VPB的来龙去脉(二)

VPB全局锁:

为了保护对所有VPB成员的访问,I/O Manager用到了一个全局的spinlock:

0: kd> x nt!IopVpbSpinLock
fffff800`01af7640 nt!IopVpbSpinLock = <no type information>

这个全局spinlock并不能为系统驱动所直接引用(没有export出来),所以I/O Manager提供了两个支持函数(主要是为文件系统驱动所用):

VOID
IoAcquireVpbSpinLock(
    OUT PKIRQL Irql
    );

VOID 
IoReleaseVpbSpinLock(
    IN KIRQL  Irql
    );

所有对VPB成员的访问及修改都要在获取VPB锁的情况下进行,无论是I/O Manager还是文件系统驱动都要遵守。

但由于VPB spinlock是个全局锁,一旦被获取,后续所有的打开或创建文件操作(包括在其它文件系统卷上的)都将被阻止,所以持有此锁的时间不宜过长,必须尽可能快地释放。

关于IoAcquireVpbSpinLock()及IoReleaseVpbSpinLock()的内部实现,从XP以后在64位的系统上,I/O Manager用得是Queued SpinLock机制,有兴趣地话不妨自己动手去探索一下究竟。

VPB的引用及多头管理(Distributed Management):

VPB是靠ReferenceCount来管理其生存周期的,任何对设备卷的访问都会产生对此VPB的计数引用。

最主要的引用操作都在Naming Parsing阶段,即IopParseDevice()函数中。IopParseDevice()函数是I/O Manager向对象管理器(Object Manager)注册的“Device”一类对象的名称解析回调函数(Parse Procedure),这部分会在以后介绍“Name Parsing”时再做详述,在此先行略过。

IopParseDevice()在解析到卷设备的DeviceObject以后,会调用IopCheckVpbMounted()来检查此卷设备是不是已挂载文件系统。IopCheckVpbMounted()会做以下的事情:

  • 如果此卷还没有挂载文件系统,则调用IopMountVolume()轮询所有已注册的此类设备的文件系统驱动,尝试去挂载。一旦挂载成功,IopMountVolume()则会调用IopMountInitializeVpb()来设置Vpb内容,并标记VPB_MOUNTED标志。但是VPB_MOUNTED标志的清除却是由文件系统驱动在Dismount时做的,这也是一个典型的多头管理的例证。
  • 对已经挂载的卷设备,则直接增加VPB的引用计数并返回Vpb。

此时,如果返回的Vpb存在,则已经被引用过(ReferenceCount加1)。然后IopParseDevice()会创建FileObject对象,构造IRP_MJ_CREATE请求(文件打开或创建),分发给文件系统驱动。文件系统驱动会解析存储设备上目录及文件信息以定位此文件。

如果文件没有找到或创建失败,IopParseDevice()则要调用IopDereferenceVpbAndFree()以减小引用计数。对于一个则创建的"Clean”状态的Vpb,即便是它的ReferenceCount已归零,此Vpb并不会被IopDereferenceVpbAndFree()释放掉。原因是IopDereferenceVpbAndFree()只会释放非"Clean”状态(即Vcb->RealDevice->Vpb != Vpb)并且ReferenceCount为0的Vpb。正常情况下,从未被挂载过的卷设备的Vpb总是"Clean”的。(如果真得被释放掉,会有什么样的麻烦?)

一旦文件被成功打开或新创建,文件系统驱动会设置FileObject->Vpb项。注意,此操作是由文件系统驱动来做的,而不是I/O Manager,这又是另外一个多头管理的例证。当此文件被关闭时,它的文件对象/FileObject对Vpb的引用就会被清除(ReferenceCount减1)。关闭文件时,Object Manager会调用I/O Manager向其注册的"File” 对象的删除回调函数(Delete Procedure)IopDeleteFile(),然后IopDeleteFile()函数会减小Vpb的引用计数,并向文件系统驱动分发IRP_MJ_CLOSE请求以通知此FileObject的关闭操作。

VPB的释放:

正常情况下,VPB会随着DeviceObject的删除而被释放,具体操作在IopDeleteDevice()中执行。IopDeleteDevice()是I/O Manager所定义的"Device” 对象的删除回调函数(Delete Procedure),在设备移除时Object Manager会调用此函数来释放DeviceObject。

