在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序間共享內(nèi)存

在不同的場合，很多驅(qū)動(dòng)編寫人員需要在驅(qū)動(dòng)和用戶程序間共享內(nèi)存。兩種最容易的技術(shù)是：?

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l?應(yīng)用程序發(fā)送IOCTL給驅(qū)動(dòng)程序，提供一個(gè)指向內(nèi)存的指針，之后驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序就可以共享內(nèi)存。（應(yīng)用程序分配共享內(nèi)存）?

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l?由驅(qū)動(dòng)程序分配內(nèi)存頁，并映射這些內(nèi)存頁到指定用戶模式進(jìn)程的地址空間，并且將地址返回給應(yīng)用程序。（驅(qū)動(dòng)程序分配共享內(nèi)存）?

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使用IOCTL共享Buffer：?

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使用一個(gè)IOCT描述的Buffer，在驅(qū)動(dòng)和用戶程序間共享內(nèi)存是內(nèi)存共享最簡單的實(shí)現(xiàn)形式。畢竟，IOCTL也是驅(qū)動(dòng)支持其他I/O請求最經(jīng)典的方法。應(yīng)用程序調(diào)用Win32函數(shù)DeviceIoControl()，要被共享的Buffer的基地址和長度被放入OutBuffer參數(shù)中。對于使用這種Buffer共享方式的驅(qū)動(dòng)編寫者需要確定的事情就是對于特定的IOCTL采取哪種Buffer method。既可以使用METHOD_XXX_DIRECT，也可以使用METHOD_NEITHER。?

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（PS：在METHOD_XXX_DIRECT模式下，IO管理器為應(yīng)用層指定的輸出緩沖區(qū)（OutputBuffer）創(chuàng)建一個(gè)MDL鎖住該應(yīng)用層的緩沖區(qū)內(nèi)存，然后，我們可以在內(nèi)核層中使用MmGetSystemAddressForMdlSafe獲得應(yīng)用層輸出緩沖區(qū)所對應(yīng)的內(nèi)核層地址。MDL地址被放在了Irp->MdlAddress中）。?

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如果采用METHOD_XXX_DIRECT方式，那用戶Buffer將被檢查是否正確存取，檢查過后用戶Buffer將被鎖進(jìn)內(nèi)存。驅(qū)動(dòng)需要調(diào)用MmGetSystemAddressForMdlSafe將前述Buffer映射到內(nèi)核地址空間。這種方式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是驅(qū)動(dòng)可以在任意進(jìn)程上下文、任意IRQL優(yōu)先級別上存取共享內(nèi)存Buffer。如果只需要將數(shù)據(jù)傳給驅(qū)動(dòng)則使用METHOD_IN_DIRECT方式。如果從驅(qū)動(dòng)返回?cái)?shù)據(jù)給應(yīng)用程序或者做雙向數(shù)據(jù)交換則使用METHOD_OUT_BUFFER。?

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（PS：這些檢查都將由IO管理器來負(fù)責(zé)，并且，此時(shí)IO管理器將為用戶層的緩沖區(qū)創(chuàng)建MDL。因?yàn)榇藭r(shí)還未到設(shè)備驅(qū)動(dòng)層，當(dāng)前上下文還屬于當(dāng)前發(fā)起 DeviceIo調(diào)用的進(jìn)程，用戶模式緩沖區(qū)的內(nèi)存有效。但是，經(jīng)過IO管理器發(fā)送IRP到下層驅(qū)動(dòng)時(shí)，就不能保證當(dāng)前上下文，幸而有IO管理器為我們創(chuàng)建MDL。這樣，我們就可以在內(nèi)核層獲得對應(yīng)的內(nèi)核地址，并且自由寫入數(shù)據(jù)。）?

