Writing Windows VxDs and Device Drivers, Second Edition pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:CMP

作者:Karen Hazzah

出品人:

页数:479

译者:

出版时间:1996-01-12

价格:USD 54.95

装帧:Paperback

isbn号码:9780879304386

丛书系列:

图书标签:

• 编程
• Windows驱动程序
• VxD
• 设备驱动
• Windows编程
• C语言
• 系统编程
• 驱动开发
• Windows内核
• 底层开发
• 调试

《深入理解操作系统内核：驱动程序与系统编程实践》 内容简介 本书聚焦于现代操作系统内核的底层机制、设备驱动程序的开发范式以及系统级编程的高级技术。它不是一本特定语言或特定操作系统平台的教程，而是一部旨在提升读者对操作系统核心组件理解深度的技术手册，特别强调跨平台和面向未来的架构设计。全书结构严谨，理论与实践紧密结合，旨在帮助系统工程师和高级开发人员构建更稳定、更高效、更安全的软件。 第一部分：操作系统内核基础与架构解析 本部分深入剖析现代操作系统的核心结构，为后续的驱动程序和系统编程打下坚实的理论基础。 内核的演进与现代架构：追溯从单体内核到微内核、混合内核的设计哲学变迁。详细比较不同架构在性能、安全性和模块化方面的优劣，并探讨虚拟化技术（如 Hypervisor）如何与宿主操作系统内核进行交互。 内存管理单元（MMU）的深度剖析：不仅涵盖分页、分段的基本概念，更着重讲解虚拟地址到物理地址的转换过程，包括 TLB（Translation Lookaside Buffer）的工作原理、缓存一致性（Cache Coherency）协议，以及内核如何管理连续内存区域和非连续内存区域的分配策略，例如 Slab 分配器和伙伴系统（Buddy System）。理解这些机制是高效处理大内存和高性能 I/O 的前提。 进程与线程调度机制：超越简单的进程状态转换，本书详述了主流调度算法（如 CFS, Real-Time Schedulers）的内部实现细节。重点分析上下文切换的开销、调度器的锁机制（如自旋锁、互斥锁）如何保证并发安全，以及调度延迟（Latency）在实时系统中的影响。 中断与异常处理：系统对外部事件（硬件中断）和内部错误（异常）的响应机制是内核稳定的基石。本章详细解析中断描述符表（IDT）或类似结构的作用，中断处理流程，以及中断上下文与进程上下文之间的区别和数据传递方式。特别关注如何安全地在中断服务例程（ISR）中执行代码，避免死锁和优先级反转。 第二部分：设备驱动程序开发范式与生命周期 本部分是本书的核心，系统性地指导读者如何设计、实现和调试与硬件直接交互的软件组件——设备驱动程序。 驱动程序在内核中的定位与接口：阐述驱动程序如何通过内核提供的抽象层（如总线模型、设备模型）与核心功能对接。介绍总线枚举（Bus Enumeration）过程，以及驱动程序如何向操作系统注册自己的能力（如字符设备、块设备、网络接口）。 