当然除正常情况下的寿终正寝外,总会有非正常死亡的情况存在。只是不同的文件系统驱动对VPB的处理不尽相同,如NTFS不支持Re-mount,可FastFat和CDFS却支持。在这里只以FastFat为例来展开介绍,毕竟WDK中有完整的FastFat的源码,研究起来也容易。

先介绍一下SwapVpb,它是FastFat VCB的一个成员:

0: kd> dt fastfat!_VCB
   +0x000 VolumeFileHeader : _FSRTL_ADVANCED_FCB_HEADER
   +0x058 VcbLinks         : _LIST_ENTRY
   +0x068 TargetDeviceObject : Ptr64 _DEVICE_OBJECT
   +0x070 Vpb              : Ptr64 _VPB
   +0x078 VcbState         : Uint4B
   +0x07c VcbCondition     : _VCB_CONDITION
      ……
   +0x408 ChangeCount      : Uint4B
   +0x410 SwapVpb          : Ptr64 _VPB
      ……
   +0x478 CloseContextCount : Uint4B

SwapVpb是在初始化Vcb时就创建一个备用的Vpb。之所以先准备好这个备用Vpb,是因为在真正需要新的Vpb记录时,有可能无法再从系统内存池中分配任何内存块,可以避免走到进退维谷的地步。

此过程会涉及Mount及Dismount操作,在后续的文章中我会对这两个过程加以详述,鉴于二者对理解VPB的释放过程并无太大妨碍,本文中将不作介绍。

非正常死亡的情况大体上分为两种:

Case 1: Force-dismount

Force-dismount一般发生于两种情形之下:

a) 用户执行FSCTL_DISMOUNT_VOLUME操作,即便FSCTL_LOCK_VOLUME操作失败

b) 用户强行将可插拔设备拔出(对于Changable/Removable Media设备,如CDROM/Floppy,将CD盘片及软盘退出并不属于此类)

这两种情形下,FastFat会调用FatCheckForDismount()并以Force=TRUE的方式强制解除卷设备对象Vpb->RealDevice和文件系统逻辑卷设备Vpb->DeviceObject之间的关联,具体操作可以参阅FatSwapVpb()代码。大体流程如下:

    /* Initialize Vcb->SwapVpb to a “Clean” state */
    Vcb->SwapVpb->Type = IO_TYPE_VPB;
    Vcb->SwapVpb->Size = sizeof( VPB );
    Vcb->SwapVpb->RealDevice = OldVpb->RealDevice;
    Vcb->SwapVpb->RealDevice->Vpb = Vcb->SwapVpb;
    Vcb->SwapVpb->Flags = FlagOn( OldVpb->Flags, VPB_REMOVE_PENDING );
    Vcb->SwapVpb = NULL;
    ……
    /* Update Vcb’s state to VcbBad */
    FatSetVcbCondition( Vcb, VcbBad);
    /* Let FastFat release Vcb->Vpb when destroying Vcb */
    SetFlag( Vcb->VcbState, VCB_STATE_FLAG_VPB_MUST_BE_FREED );

代码第一部分将Vcb->SwapVbp初始化成”Clean”状态,然后替换掉原来的Vpb,替换后RealDevice->Vbp指向了Vcb->SwapVpb,即RealDevice所表示的卷设备对象不再被任何文件系统所接管。但实际上,仍然会有文件正在被系统或应用程序打开,它们的FileObject->Vpb仍然指向老的Vpb,但所有的I/O操作将被文件系统拒绝,只有文件关闭请求仍会被处理,直到最好一个文件被关闭,FastFat的逻辑卷设备及Vcb才会被删除。

你可能会考虑到,在最后一个文件的FileObject被删除时,IopDeleteFile()会调用函数IoDereferenceVpbAndFree()减小Vpb的引用计数,此时的Vpb还是老的Vpb,那么老的Vpb会不会被释放呢?

