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文章作者:WebCrazy
探寻Windows NT/2000 Copy On Write机制
WebCrazy(
http://wecrazy.yeah.net)
Copy On Write机制是典型的Lazy evaluation实现，现代操作系统如Windows NT/2000，UNIX/Linux的内存管理部分大量使用这种机制。本文通过对Windows NT/2000中Copy On Write机制作一深入分析，旨在探寻Windows NT/2000内核态内存管理器的几个重要的数据结构，在继续以下的讨论之前，您务必要明白PDE/PTE、VAD等一些术语(参见我先前的《小议Windows NT/2000分页机制》与《分析Windows NT/2000堆内存与虚拟内存组织 》)，另外我将述及另几个与内存子系统相关的术语，如Control Area，Subsection，Working Set List,Page Frame Database。下面列出我在本文中用于分析Copy On Write机制的代码，文中所有的叙述均基于这段代码。
// cow.c
// Writed by ChenChengQin(
tsu00@263.net )
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#define BUFSIZE 10
#pragma data_seg(".seg_cow")
char data[BUFSIZE]={'A','A','A','A','A','A','A','A','A','\0'};
#pragma data_seg()
#pragma comment(linker, "/SECTION:.seg_cow,RWC")
void main(int argc,char *argv[])
{
int i;
if (argc>1){
//memset(data,'B',BUFSIZE);
__asm int 3;
for(i=0;i<BUFSIZE;i++)
data
='B';
data[BUFSIZE-1]='\0';
}
printf("%s",data);
getchar();
}
非常简单的一段代码，使用如下指令编译：
cl /Zi /Fa cow.c
运行一个实例(别退出)：
c:>cow
AAAAAAAAAA
使用SoftICE看看cow.exe映像在内存中的分布：
:addr cow
:map32 cow
Owner Obj Name Obj# Address Size Type
cow .text 0001 001B:00401000 00006BB8 CODE RO
cow .rdata 0002 0023:00408000 000005C8 IDATA RO
cow .data 0003 0023:00409000 00002EC4 IDATA RW
cow .idata 0004 0023:0040C000 00000633 IDATA RW
cow .seg_cow 0005 0023:0040D000 0000010C IDATA RW
cow .reloc 0006 0023:0040E000 000006B2 IDATA RO
//查看.seg_cow段(虚拟地址0x40d000)的首地址的PTE，详见《小议Windows NT/2000分页机制 》
:dd c0000000+1*1000+d*4 l 10
0023:C0001034 003F9225 00000000 00000000 00C3C067 %.?.........g...
--------
|
|_cow.exe进程.seg_cow段首地址的PTE
SoftICE的page命令可以dump出这个PTE的属性，如下所示：
:page 40d000
Linear Physical Attributes
0040D000 003F9000 P A U R
不过这里列出的Attributes并没有指出.seg_cow的Copy On Write属性，因为X86的PTE的低12位(0-11)，即属性位并没有指出这个属性，但Microsoft(当然不仅仅Microsoft)使用了这12位中的保留的系统(OS)位，下面是这一DWORD值在Windows 2000的具体格式：
struct _HARDWARE_PTE_X86 (sizeof=4)
+0 bits0-0 Valid
+0 bits1-1 Write
+0 bits2-2 Owner
+0 bits3-3 WriteThrough
+0 bits4-4 CacheDisable
+0 bits5-5 Accessed
+0 bits6-6 Dirty
+0 bits7-7 LargePage
+0 bits8-8 Global
+0 bits9-9 CopyOnWrite
+0 bits10-10 Prototype
+0 bits11-11 reserved
+0 bits12-31 PageFrameNumber
从上的PTE为003F9225的值可以看出0x40d000的只读、CopyOnWrite属性。只读属性是实现CopyOnWrite的保证，这样X86才能在另一个cow实例试图写.seg_cow段时raise一个0eh(页故障)中断(陷阱)，让Windows处理这个Copy On Write操作。基于这个原理，我即运行cow的另一个实例，跟踪Copy On Write机制：
c:>cow 1(设置一个参数，让cow试图更新.seg_cow段)
