地址转译的相关问题（五）
2017-03-28 09:43
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PFN数据库的概念
前面我们看到，有效的PTE 中有一个页面帧编号，此页面帧编号为20 位，指向一个物理内存中的页面，而且我们在前面的介绍中看到了利用MiRemoveAnyPage 或 MiRemoveZeroPage 函数申请物理内存页面的用法，其返回值也是一个页面帧。
所谓PFN 数据库，就是一个数组，每一项都描述了一个物理页面的状态，大小为8字节*6。
如下：
typedef
struct _MMPFN {
union {
PFN_NUMBER Flink;
WSLE_NUMBER WsIndex;
PKEVENT Event;
NTSTATUS ReadStatus;
//
// Note: NextStackPfn is actually used asSLIST_ENTRY, however
// because of its alignmentcharacteristics, using that type would
// unnecessarily add padding to thisstructure.
//
SINGLE_LIST_ENTRY NextStackPfn;
} u1;
PMMPTE PteAddress;
union {
PFN_NUMBER Blink;
//
// ShareCount transitions are protectedby the PFN lock.
//
ULONG_PTR ShareCount;
} u2;
union {
//
// ReferenceCount transitions aregenerally done with InterlockedXxxPfn
// sequences, and only the 0->1 and1->0 transitions are protected
// by the PFN lock. Note that a *VERY* intricate synchronization
// scheme is being used to maximizescalability.
//
struct {
USHORT ReferenceCount;
MMPFNENTRY e1;
};
struct {
USHORT ReferenceCount;
USHORT ShortFlags;
} e2;
} u3;
#if defined (_WIN64)
ULONG UsedPageTableEntries;
#endif
union {
MMPTE OriginalPte;
LONG AweReferenceCount;
};
union {
ULONG_PTR EntireFrame;
struct {
#if defined (_WIN64)
ULONG_PTR PteFrame: 57;
#else
ULONG_PTR PteFrame: 25;
#endif
ULONG_PTR InPageError : 1;
ULONG_PTR VerifierAllocation : 1;
ULONG_PTR AweAllocation : 1;
ULONG_PTR Priority : MI_PFN_PRIORITY_BITS;
ULONG_PTR MustBeCached : 1;
};
} u4;
} MMPFN, *PMMPFN;
extern
PMMPFN MmPfnDatabase;
#define MI_PFN_ELEMENT(index) (&MmPfnDatabase[index])
可以看出，MmPfnDatabase数组是以页帧编号为索引的，因此，要查看一个物理页面的状态，只需直接以页帧编号为索引，就可以获取到该页面的PFN 项。
一个物理页面可能的状态：
其中 OriginalPte 包含了指向此页面的PTE 的原始内容，当一个物理页面分配给一个PTE ，它记录了原来的PTE，之后当该物理页面不再为它所用，可以恢复原来的PTE，
活动状态的页面不存在链表，而备用页面，修改页面，已修改但不写出页面，零化页面或空闲页面都组织成一个链表。
对于正在转移状态的PFN，第一项要么指向一个同步事件（I/O正在进行），要么是一个I/O 错误码（页面换入过程中产生错误），转移状态的PFN 的用途是用于识别和消除冲突的页面冲突。
贴几张PFN 数据库相关的图
遗留的几个函数的分析
首先了解一个结构体
typedef
struct _MMINPAGE_SUPPORT {