答案是不会,因为老Vpb的ReferenceCount还没有归零,原因就在于文件系统并没有清除在卷挂载时由IopMountInitializeVpb()所增加的引用计数。FastFat的做法是在Vcb设置标志位:VCB_STATE_FLAG_VPB_MUST_BE_FREED,也就是说将此Vpb看作是Vcb的私有资源了。在Vcb被删除时,FatDeleteVcb()如果检测到此标志位将一并释放Vcb->Vpb。至于为什么要这么做,还有待进一步的研究。但是,如果将Vpb的释放交与I/O Manager(即IopDereferenceVpbAndFree())应该也是可行的。

下面来做个实验:

第一步:将插着FAT32格式SD卡的USB读卡器插入电脑,Windows会自动挂载并分配盘符,此时我们来观察一下其Vcb及Vpb的内容:

1: kd> ?? fastfat!FatData
struct _FAT_DATA
   +0x000 NodeTypeCode     : 0x500
   +0x002 NodeByteSize     : 304
   +0x008 LazyWriteThread  : 0xfffffa80`037151a0
   +0x010 VcbQueue         : _LIST_ENTRY [ 0xfffffa80`0384fa18 - 0xfffffa80`0384fa18 ]
    ……

1: kd> !list "-t nt!_LIST_ENTRY.Flink -e -x \"dd @$extret l4;  dt fastfat!_VCB @$extret-0x58\"  0xfffffa80`0384fa18"
dd @$extret l4;  dt fastfat!_VCB @$extret-0x58
fffffa80`0384fa18  070e34d0 fffff880 070e34d0 fffff880
   +0x000 VolumeFileHeader : _FSRTL_ADVANCED_FCB_HEADER
   +0x058 VcbLinks         : _LIST_ENTRY [ 0xfffff880`070e34d0 - 0xfffff880`070e34d0 ]
   +0x068 TargetDeviceObject : 0xfffffa80`053c7040 _DEVICE_OBJECT
   +0x070 Vpb              : 0xfffffa80`05b54a00 _VPB
   +0x078 VcbState         : 0x101002
   +0x07c VcbCondition     : 1 ( VcbGood )
     ……
   +0x410 SwapVpb          : 0xfffffa80`056f19e0 _VPB
   +0x418 AsyncCloseList   : _LIST_ENTRY [ 0xfffffa80`0384fdd8 - 0xfffffa80`0384fdd8 ]
   +0x428 DelayedCloseList : _LIST_ENTRY [ 0xfffff8a0`170d3880 - 0xfffff8a0`170d3880 ]
   +0x438 AdvancedFcbHeaderMutex : _FAST_MUTEX
   +0x470 CloseContext     : 0xfffff8a0`0af0eef0 CLOSE_CONTEXT
   +0x478 CloseContextCount : 2

1: kd> dt _VPB 0xfffffa80`05b54a00
nt!_VPB
   +0x000 Type             : 10
   +0x002 Size             : 96
   +0x004 Flags            : 1
   +0x006 VolumeLabelLength : 0x10
   +0x008 DeviceObject     : 0xfffffa80`0384f820 _DEVICE_OBJECT
   +0x010 RealDevice       : 0xfffffa80`05bab060 _DEVICE_OBJECT
   +0x018 SerialNumber     : 0x51e712c6
   +0x01c ReferenceCount   : 9
   +0x020 VolumeLabel      : [32]  "CANON_DC"

1: kd> dt _VPB 0xfffffa80`056f19e0
nt!_VPB
   +0x000 Type             : 0
   +0x002 Size             : 0
   +0x004 Flags            : 0
   +0x006 VolumeLabelLength : 0
   +0x008 DeviceObject     : (null)
   +0x010 RealDevice       : (null)
   +0x018 SerialNumber     : 0
   +0x01c ReferenceCount   : 0
   +0x020 VolumeLabel      : [32]  ""