我在代码中设置了int 3指令让softice在i3here设置为on状态时让softice激活。然后使用bpint e指令让softice捕获0eh中断。i386在raise 0e中断时将发生页故障的虚拟地址保存于CR2寄存器中。Windows 2000页故障处理入口KiTrap0E就是根据这个地址制作cow进程.seg_cow的副本，并替代第二个cow实例工作集(Working List，这儿只指进程工作集，未牵涉系统工作集)的原始页面，实现CopyOnWrite的目的。我并不准备将KiTrap0E的汇编代码列于此，只是讲一讲Windows寻找CR2指定的地址的属性的步骤，Windows 2000中由MiQueryAddressState过程实现。KiTrap0E当然也会调用MiQueryAddressState。
1、首先检查0x40d000(由CR2指定)的PDE。由MiDoesPdeExistAndMakeValid实现。
2、检查PTE。
3、查页框数据库(PFN，Page Frame Database，由内核结构数组变量MmPfnDatabase指定)
4、根据PFN中工作集索引寻找Working Set List Entry(Working Set基址由内核变量_MmWsle指出)，这一步骤由内核例程MiLocateWsle完成。
5、然后根据Wsle的属性(也是前12位)查找MmProtectToValue数组，以获得用户态可以理解的格式。即在winnt.h中定义的PAGE_WRITECOPY、PAGE_READWRITE等等。
步骤3至5其实也实现了物理地址至线性地址的转换，当然这个是在这个地址Present的前提下。这也是为什么Windows 2000使用如此复杂且繁琐的结构来管理内存子系统。确切的说我并没有谈到PFN的PteAddress成员(下面i386kd输出可以看到)，这些都是使用分页文件(pagefile.sys，通过ProtoPTE，即原型PTE实现的)，共享内存块等的基础。David Solomon的书《Inside Windows NT,2nd Edition》有四种PFN形态的具体结构等等其他很多详细的说明。
下面是i386kd的分析，其实根据上面我给定的一些内核变量SoftICE也可以看出些东西。不过远没有i386kd来的容易。
// cow.exe 进程ID(ClientID)=4ac
kd> !process 4ac
!process 4ac
Searching for Process with Cid == 4ac
PROCESS ff605d60 SessionId: 0 Cid: 04ac Peb: 7ffdf000 ParentCid: 04a0
DirBase: 017bc000 ObjectTable: ff610f88 TableSize: 12.
Image: cow.exe
VadRoot ff624168 Clone 0 Private 37. Modified 0. Locked 0.
.
.
.
//转换40d000至物理地址，取得PFN。
//SoftICE中使用Page命令
kd> !vtop 017bc000 40d000
--------
|_DirBase(见!process输出)
!vtop 017bc000 40d000
Pdi 1 Pti d //输出PDE与PTE
0040d000 00a6e000 pfn(00a6e) //输出PFN
//查PfnDatabase
//Softice中:
// dd @MmPfnDatabase+a6e*18 (每一PFN项占用0x18字节)
kd> !pfn a6e
!pfn a6e
PFN 00000A6E at address FFB8EA50
flink 00000097 blink / share count 00000001 pteaddress E151E1B4
reference count 0001 color 0
restore pte 056B04B0 containing page 002AF3 Active P
Shared
/*
查MmWsle
SoftICE中:
:dd @MmWsle+97*4 l 10
0023:C05028FC 0040DF29 000006A0 00510C09 000009B0 ).@.......Q.....
--------
|_0040D000是不是PFN为A6E的Virtual Address
*/
kd> !wsle 4ac
!wsle 4ac
// KPEB中的VmWorkingSetList成员(Windows 2000 Server Build 2195中偏移0f0处，值为C0502000)指出Working Set List
// 见《Windows 2000内核KPEB/KTEB详细结构 》
Working Set @ c0502000
Quota: 2f FirstFree: 22 FirstDynamic: 4
LastEntry ad NextSlot: 16 LastInitialized 257
NonDirect 1e HashTable: c06f3000 HashTableSize: 200
.
.
.
这些i386kd指令已经较清楚的指出以上5个步骤。但要理解Copy On Write还必须对Section(用户态的FileMapping)对象有一基本的理解。在使用NtCreateSection/NtOpenSection(CreateFileMapping/OpenFileMapping间接使用这些例程)等时，Windows 2000一般会在VAD这个自平衡的二叉树中插入一个节点。(我在《分析Windows NT/2000堆内存与虚拟内存组织 》中详细介绍过VAD)。SoftICE在使用query指令dump VAD树时有一成员MMCI(内存管理结构)，她指向的是Control Area。如下所示：
// SoftICE输出
:query cow
Address Range Flags MMCI PTE Name
00010000-00010000 C4000001
.