KEVENT Event;
IO_STATUS_BLOCKIoStatus;
LARGE_INTEGERReadOffset;
LONG WaitCount;
#if defined (_WIN64)
ULONGUsedPageTableEntries;
#endif
PETHREADThread;
PFILE_OBJECTFilePointer;
PMMPTE BasePte;
PMMPFN Pfn;
union {
MMINPAGE_FLAGS e1;
ULONG_PTRLongFlags;
PMDLPrefetchMdl; // Only used under _PREFETCH_
} u1;
MDL Mdl;
PFN_NUMBERPage[MM_MAXIMUM_READ_CLUSTER_SIZE + 1];
SINGLE_LIST_ENTRY ListEntry;
} MMINPAGE_SUPPORT, *PMMINPAGE_SUPPORT;
MiResolvePageFileFault (
IN PVOID FaultingAddress,
IN PMMPTE PointerPte,
OUT PMMPTE CapturedPteContents,
OUT PMMINPAGE_SUPPORT *ReadBlock,
IN PEPROCESS Process,
IN KIRQL OldIrql
)
函数建立一个MDL
和相关的结构体，然后读取页面文件以解决页面错误
申请一个读块，计算周边可以一起读取的页面的大小
如果一次读取的页面只有一个
申请一个内存页，然后调用MiInitializeReadInProgressSinglePfn初始化PFN
元素为转译/正在读入的状态。初始一个ReadBlockLocal的一个事件，当I/O
操作完成，该事件被设置触发。
如果有多个页面需要读取
申请多个内存页，构建一个MDL
描述这些页面，然后调用MiInitializeReadInProgressPfn，设置所有PTE为转移状态，且无效，每次内部循环都增加页表页的共享计数，即PTE
个数。
// PageFileNumber为页面文件号，默认只有一个页面文件，最多16个
然后设置ReadBlockLocal
的文件对象为MmPagingFile[PageFileNumber]->File;
函数的最后判断，如果一次读取的页面只有一个，为其建立一个MDL。
NTSTATUS
IoPageRead(
IN PFILE_OBJECTFileObject,
IN PMDLMemoryDescriptorList,
IN PLARGE_INTEGERStartingOffset,
IN PKEVENT Event,
OUT PIO_STATUS_BLOCKIoStatusBlock
)
所有正在执行的I/O
操作，被设置为IRP_PAGING_IO,读页操作被标识为使用IRP IRP_INPUT_OPERATION
MDL 标识读写操作的内存页面，大小，如果MDL
的低字节被设置，为异步操作，否则为同步
函数内部得到文件对象关联的设备对象，然后申请IRP
，和IRP
堆栈，设置IRP读写方式（同步/异步）及其它成员。
然后设置IRPSPà主功能码为读，设置文件对象，长度和偏移，并将其IRP设置为刚申请的IRP。然后IoCallDriver(deviceObject,irp),调用驱动程序，进行读操作。
首先通过MiRemoveZeroPage 或MiRemoveAnyPage 或MiRemoveZeroPageIfAny 申请一个物理页面，得到 PageFrameIndex,然后调用 MiInitializePfn 函数初始化PFN项，该函数设置PFN指向PTE地址，以及保留PTE 的值。最后如果是用户空间的PTE，设置PTE 中的有效位，访问位，PFN 域，以及保护属性。如果是系统空间的PTE，只设置PFN，保护属性，还有一个检查判断全局访问标识的位
NTSTATUS
MiResolveProtoPteFault (
IN ULONG_PTR StoreInstruction,
IN PVOID FaultingAddress,
IN PMMPTE PointerPte,
IN PMMPTE PointerProtoPte,
IN OUT PMMPFN *LockedProtoPfn,
OUT PMMINPAGE_SUPPORT *ReadBlock,
OUT PMMPTE CapturedPteContents,
IN PEPROCESS Process,
IN KIRQL OldIrql,
IN PVOID TrapInformation
)