1: kd> !devobj 0xfffffa80`05bab060
Device object (fffffa8005bab060) is for:
HarddiskVolume18 \Driver\volmgr DriverObject fffffa8004086e70
Current Irp 00000000 RefCount 9 Type 00000007 Flags 00003050
Vpb fffffa8005b54a00 Dacl fffff9a1171d06c0 DevExt fffffa8005bab1b0 DevObjExt fffffa8005bab318 Dope fffffa8004fa7fa0 DevNode fffffa80055d9d90
ExtensionFlags (0000000000) 
AttachedDevice (Upper) fffffa8005b4a040 \Driver\fvevol
Device queue is not busy.
1: kd> dt _DEVICE_OBJECT 0xfffffa80`05bab060
nt!_DEVICE_OBJECT
   +0x000 Type             : 3
   +0x002 Size             : 0x2b8
   +0x004 ReferenceCount   : 9
   +0x008 DriverObject     : 0xfffffa80`04086e70 _DRIVER_OBJECT
   +0x010 NextDevice       : 0xfffffa80`045ed440 _DEVICE_OBJECT
   +0x018 AttachedDevice   : 0xfffffa80`05b4a040 _DEVICE_OBJECT
   +0x020 CurrentIrp       : (null)
   +0x028 Timer            : (null)
   +0x030 Flags            : 0x3050
   +0x034 Characteristics  : 1
   +0x038 Vpb              : 0xfffffa80`05b54a00 _VPB
   +0x040 DeviceExtension  : 0xfffffa80`05bab1b0
   +0x048 DeviceType       : 7
   +0x04c StackSize        : 9 ''
   +0x050 Queue            : <unnamed-tag>
   +0x098 AlignmentRequirement : 0
   +0x0a0 DeviceQueue      : _KDEVICE_QUEUE
   +0x0c8 Dpc              : _KDPC
   +0x108 ActiveThreadCount : 0
   +0x110 SecurityDescriptor : 0xfffff8a0`170b0620
   +0x118 DeviceLock       : _KEVENT
   +0x130 SectorSize       : 0x200
   +0x132 Spare1           : 1
   +0x138 DeviceObjectExtension : 0xfffffa80`05bab318 _DEVOBJ_EXTENSION
   +0x140 Reserved         : (null)

可以看出Vcb(0xfffffa80`0384f9c0)的SwapVpb(0xfffffa80`056f19e)为空。其Vpb(0xfffffa80`05b54a00)与Vpb->RealDevice(0xfffffa80`05bab060)所指是一致的。

第二步:将USB读卡器拔出,然后再观察一下Vcb及Vpb的状态:

先看来看Vcb的内容:

0: kd> !list "-t nt!_LIST_ENTRY.Flink -e -x \"dd @$extret l4;  dt fastfat!_VCB @$extret-0x58\"  0xfffffa80`0384fa18"
dd @$extret l4;  dt fastfat!_VCB @$extret-0x58
fffffa80`0384fa18  070e34d0 fffff880 070e34d0 fffff880
   +0x000 VolumeFileHeader : _FSRTL_ADVANCED_FCB_HEADER
   +0x058 VcbLinks         : _LIST_ENTRY [ 0xfffff880`070e34d0 - 0xfffff880`070e34d0 ]
   +0x068 TargetDeviceObject : 0xfffffa80`053c7040 _DEVICE_OBJECT
   +0x070 Vpb              : 0xfffffa80`05b54a00 _VPB
   +0x078 VcbState         : 0x141102
   +0x07c VcbCondition     : 3 ( VcbBad )
    ……
   +0x410 SwapVpb          : (null)
    ……

可以看出,此时SwapVcb项已为空值,Vcb的状态已从VcbGood变成为了VcbBad,并且Vcb->VcbState已被设置上标志位VCB_STATE_FLAG_VPB_MUST_BE_FREED (0x00040000)。

接着再来看Vpb(0xfffffa80`05b54a00)的内容:

0: kd> dt _VPB 0xfffffa80`05b54a00
nt!_VPB
   +0x000 Type             : 10
   +0x002 Size             : 96
   +0x004 Flags            : 9
   +0x006 VolumeLabelLength : 0x10
   +0x008 DeviceObject     : 0xfffffa80`0384f820 _DEVICE_OBJECT
   +0x010 RealDevice       : 0xfffffa80`05bab060 _DEVICE_OBJECT
   +0x018 SerialNumber     : 0x51e712c6
   +0x01c ReferenceCount   : 6
   +0x020 VolumeLabel      : [32]  "CANON_DC"

Vpb->RealDevice指向0xfffffa80`05bab060,并没有变化。下面再来看RealDevice(0xfffffa80`05bab060)的内容:

0: kd> !devobj 0xfffffa80`05bab060
Device object (fffffa8005bab060) is for:
HarddiskVolume18 \Driver\volmgr DriverObject fffffa8004086e70
Current Irp 00000000 RefCount 6 Type 00000007 Flags 00003050
Vpb fffffa80056f19e0 Dacl fffff9a1171d06c0 DevExt fffffa8005bab1b0 DevObjExt fffffa8005bab318 Dope fffffa8004fa7fa0 DevNode fffffa80055d9d90
ExtensionFlags (0x00000004)  DOE_REMOVE_PENDING
AttachedDevice (Upper) fffffa8005b4a040 \Driver\fvevol
Device queue is not busy.
0: kd> dt _DEVICE_OBJECT 0xfffffa80`05bab060
nt!_DEVICE_OBJECT
   +0x000 Type             : 3
   +0x002 Size             : 0x2b8
   +0x004 ReferenceCount   : 6
   +0x008 DriverObject     : 0xfffffa80`04086e70 _DRIVER_OBJECT
   +0x010 NextDevice       : 0xfffffa80`045ed440 _DEVICE_OBJECT
   +0x018 AttachedDevice   : 0xfffffa80`05b4a040 _DEVICE_OBJECT
   +0x020 CurrentIrp       : (null)
   +0x028 Timer            : (null)
   +0x030 Flags            : 0x3050
   +0x034 Characteristics  : 1
   +0x038 Vpb              : 0xfffffa80`056f19e0 _VPB
   +0x040 DeviceExtension  : 0xfffffa80`05bab1b0
   +0x048 DeviceType       : 7
   +0x04c StackSize        : 9 ''
   +0x050 Queue            : <unnamed-tag>
   +0x098 AlignmentRequirement : 0
   +0x0a0 DeviceQueue      : _KDEVICE_QUEUE
   +0x0c8 Dpc              : _KDPC
   +0x108 ActiveThreadCount : 0
   +0x110 SecurityDescriptor : 0xfffff8a0`170b0620
   +0x118 DeviceLock       : _KEVENT
   +0x130 SectorSize       : 0x200
   +0x132 Spare1           : 1
   +0x138 DeviceObjectExtension : 0xfffffa80`05bab318 _DEVOBJ_EXTENSION
   +0x140 Reserved         : (null)

RealDevice(0xfffffa80`05bab060)的Vpb指向不再是0xfffffa80`05b54a00,而是0xfffffa80`056f19e0,0xfffffa80`056f19e0正是之前的Vcb->SwapVpb。下面现再显示一下Vpb(0xfffffa80`056f19e0)的内容,应该为”Clean”状态:

0: kd> dt _VPB 0xfffffa80`056f19e0
nt!_VPB
+0x000 Type : 10
+0x002 Size : 96
+0x004 Flags : 8
+0x006 VolumeLabelLength : 0
+0x008 DeviceObject : (null)
+0x010 RealDevice : 0xfffffa80`05bab060 _DEVICE_OBJECT
+0x018 SerialNumber : 0
+0x01c ReferenceCount : 0
+0x020 VolumeLabel : [32] ""

Vpb->ReferenceCount为0,Vpb->Flags的值为0x08,即VPB_REMOVE_PENDING标志。此标志由Pnp Manager设置,表示此设备已从系统中移除。

Case 2: Remount

Remount的前提是,用户已经将曾挂载好的Removable Media如光盘片、软盘或SD卡拔出了,并且文件系统经过了校验/Verify操作后已将此卷设定成VcbNotMounted状态。

当用户再次插入此Removable Media时,I/O Manager(IopCheckVpbMounted / IopMountVolume)会调用FatMountVolume()去尝试挂载此卷。FatMountVolume()会创建新的逻辑卷设备对象及Vcb结构,然后再于Vcb队列中(FatData.VcbQueue)中查找有无指向同一个设备同一个媒质的逻辑卷设备对象,如果Vcb队列中已存在,则进行Remount。Remount的实质就是重新启用先前生成的逻辑卷设备对象,并将当前新创建的逻辑卷设备删除。

这里只有一点值得强调:

IopMountVolume()通过Irp传递过来的Vpb (iosb->Parameters.MountVolume.Vpb)将会随着新创建的逻辑卷设备对象的删除而被释放掉,先前的挂载时的老Vpb将会重新启用。FastFat会更新老的Vpb至iosb->Parameters.MountVolume.Vpb,因为文件系统上层有可能有过滤/Filter驱动程序访问此iosb->Parameters.MountVolume.Vpb项,如果不更新就会导致内存访问错误发生。

VPB的问题综述:

VPB是缺乏对象化的一个结构体,结构虽不复杂,但其操作却相当琐碎且分散于I/O Manager及文件系统驱动的方方面面,与卷的Mount和Dismount过程息息相关。读者不妨考虑一个问题,能不能将VPB的操作都限制于I/O Manager之中,并做到对文件系统驱动完全透明吗?

