和告诫　　
　　因为本书讲述的是Windows操作系统中未文档化的内部结构和内部操作的行为（比如内核结构和函数），所以，这些内容有可能会在不同的发行版本中有所变化（外部的接口，比如Windows API，则不会受到不兼容变化的影响）。　　
　　说到“受版本变化的影响”，我们并不是指，本书讲述的细节会在不同发行版本中一定有所变化，但是你不能认为它们不会改变。任何使用了这些未文档化接口的软件都有可能在将来　　
　　的Windows版本上无法正常工作。更糟的是，在内核模式下运行并且用到了这些未文档化接口的软件（比如设备驱动程序）在新的Windows发行版本中运行时可能会导致系统崩溃。
　　支持　　
　　我们做了各种努力来确保本书的精确性。如果你遇到了任何问题，或者有任何疑问，请参考下面列出的资源。　　
　　来自作者的支持　　
　　本书远未达到完美。毫无疑问，它包含一些不精确的地方；或者也有可能，我们忽略了一些本该讲述的话题。如果你发现了任何你认为不正确的地方，或者你相信我们应该包含一些尚未涵盖的材料，欢迎发送电子邮件到本书的更新和修正将张贴在页面上。