I/O 模型的选择与实现：详细对比和实践了不同的 I/O 交互模式： 轮询（Polling）：适用场景和局限性。 中断驱动 I/O：如何高效地处理中断，并最小化 ISR 的工作量。 直接内存访问（DMA）：这是高性能 I/O 的关键。深入讲解 DMA 控制器（DMAC）的配置、Scatter/Gather 列表的构建，以及硬件与软件之间的数据一致性保证（如内存屏障的使用）。 并发控制与同步机制：驱动程序是并发访问的重灾区。本章详细分析在多核环境下，驱动内部数据结构保护所需的同步工具，包括原子操作（Atomic Operations）、读写锁（RW Locks）的正确使用场景，以及如何避免在内核上下文（如中断、下半部）中不恰当地使用可能导致阻塞的同步原语。 下半部（Bottom Half）机制：解释为什么需要将中断处理分解为上半部（快速执行）和下半部（延迟执行）。详细介绍各种延迟执行机制（如 Tasklets, Workqueues, SoftIRQs）的调度特性、执行环境限制以及在不同内核版本中的推荐用法。 错误处理与调试策略：驱动程序故障可能导致系统崩溃。讲解如何有效地使用内核日志系统、跟踪点（Tracepoints）以及专用的调试工具链（如内核调试器 GDB 扩展、内存检查工具）。重点讨论驱动加载/卸载过程中的资源清理（Cleanup）和反初始化。 第三部分：高级系统编程与性能调优 本部分将视角从硬件接口转向应用层与内核的交互，关注系统性能的优化和安全边界的维护。 系统调用（System Call）的拦截与定制：解析应用层程序如何通过系统调用进入内核空间。深入探讨系统调用表（Syscall Table）的结构，并演示如何在不修改内核源代码的情况下，通过钩子（Hooks）或其他机制安全地实现自定义的系统调用接口，以及面临的安全挑战。 虚拟文件系统（VFS）与文件操作：阐述 VFS 如何提供统一的文件访问接口，屏蔽底层文件系统的差异。重点分析 VFS 层的 Superblock、Inode、Dentry 对象的生命周期管理，以及如何实现自定义的文件系统操作（File Operations）结构体。 内核模块（Kernel Modules）的构建与动态加载：详细介绍模块的编译、链接过程，以及模块初始化/清理函数的设计要求。讨论模块间依赖关系的管理和符号导出/导入机制。 性能分析与瓶颈定位：介绍用于分析内核和驱动程序性能的专业工具集。包括事件追踪（如 eBPF/FTrace）的原理与实践，如何通过分析锁竞争、缓存未命中率（Cache Misses）和系统调用延迟来精确定位性能瓶颈。 安全增强与沙箱技术：探讨驱动程序安全性的常见漏洞（如缓冲区溢出、竞争条件）。介绍现代操作系统为隔离和保护内核提供的机制，例如代码签名、内存保护技术（如 KASLR, SMEP/SMAP），以及如何设计驱动以最小化攻击面。 本书的最终目标是培养读者具备“从硬件寄存器到应用进程”的完整系统视图，使他们能够自信地驾驭最底层的代码，构建可靠、高性能的系统级软件组件。阅读本书需要扎实的 C 语言基础和对计算机体系结构的深刻理解。