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使用METHOD_NEITHER方式描述一個(gè)共享內(nèi)存Buffer存在許多固有的限制和需要小心的地方。（基本上，在任何時(shí)候一個(gè)驅(qū)動(dòng)使用這種方式都是一樣的）。其中最主要的規(guī)則是驅(qū)動(dòng)只能在發(fā)起請求進(jìn)程的上下文中存取Buffer。這是因?yàn)橐ㄟ^Buffer的用戶虛擬地址存取共享內(nèi)存Buffer。這也就意味著驅(qū)動(dòng)必須要在設(shè)備棧的頂端，被用戶應(yīng)用程序經(jīng)由IO Manager直接調(diào)用。期間不能存在中間層驅(qū)動(dòng)或者文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)在我們的驅(qū)動(dòng)之上。在實(shí)際情況下，WDM驅(qū)動(dòng)將嚴(yán)格限制在其Dispatch例程中存儲(chǔ)用戶Buffer。而KMDF驅(qū)動(dòng)則需要在EvtIoInCallerContext事件回調(diào)函數(shù)中使用。?

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另外一個(gè)重要的固有限制就是使用METHOD_NEITHER方式的驅(qū)動(dòng)要存取用戶Buffer必須在PASSIVE_LEVEL的IRQL級別。這是因?yàn)?IO Manager沒有把Buffer鎖在內(nèi)存中，因此驅(qū)動(dòng)程序想要存取共享Buffer時(shí)，內(nèi)存可能被換出去了。如果驅(qū)動(dòng)不能滿足這個(gè)要求，就需要驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)mdl，然后將其共享Buffer鎖進(jìn)到內(nèi)存中。?

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（PS： METHOD_NEITHER不建議使用，還是使用直接IO好。）?

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另外，考慮到傳輸類型的選擇，對于這種方式可能的非直接明顯的限制是對于共享的內(nèi)存必須被用戶模式應(yīng)用程序分配。如果考慮到配額限制，能夠被分配的內(nèi)存數(shù)量是有限的。另外，用戶應(yīng)用程序不能分配物理連續(xù)的內(nèi)存和Non-cache內(nèi)存。當(dāng)然，如果驅(qū)動(dòng)和用戶模式應(yīng)用所有要做的就是使用合理大小的數(shù)據(jù) Buffer將數(shù)據(jù)傳入和傳出，這個(gè)技術(shù)可能是最簡單和實(shí)用的。?

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和它的簡易一樣，使用IOCTL在驅(qū)動(dòng)和用戶模式應(yīng)用之間共享內(nèi)存的也是最常被誤解的方案。一個(gè)使用這種方案的新Windows驅(qū)動(dòng)開發(fā)者常犯的錯(cuò)誤就是當(dāng)驅(qū)動(dòng)已經(jīng)查詢到了Buffer的地址后就通知結(jié)束IOCTL。這是一個(gè)非常壞的事情。為什么？如果應(yīng)用程序突然退出了，比如有一個(gè)意味，會(huì)發(fā)生什么情況。另外一個(gè)問題就是當(dāng)使用METHOD_XXX_DIRECT，如果帶有MDL的IRP被完成，Buffer將不再被映射到系統(tǒng)內(nèi)核地址空間，一次試圖對以前有效的內(nèi)核虛擬地址空間的存取（MmGetSystemAddressForMdlSafe獲取）將使系統(tǒng)崩潰。這通常要避免。?

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一個(gè)針對這個(gè)問題的方案是應(yīng)用程序使用FILE_FLAG_OVERLAPPED打開設(shè)備并且考慮IOCTL使用一個(gè)OVERLAPPED結(jié)構(gòu)。一個(gè)驅(qū)動(dòng)可以針對IRP設(shè)置cancel例程（使用IoSetCancelRoutine），將IRP標(biāo)記為掛起（使用IoMakeIrpPending），并且返回給調(diào)用者STATUS_PENGDING前將IRP放進(jìn)內(nèi)部隊(duì)列。當(dāng)然，KMDF驅(qū)動(dòng)對這類問題可以放心，只需要將請求設(shè)置為進(jìn)行中并且可取消，就像 WDFQUEUE。?