如果指令尝试修改错误的地址（比如修改，访问请求），非空
LockedProtoPfn 指向原型PTE
的PFN
的地址，如果锁定了PFN
非空，否则为空，如果此函数解锁PFN，也应该清除这个指针。
ReadBlock 已经了解过了。CapturedPteContents---捕获的PTE
内容，以便比较PTE
是否改变。当且仅当调用者要处理I/O
的情况（此函数返回STATUS_ISSUE_PAGING_IO)
首先，如果原型PTE
有效，直接调用MiCompleteProtoPteFault完成函数即可,该函数增加包含PTE
的页表页面的共享计数，如果是修改指令，且非拷贝写，设置PFN
修改位，PTE
脏位。如果LockedProtoPfn不为空，释放锁，清除指针。然后利用原型PTE
设置PTE
有效即可
如果需要重新检查访问权限，检查访问权限。然后判断是否为拷贝写。
如果原型PTE
要求零页面，且页面属性为拷贝写，让这个页面变为私有的需要零的页面，并申请一个零页面并返回。
然后就是分别解决原型PTE
的几个页面错误问题：页面文件，转移，需要零页面，映射文件错误。
其中的三个，页面文件，转移，要求零页面已经介绍过，下面主要看映射文件错误：
NTSTATUS
MiResolveMappedFileFault (
IN PMMPTEPointerPte,
OUTPMMINPAGE_SUPPORT *ReadBlock,
IN PEPROCESSProcess,
IN KIRQLOldIrql
)
函数建立MDL
和其它需要的结构以处理页面错误
首先得到PTE
对应的子内存区对象和子内存区对象对应的控制域。然后申请ReadBlock
以在之后的读磁盘操作中使用。
然后建立MDL，尽量增加一次读取磁盘的数据大小。
然后计算要读取的文件内偏移，通过函数：MiStartingOffset
得到Subsection
和 PTE
指定的文件的偏移，镜像文件是512
字节对齐的，而数据文件是4KB
对齐的。SubsectionBase 为第一个PTE 地址，当前PTE 地址-第一个pte地址之后得到的是页面文件的数量，然后*页面大小4KB，然后+subsection 中的startsector 指定的开始簇*（镜像文件/数据文件对应的对齐大小，即可得到文件偏移）。
offset = base + (thispte-basepte)<< PAGE_SHIFT)
后面申请内存页面，初始化MDL
和 ReadBlock
之后返回一个STATUS_ISSUE_PAGING_IO。
首先获得PTE
对应的PFN Index
和 PFN
如果当前页面得到一个读页错误，证明有其它线程正在冲突访问当前页面，延缓操作，并让其它线程完成并返回。
在释放锁定之前捕捉相关的pfn字段，因为页面可能会立即重新使用，返回一个I/O status
如果当前操作的页面正在读----冲突的页面错误，首先增加pfn
的引用计数，这样在所有的冲突的页面错误完成之前，这个页面不会被复用。
设置InPageBlock
的地址，此函数的调用者必须释放这个块。
然后调用函数MiWaitForInPageComplete 该函数内部进行的操作，如上一篇“冲突的页面错误”锁描述。
如果是普通的转移状态的PTE，直接设置PTE
的状态？？？
前面我们看到，有效的PTE 中有一个页面帧编号，此页面帧编号为20 位，指向一个物理内存中的页面，而且我们在前面的介绍中看到了利用MiRemoveAnyPage 或 MiRemoveZeroPage 函数申请物理内存页面的用法，其返回值也是一个页面帧。
所谓PFN 数据库，就是一个数组，每一项都描述了一个物理页面的状态，大小为8字节*6。
如下：
typedef
struct _MMPFN {
union {
PFN_NUMBER Flink;
WSLE_NUMBER WsIndex;
PKEVENT Event;
NTSTATUS ReadStatus;
//
// Note: NextStackPfn is actually used asSLIST_ENTRY, however
// because of its alignmentcharacteristics, using that type would
// unnecessarily add padding to thisstructure.
//
SINGLE_LIST_ENTRY NextStackPfn;
} u1;
PMMPTE PteAddress;
union {
PFN_NUMBER Blink;
//
// ShareCount transitions are protectedby the PFN lock.