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阅读这本书的过程中，我最大的感受是它对“为什么”的深度挖掘，而非仅仅停留在“怎么做”的表面教学。许多技术书籍在讲解完某个API的使用方法后便戛然而止，留给读者的是一堆“黑箱”操作的困惑。但这本书不同，它花了大量篇幅去剖析底层设计哲学，解释微软当初为何选择这种特定的同步机制或内存分配策略。这种追本溯源的写作风格，极大地帮助我理解了驱动程序在操作系统中的“角色定位”和“行为约束”。例如，在讨论并发控制时，作者没有简单地介绍`KeAcquireSpinLock`，而是深入探讨了在多核环境下，锁的粒度如何影响系统性能，以及在不同IRQL级别下，选择非递归锁或递归锁的潜在后果。这种对设计权衡的讨论，远比单纯的API调用指南更有价值，它培养了一种工程师的批判性思维，让你在面对新的驱动需求时，能够自己做出最优的技术选book。这种深度和广度的结合，使得这本书不仅仅是一本技术指南，更像是一部关于系统级软件工程的哲学论述，对于想成为资深内核开发者的读者来说，无疑是极佳的智力磨练场。

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这本书的目录结构实在是让人眼前一亮，它不仅仅是简单地罗列技术章节，更像是一幅精心绘制的蓝图，引导读者从基础概念逐步深入到复杂的内核编程实践。初翻阅时，我就注意到它在I/O模型和内存管理上的阐述方式，不同于那些枯燥的官方文档，作者似乎非常擅长将那些晦涩难懂的系统调用和数据结构用非常具象化的比喻来解释清楚。比如，它对中断处理机制的讲解，就将硬件层面与软件层面的交互描绘成一场精心编排的舞台剧，角色分明，逻辑清晰。我尤其欣赏它对不同Windows版本API差异性的细致对比，这对于那些需要维护遗留代码或面向未来兼容性进行开发的工程师来说，简直是福音。很多教材往往只关注最新版本的特性，而忽略了实际工作中常见的兼容性陷阱，这本书显然在这方面下了大功夫。它没有停留在理论的层面，而是大量穿插了实战性的代码片段和调试技巧，让人感觉仿佛手中握着一本可以直接在生产环境中应用的参考手册，而不是一本束之高阁的教科书。这种实用主义的倾向，使得即便是初次接触底层驱动开发的工程师，也能在最短的时间内建立起对系统架构的整体认知，而不是被一堆陌生的术语淹没。

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我对这本书的排版和配图给予高度评价。在如此技术密集的领域，清晰的视觉辅助是理解复杂流程图的关键。这本书的插图设计非常考究，它们不是那种随意堆砌的方框和箭头，而是经过深思熟虑的示意图，精准地标注了数据流向和控制路径。特别是对于那些涉及硬件寄存器交互和DMA传输流程的章节，如果没有那些高质量的图示，光靠文字描述几乎不可能在脑海中构建出准确的模型。此外，作者在代码示例的呈现上也下足了功夫，采用了统一且易于阅读的格式，关键的结构体定义和函数调用都被清晰地高亮出来，使得我们能够迅速聚焦于核心逻辑。我注意到，书中的示例代码几乎都是可编译、可运行的最小化工作案例，这极大地降低了学习曲线。很多时候，我们学习驱动开发都会卡在环境配置和编译器设置上，这本书似乎预料到了这一点，提供的代码示例都非常“纯净”，有助于读者专注于驱动逻辑本身，而不是在搭建一个能让代码跑起来的环境上浪费时间。

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这本书的深度和广度让人感到既充实又充满挑战性。它并没有迎合那些只希望快速搭建一个“Hello World”驱动的初学者，而是坚定地站在了需要深入理解操作系统核心组件的工程师群体这一边。它所涵盖的主题，从硬件抽象层（HAL）的交互到对象管理器的工作原理，再到安全子系统的集成，构成了一个完整的、现代Windows驱动开发者的知识体系框架。然而，这种全面性也意味着它对读者的预备知识有一定的要求，它假定读者已经对C语言和基本的计算机体系结构有扎实的理解。对于新手来说，阅读过程中可能需要频繁地查阅其他资料来补足基础知识，但这与其说是一个缺点，不如说是一种激励——它迫使读者去搭建一个更坚实的基础。总而言之，这本书与其说是一本工具书，不如说是一份需要投入时间和精力的“修行指南”，它提供的知识深度足以让一个初级驱动工程师成长为能够独立解决复杂内核问题的中坚力量，是一笔对职业生涯有长远价值的投资。

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这本书的作者显然拥有多年的实战经验，这从他对“陷阱”和“怪癖”的描述中体现得淋漓尽致。驱动开发领域充满了各种隐晦的边界条件和平台特有的“遗留问题”，这些信息通常只存在于微软的内部邮件列表或者老工程师的经验分享中，很难在公开文档中找到。这本书则像是一个经验丰富的导师，耐心地提醒读者：“注意，当你在这个特定版本的Windows上操作这个特定的内核对象时，要小心那个未被官方文档充分描述的副作用。”这种基于实战教训的警告，价值连城。它不是在教你如何“正确”地写代码，而是在教你如何写出“健壮的”代码，如何预见那些最有可能导致蓝屏的隐藏因素。对于一个希望避免在半夜被紧急电话叫醒去处理生产环境崩溃的开发者来说，这些关于错误处理、资源清理和竞态条件的深入探讨，比任何关于新特性的介绍都来得实在和重要。

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