.
.
00400000-0040E000 07100005 FF62FD48 E11EBF80 cow.exe
--------
|_Control Area
.
.
.
其实我们使用i386kd的!memusage可以dump出系统中所有的Control Area:
kd> !memusage
loading PFN database
loading (99% complete)
Zeroed: 15 ( 60 kb)
Free: 0 ( 0 kb)
Standby: 1274 ( 5096 kb)
Modified: 686 ( 2744 kb)
ModifiedNoWrite: 1 ( 4 kb)
Active/Valid: 14380 ( 57520 kb)
Transition: 11 ( 44 kb)
Unknown: 0 ( 0 kb)
TOTAL: 16367 ( 65468 kb)
Building kernel map
Finished building kernel map
Control Valid Standby Dirty Shared Locked PageTables name
.
.
.
ff62fd48 32 0 0 0 0 0 mapped_file( cow.exe )
--------
|_Control Area与上面SoftICE的MMCI一致
.
.
.
i386kd的ca命令可以看出一个Control Area结构:
kd> !ca ff62fd48
ControlArea @ff62fd48
Segment: e11ebf48 Flink 0 Blink: 0
Section Ref 1 Pfn Ref 8 Mapped Views: 1
User Ref 2 Subsections 7 Flush Count: 0
File Object ff684288 ModWriteCount 0 System Views: 0
WaitForDel 0 Paged Usage a0 NonPaged Usage 120
Flags (10000a0) Image File HadUserReference
File: \Desktop\hack\cow.exe
Segment @ e11ebf48:
Base address 0 Total Ptes f NonExtendPtes: f
Image commit 5 ControlArea ff62fd48 SizeOfSegment: f000
Image Base 0 Committed 0 PTE Template: 54f1c30
Based Addr 400000 ProtoPtes e11ebf80 Image Info: e11ebfc0
Subsection 1. @ ff62fd80
ControlArea: ff62fd48 Starting Sector 0 Number Of Sectors 8
Base Pte e11ebf80 Ptes In subsect 1 Unused Ptes 0
Flags 15 Sector Offset 0 Protection 1
ReadOnly CopyOnWrite
.
.
.
由ca命令的输出结果可以看出这个Control Area有7个子区域(Subsection)，限于篇幅我删掉部分输出结果，你可以将所有结果与SoftICE的map32指令输出比较比较。Control Area中实际上所有Subsection结构均是使用线性结构组织，每个Subsection在Windows 2000 Server Build 2195中占用0x20字节。所以SoftICE可以很容易的分析所有的这些。
需要指出的是不仅仅Section对象使用Control Area，她在Windows 2000中也由SECTION_OBJECT_POINTERS结构使用：
typedef struct _SECTION_OBJECT_POINTERS {
PVOID DataSectionObject; //Control Area
PVOID SharedCacheMap;
PVOID ImageSectionObject; //Control Area
} SECTION_OBJECT_POINTERS;
而每一个FILE_OBJECT都有SECTION_OBJECT_POINTERS成员(见ntddk.h)。这个机制是Windows 2000装载可执行文件、文件IO操作(看到DataSectionObject与ImageSectionObject了吗？)的关键所在。只有熟悉这些结构，才可能真正初步明白Copy On Write机制。剩下的只有你自己多研究研究了。
关于cow.exe，我还有两点要说明的是：
1、cow.c使用#pragma comment(linker, "/SECTION:.seg_cow,RWC")显式的指出.cow_seg段的Copy On Write属性，实际上在Windows NT/2000中这种共享属性是默认存在的。可执行文件的映射、可读可写的数据都被默认设为Copy On Write属性，您可以使用Jeffrey Richter的VMMAP验证这种说法。
2、Windows NT/2000使用可执行文件名(ImageName)用于识别这种程序多个实例间使用Copy On Write共享内存，对于有不同文件名的可执行文件，即便其内容完全一致，这种机制也不起作用，而用分别映射Section对象替之。
所有以上讨论的都没有找到Microsoft的Full Documented，所有以上讨论的也只是在我初步分析Windows 2000后得到的，有什么技术问题需要交流的，欢迎赐教(tsu00@263.net)！
参考资料：
1.David Solomom《Inside Windows NT,2nd Edition》