//
ULONG_PTR ShareCount;
} u2;
union {
//
// ReferenceCount transitions aregenerally done with InterlockedXxxPfn
// sequences, and only the 0->1 and1->0 transitions are protected
// by the PFN lock. Note that a *VERY* intricate synchronization
// scheme is being used to maximizescalability.
//
struct {
USHORT ReferenceCount;
MMPFNENTRY e1;
};
struct {
USHORT ReferenceCount;
USHORT ShortFlags;
} e2;
} u3;
#if defined (_WIN64)
ULONG UsedPageTableEntries;
#endif
union {
MMPTE OriginalPte;
LONG AweReferenceCount;
};
union {
ULONG_PTR EntireFrame;
struct {
#if defined (_WIN64)
ULONG_PTR PteFrame: 57;
#else
ULONG_PTR PteFrame: 25;
#endif
ULONG_PTR InPageError : 1;
ULONG_PTR VerifierAllocation : 1;
ULONG_PTR AweAllocation : 1;
ULONG_PTR Priority : MI_PFN_PRIORITY_BITS;
ULONG_PTR MustBeCached : 1;
};
} u4;
} MMPFN, *PMMPFN;
extern
PMMPFN MmPfnDatabase;
#define MI_PFN_ELEMENT(index) (&MmPfnDatabase[index])
可以看出，MmPfnDatabase数组是以页帧编号为索引的，因此，要查看一个物理页面的状态，只需直接以页帧编号为索引，就可以获取到该页面的PFN 项。
一个物理页面可能的状态：
| 活动（active valid） | 页面处于活动状态是指正在被某个 进程使用，或者被用于系统空间（非换页内存池，或者在系统工作集）。对应有一个 有效的PTE指向该页面。 |
| 备用状态（standby) | 这种页面原来属于某个进程或系统工作集，但现在已经从工 作集中移除。这种页面包含的数据对于原来的工作集仍然是有效的，也就是说，在原 来工作集中，页面的内容尚未被修改。原来工作集中的PTE仍然指向该页面，但是 已被标记成正在转移的无效PTE。这种页面处于被回收状态，既可以被系统回收以作 他用，也可以被原来的工作集回收而继续留用。 |
| 已修改状态（modified) | 类似于备用状态，已经从原来的工作集中移除，但是，页 面包含的内容已经被修改过。原来工作集中的PTE仍然指向物理页面，但已被标记 成正在转移的无效PTB。如果系统要把这种页面回收作他用，则必须将其中的内容写 到磁盘上。 |
| 已修改但不写出（modified no-write)。 | 类似于上一种状态，但区别在于，内存管理 器不会将它的内容写到磁盘上。 |
| 转移状态 | 说明一个页面正处于I/O操作进行中，当两个线程并发地在同一个页面上 引发页面错误时，页面错误处理例程通过这一状态可以判断出冲突的页面错误的情 形，从而正确地处理。在4.4.3节中我们看到过这种页面错误冲突的处理过程。值得 一提的是，这里的转移状态是针对一个物理页面中的内容，而无效PTE的转移状态 则是针对它所指的页面已被转移到备用链表或已修改链表中。两者含义大不相同。 |
| 空闲状态。 | 页面是空闲的，不属于任何一个工作集，它们包含了不确定的数据，内存 管理器在重新使用这些页面以前，应根据需要（尤其是出于安全考虑）清除脏数据。 |
| 零化状态 | 页面是空闲的，不属于任何一个工作集，其中的内容已经被全部清零。 |
| 坏状态 | 页面产生硬件错误。系统不再使用这样的页面。 |
其中 OriginalPte 包含了指向此页面的PTE 的原始内容，当一个物理页面分配给一个PTE ，它记录了原来的PTE，之后当该物理页面不再为它所用，可以恢复原来的PTE，