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（PS： 要小心使用MDL，防止應(yīng)用層程序意外退出而造成MDL所描述的虛擬內(nèi)存無效。）?

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使用這種方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：?

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1、當(dāng)應(yīng)用程序從IOCTL調(diào)用中得到ERROR_IO_PENDING的返回結(jié)果時(shí)，知道Buffer被映射了。并且知道什么時(shí)候IOCTL最終完成并將Buffer取消映射。?

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2、通過取消例程（WDM）或者一個(gè)EvtIoCancelOnQueue事件處理回調(diào)例程，驅(qū)動(dòng)程序成功在應(yīng)用程序退出或者取消IO命令時(shí)得到通知，所以它可以執(zhí)行必要的操作來完成IOCTL。因而有MDL位置用于內(nèi)存取消映射操作。

分配并且映射頁：

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現(xiàn)在剩下了前面提到的第二種方法：分配內(nèi)存頁并且映射這些頁到特定進(jìn)程的用戶虛擬地址空間上。使用大多數(shù)Windows驅(qū)動(dòng)編寫者常見的API，這個(gè)方法令人驚訝的容易，同時(shí)也允許驅(qū)動(dòng)對分配內(nèi)存的類型具有最大的控制能力。?

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驅(qū)動(dòng)無論使用什么標(biāo)準(zhǔn)方法，都是希望分配內(nèi)存來共享。例如，如果驅(qū)動(dòng)需要一個(gè)適當(dāng)?shù)脑O(shè)備（邏輯）地址作DMA，就像內(nèi)存塊的內(nèi)核虛擬地址，它能夠使用 AllocateCommonBuffer來分配內(nèi)存。如果沒有要求特定的內(nèi)存特性，要被共享的內(nèi)存大小也是適度的，驅(qū)動(dòng)可以將0填充、非分頁物理內(nèi)存頁分配給Buffer。?

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從主內(nèi)存分配0填充、非分頁的頁面，使用MmAllocatePagesForMDL或者M(jìn)mAllocatePagesForMdlEx。這些函數(shù)返回一個(gè)MDL描述內(nèi)存的分配。驅(qū)動(dòng)使用函數(shù)MmGetSystemAddressForMdlSafe映射MDL描述的頁到內(nèi)核虛擬地址空間。從主內(nèi)存分配頁比使用分頁內(nèi)存池或者非分頁內(nèi)存池得到的內(nèi)存更加安全，后者不是一個(gè)好主意。?

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PS：這種方式是內(nèi)核來分配內(nèi)存空間，但是是使用MmAllocatePagesForMDL從主內(nèi)存池中分配，返回得到一個(gè)MDL，對于驅(qū)動(dòng)如何使用該共享內(nèi)存，采用MmGetSystemAddressForMdlSafe得到其內(nèi)核地址。對于應(yīng)用層使用該共享內(nèi)存，采用 MmMapLockedPagesSpecifyCache映射到應(yīng)用層進(jìn)程地址空間中，返回用戶層地址空間的起始地址，將其放在IOCTL中返回給用戶應(yīng)用程序。?

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借助一個(gè)用來描述共享內(nèi)存的MDL，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)在準(zhǔn)備映射這些頁到用戶進(jìn)程地址空間。這可以使用函數(shù)MmMapLockedPagesSpecifyCache來實(shí)現(xiàn)。你需要知道調(diào)用這個(gè)函數(shù)的竅門是：?

你必須在你希望映射Buffer的進(jìn)程上下文中調(diào)用這個(gè)函數(shù)。?

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PS：如果是在別的進(jìn)程上下文中調(diào)用，就變成了映射到其他進(jìn)程上下文中了，但是我如何保證在我希望映射Buffer的進(jìn)程上下文調(diào)用呢？?