活动状态的页面不存在链表，而备用页面，修改页面，已修改但不写出页面，零化页面或空闲页面都组织成一个链表。
对于正在转移状态的PFN，第一项要么指向一个同步事件（I/O正在进行），要么是一个I/O 错误码（页面换入过程中产生错误），转移状态的PFN 的用途是用于识别和消除冲突的页面冲突。
贴几张PFN 数据库相关的图
遗留的几个函数的分析
首先了解一个结构体
typedef
struct _MMINPAGE_SUPPORT {
KEVENT Event;
IO_STATUS_BLOCKIoStatus;
LARGE_INTEGERReadOffset;
LONG WaitCount;
#if defined (_WIN64)
ULONGUsedPageTableEntries;
#endif
PETHREADThread;
PFILE_OBJECTFilePointer;
PMMPTE BasePte;
PMMPFN Pfn;
union {
MMINPAGE_FLAGS e1;
ULONG_PTRLongFlags;
PMDLPrefetchMdl; // Only used under _PREFETCH_
} u1;
MDL Mdl;
PFN_NUMBERPage[MM_MAXIMUM_READ_CLUSTER_SIZE + 1];
SINGLE_LIST_ENTRY ListEntry;
} MMINPAGE_SUPPORT, *PMMINPAGE_SUPPORT;
访问一个驻留在页面文件中的页面
NTSTATUSMiResolvePageFileFault (
IN PVOID FaultingAddress,
IN PMMPTE PointerPte,
OUT PMMPTE CapturedPteContents,
OUT PMMINPAGE_SUPPORT *ReadBlock,
IN PEPROCESS Process,
IN KIRQL OldIrql
)
函数建立一个MDL
和相关的结构体，然后读取页面文件以解决页面错误
申请一个读块，计算周边可以一起读取的页面的大小
如果一次读取的页面只有一个
申请一个内存页，然后调用MiInitializeReadInProgressSinglePfn初始化PFN
元素为转译/正在读入的状态。初始一个ReadBlockLocal的一个事件，当I/O
操作完成，该事件被设置触发。
如果有多个页面需要读取
申请多个内存页，构建一个MDL
描述这些页面，然后调用MiInitializeReadInProgressPfn，设置所有PTE为转移状态，且无效，每次内部循环都增加页表页的共享计数，即PTE
个数。
// PageFileNumber为页面文件号，默认只有一个页面文件，最多16个
然后设置ReadBlockLocal
的文件对象为MmPagingFile[PageFileNumber]->File;
函数的最后判断，如果一次读取的页面只有一个，为其建立一个MDL。
NTSTATUS
IoPageRead(
IN PFILE_OBJECTFileObject,
IN PMDLMemoryDescriptorList,
IN PLARGE_INTEGERStartingOffset,
IN PKEVENT Event,
OUT PIO_STATUS_BLOCKIoStatusBlock
)
所有正在执行的I/O
操作，被设置为IRP_PAGING_IO,读页操作被标识为使用IRP IRP_INPUT_OPERATION
MDL 标识读写操作的内存页面，大小，如果MDL
的低字节被设置，为异步操作，否则为同步
函数内部得到文件对象关联的设备对象，然后申请IRP
，和IRP
堆栈，设置IRP读写方式（同步/异步）及其它成员。
然后设置IRPSPà主功能码为读，设置文件对象，长度和偏移，并将其IRP设置为刚申请的IRP。然后IoCallDriver(deviceObject,irp),调用驱动程序，进行读操作。
访问一个要求零PTE
首先通过MiRemoveZeroPage 或MiRemoveAnyPage 或MiRemoveZeroPageIfAny 申请一个物理页面，得到 PageFrameIndex,然后调用 MiInitializePfn 函数初始化PFN项，该函数设置PFN指向PTE地址，以及保留PTE 的值。最后如果是用户空间的PTE，设置PTE 中的有效位，访问位，PFN 域，以及保护属性。如果是系统空间的PTE，只设置PFN，保护属性，还有一个检查判断全局访问标识的位