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設(shè)定AccessMode參數(shù)為UserMode。對MmMapLockedPagesSpecifyCache函數(shù)調(diào)用返回值是MDL描述內(nèi)存頁映射的用戶虛擬地址空間地址。驅(qū)動(dòng)可以將其放在對應(yīng)IOCTL的緩存中給用戶應(yīng)用程序 。

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你需要有一個(gè)方法，在不需要時(shí)將分配的內(nèi)存清除掉。換句話說，你需要調(diào)用MmFreePageFromMdl來釋放內(nèi)存頁。并且調(diào)用IoFreeMdl來釋放由MmAllocatePageForMdl(Ex)創(chuàng)建的MDL。你幾乎都是在你驅(qū)動(dòng)的IRP_MJ_CLEANUP處理例程（WDM）或者 EvtFileCleanup事件處理回調(diào)（KMDF中作這個(gè)工作）。

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這是所要做的，綜合起來，完成這個(gè)過程的代碼見下面。

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PVOID CreateAndMapMemory(OUT PMDL* PMemMdl,OUT PVOID* UserVa){PMDL Mdl;PVOID UserVAToReturn;PHYSICAL_ADDRESS LowAddress;PHYSICAL_ADDRESS HighAddress;SIZE_T TotalBytes;// 初始化MmAllocatePagesForMdl需要的Physical Address LowAddress.QuadPart = 0;MAX_MEM(HighAddress.QuardPart);TotalBytes.QuadPart = PAGE_SIZE;// 分配4K的共享緩沖區(qū) Mdl = MmAllocatePagesForMdl(LowAddress,HighAddress,LowAddress,TotalBytes);if(!Mdl){Return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;}// 映射共享緩沖區(qū)到用戶地址空間 UserVAToReturn = MmMapLockedPagesSpecifyCache(Mdl,UserMode,MmCached,NULL,FALSE,NormalPagePriority);if(!UserVAToReturn){MmFreePagesFromMdl(Mdl);IoFreeMdl(Mdl);Return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCE;}// 返回，得到MDL和用戶層的虛擬地址*UserVa = UserVAToReturn;*PMemMdl = Mdl;return STATUS_SUCCESS;}

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當(dāng)然，這種方法也有缺點(diǎn)，調(diào)用MmMapLockedPagesSpecifyCache必須在你希望內(nèi)存頁被映射的進(jìn)程上下文來做。較之使用 METHOD_NEITHER的IOCTL方法，該方法表現(xiàn)出不必其更多的靈活性。然而，不像前者，后者只需一個(gè)函數(shù)（MmMapLockerPagesSpecifyCache）在目標(biāo)上下文被調(diào)用。由于很多OEM設(shè)備驅(qū)動(dòng)在設(shè)備棧中只有一個(gè)且直接基于總線的（也就是在其上沒有別的設(shè)備，除了總線驅(qū)動(dòng)其下沒有別的驅(qū)動(dòng)），這個(gè)條件很容易滿足。對于那些少量的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，處于設(shè)備棧的深處并且需要和用戶模式應(yīng)用直接共享 Buffer的，一個(gè)企業(yè)級的驅(qū)動(dòng)編寫者可能能找到一個(gè)安全的地方在請求的進(jìn)程上下文中調(diào)用。

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在頁面被映射以后，共享內(nèi)存就可以象使用METHOD_XXX_DIRECT的IOCTL方法一樣，能夠在任意的進(jìn)程上下文被存取，也可以在高IRQL上存取（因?yàn)楣蚕韮?nèi)存來之非分頁內(nèi)存）。

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PS：需要我們確定的一點(diǎn)就是何時(shí)調(diào)用MmMapLockedPagesSpecifyCache安全的映射到指定進(jìn)程的上下文中。還有一點(diǎn)，就是該共享內(nèi)存處于非分頁內(nèi)存中，所以可以在搞IRQL上存取。

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如果你使用這種方法，有一個(gè)決定性的事情一直要記者：你必須確信你的驅(qū)動(dòng)要提供方法，在任何時(shí)候用戶進(jìn)程退出的時(shí)候，能夠?qū)⒛阌成涞接脩艨臻g的頁面作取消映射的操作。這件事情的失敗會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在應(yīng)用層退出的時(shí)候崩潰。我們找到一個(gè)簡單方法就是無論何時(shí)應(yīng)用層關(guān)閉設(shè)備句柄，則對這些頁面作取消映射操作。由于應(yīng)用層關(guān)閉句柄，出現(xiàn)意外或者其他情況，驅(qū)動(dòng)將收到對應(yīng)于該應(yīng)用層打開的設(shè)備文件對象的一個(gè)IRP_MJ_CLEANUP，你可以確信這是工作的。你將在 CLEANUP使執(zhí)行這些操作，而不是CLOSE，因?yàn)槟憧梢员ＷC在請求線程的上下文中得到Cleanup IRP。下面代碼可以看見分配資源的釋放。

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VOID UnMapAndFreeMemory(PMDL PMdl,PVOID UserVa){if(!PMdl){ return ;}// 解除映射 MmUnMapLockerPages(UserVa,PMdl);// 釋放MDL鎖定的物理頁 MmFreePagesFromMdl(PMdl);// 釋放MDL IoFreeMdl(PMdl);}

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其他挑戰(zhàn)：

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無論使用哪種機(jī)制，驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序?qū)⑿枰С滞酱嫒」蚕韮?nèi)存的通用方式，這可以通過很多許多方法來做。可能最簡單的機(jī)制是共享一個(gè)或者多個(gè)命名事件。應(yīng)用和驅(qū)動(dòng)共享事件的最簡單方法就是應(yīng)用層生成事件，然后將事件句柄傳遞給驅(qū)動(dòng)層。驅(qū)動(dòng)然后從應(yīng)用層的上下文中Reference事件句柄。如果你使用這種方法，請不要忘記在驅(qū)動(dòng)的Cleanup處理代碼中Dereference這個(gè)句柄。

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PS：一定要注意解引用來自應(yīng)用層的事件對象。

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總結(jié)：

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我們觀察了兩種在驅(qū)動(dòng)和用戶模式應(yīng)用程序共享內(nèi)存的方法：

1、用戶層創(chuàng)建緩沖區(qū)并且通過IOCTL傳遞給驅(qū)動(dòng)

2、在驅(qū)動(dòng)中使用MmAllocatePagesForMdl分配內(nèi)存頁，得到MDL，然后將該MDL所描述的內(nèi)存映射到用戶層地址空間（MmMapLockedPagesSpecifyCache）。得到用戶地址空間的起始地址，并通過IOCTL返回給用戶層。

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譯者注：

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在使用命名事件來同步驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序共享緩沖區(qū)時(shí)，一般不要使用驅(qū)動(dòng)程序創(chuàng)建命名事件，然后根據(jù)應(yīng)用程序名稱打開的方法。這種方法雖然可以使得驅(qū)動(dòng)激活事件后，所有相關(guān)應(yīng)用程序都能夠被喚醒，方便程序的開發(fā)，但是他有兩個(gè)問題：一是命名事件只有在WIN32子系統(tǒng)起來后才能正確創(chuàng)建，這會(huì)影響到驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。最嚴(yán)重的問題是在驅(qū)動(dòng)中創(chuàng)建的事件其存取權(quán)限要求比較高，在WinXP下要求具有Administrator組權(quán)限的用戶創(chuàng)建的應(yīng)用程序才能夠存取該事件。在Vista系統(tǒng)下由于安全功能的強(qiáng)化，這方面的問題更加嚴(yán)重。因此盡量使用應(yīng)用程序創(chuàng)建的事件，或者通過其他同步方式

posted on 2013-08-15 20:11 RodYang 閱讀(...) 評論(...) 編輯 收藏

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總結(jié)

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