NTSTATUS
MiResolveProtoPteFault (
IN ULONG_PTR StoreInstruction,
IN PVOID FaultingAddress,
IN PMMPTE PointerPte,
IN PMMPTE PointerProtoPte,
IN OUT PMMPFN *LockedProtoPfn,
OUT PMMINPAGE_SUPPORT *ReadBlock,
OUT PMMPTE CapturedPteContents,
IN PEPROCESS Process,
IN KIRQL OldIrql,
IN PVOID TrapInformation
)
如果指令尝试修改错误的地址（比如修改，访问请求），非空
LockedProtoPfn 指向原型PTE
的PFN
的地址，如果锁定了PFN
非空，否则为空，如果此函数解锁PFN，也应该清除这个指针。
ReadBlock 已经了解过了。CapturedPteContents---捕获的PTE
内容，以便比较PTE
是否改变。当且仅当调用者要处理I/O
的情况（此函数返回STATUS_ISSUE_PAGING_IO)
首先，如果原型PTE
有效，直接调用MiCompleteProtoPteFault完成函数即可,该函数增加包含PTE
的页表页面的共享计数，如果是修改指令，且非拷贝写，设置PFN
修改位，PTE
脏位。如果LockedProtoPfn不为空，释放锁，清除指针。然后利用原型PTE
设置PTE
有效即可
如果需要重新检查访问权限，检查访问权限。然后判断是否为拷贝写。
如果原型PTE
要求零页面，且页面属性为拷贝写，让这个页面变为私有的需要零的页面，并申请一个零页面并返回。
然后就是分别解决原型PTE
的几个页面错误问题：页面文件，转移，需要零页面，映射文件错误。
其中的三个，页面文件，转移，要求零页面已经介绍过，下面主要看映射文件错误：
NTSTATUS
MiResolveMappedFileFault (
IN PMMPTEPointerPte,
OUTPMMINPAGE_SUPPORT *ReadBlock,
IN PEPROCESSProcess,
IN KIRQLOldIrql
)
函数建立MDL
和其它需要的结构以处理页面错误
首先得到PTE
对应的子内存区对象和子内存区对象对应的控制域。然后申请ReadBlock
以在之后的读磁盘操作中使用。
然后建立MDL，尽量增加一次读取磁盘的数据大小。
然后计算要读取的文件内偏移，通过函数：MiStartingOffset
得到Subsection
和 PTE
指定的文件的偏移，镜像文件是512
字节对齐的，而数据文件是4KB
对齐的。SubsectionBase 为第一个PTE 地址，当前PTE 地址-第一个pte地址之后得到的是页面文件的数量，然后*页面大小4KB，然后+subsection 中的startsector 指定的开始簇*（镜像文件/数据文件对应的对齐大小，即可得到文件偏移）。
offset = base + (thispte-basepte)<< PAGE_SHIFT)
后面申请内存页面，初始化MDL
和 ReadBlock
之后返回一个STATUS_ISSUE_PAGING_IO。
访问一个转移状态的页面
转换PTE是在空闲或修改的列表上，如果不在两个联表上，则是由于它的ReferenceCount或当前正在从磁盘读入（正在读取）。如果正在读取该页面，则这是一个冲突的访问请求，应该做相应处理首先获得PTE
对应的PFN Index
和 PFN
如果当前页面得到一个读页错误，证明有其它线程正在冲突访问当前页面，延缓操作，并让其它线程完成并返回。
在释放锁定之前捕捉相关的pfn字段，因为页面可能会立即重新使用，返回一个I/O status
如果当前操作的页面正在读----冲突的页面错误，首先增加pfn
的引用计数，这样在所有的冲突的页面错误完成之前，这个页面不会被复用。
设置InPageBlock
的地址，此函数的调用者必须释放这个块。
然后调用函数MiWaitForInPageComplete 该函数内部进行的操作，如上一篇“冲突的页面错误”锁描述。
如果是普通的转移状态的PTE，直接设置PTE
的状态？？？
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