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VPB的来龙去脉(一)

VPB是Windows I/O Manager子系统的一个重要的数据结构,全称为 Volume Parameter Block。它的任务是绑定卷设备(如磁盘分区或虚拟磁盘)和接管此卷设备的文件系统(如FastFat,NTFS)。Windows系统上的挂载点(Mount Point,如盘符C:)只能定位至卷设备(如\Device\HarddiskVolume1),Windows Object Manager(对象管理器)在解析路径名时(即Name Parsing过程)还要通过卷设备的VPB信息进一步定位至接管此卷设备的文件系统驱动上。

Relationship of VPB, Storage Volume Device and File System Logical Volume Device

图一

VPB结构说明:

定义于WDK头文件inc\ddk\wdm.h中

typedef struct _VPB {
    CSHORT Type;
    CSHORT Size;
    USHORT Flags;
    USHORT VolumeLabelLength; // in bytes
    struct _DEVICE_OBJECT *DeviceObject;
    struct _DEVICE_OBJECT *RealDevice;
    ULONG SerialNumber;
    ULONG ReferenceCount;
    WCHAR VolumeLabel[MAXIMUM_VOLUME_LABEL_LENGTH / sizeof(WCHAR)];
} VPB, *PVPB

成员说明:

  • Type:  魔数标志 IO_TYPE_VPB
  • Size:   sizeof(VPB)
    Flags:  标志位,相关标志描述如下:
                VPB_MOUNTED (1<<0):       此卷已被文件系统识别并已挂载
                VPB_LOCKED (1<<1):           此卷已被文件系统锁定,锁定操作由请求FSCTL_LOCK_VOLUME完成
                VPB_PERSISTENT (1<<2):   将VPB一直保留在内存中(不释放),即使此VPB引用计数为0
                VPB_REMOVE_PENDING (1<<3): 表示此存储设备即将被卸载/删除。此标志由Pnp Manager(即插
                                                                  即用管理器)管理和使用。此标志在可在处理Pnp请求
                                                                   IRP_MN_CANCEL_REMOVE_DEVICE时清除
                 VPB_RAW_MOUNT (1<<4): 指定此卷仅由系统RAW文件系统接管
  • VolumeLabelLength:  卷标长度(in bytes)
  • DeviceObject:           未命名的文件系统逻辑卷对象(unnamed logical volume)
  • RealDevice:               物理卷设备(如\Device\HarddiskVolume1)
  • SerialNumber:           卷序列号
  • ReferenceCount:      VPB的引用计数,用以控制VPB的生命周期
  • VolumeLabel:             卷标,最长32个双字节
                                      #define MAXIMUM_VOLUME_LABEL_LENGTH (32 * sizeof(WCHAR))

    VPB的操作(包括初始化)是由I/O Manager及文件系统二者共同完成的,所以多头管理正是VPB的复杂性所在,好在正常情况下,VPB的申请和释放均由I/O Manager实施,此时VPB从创建到释放的生命周期中基本上是单线式发展的。但当遇到Force Dismount及Remount特殊情况时,文件系统会直接干预VPB的创建及释放,致使VPB的单线式的发展周期一分为二,致使VPB的管理变得更加复杂。

    我们先从正常情况开始介绍,先介绍几个VPB相关的内部函数:

    0: kd> x nt!*Vpb*
    fffff800`01d62940 nt!IovpBuildDriverObjectList = <no type information>
    fffff800`0189f150 nt!IopDereferenceVpbAndFree = <no type information>
    fffff800`01c54400 nt!IopCreateVpb = <no type information>
    fffff800`01968830 nt!IopReferenceVerifyVpb = <no type information>
    fffff800`01865d0c nt!IopMountInitializeVpb = <no type information>
    fffff800`01865db0 nt!IoAcquireVpbSpinLock = <no type information>
    fffff800`01af7640 nt!IopVpbSpinLock = <no type information>
    fffff800`01903ab0 nt!IopCheckVpbMounted = <no type information>
    fffff800`01865a48 nt!IopQueryVpbFlagsSafe = <no type information>
    fffff800`01c827b0 nt!HvpBuildMapAndCopy = <no type information>
    fffff800`01865de0 nt!IoReleaseVpbSpinLock = <no type information>
    fffff800`01c82ca0 nt!HvpBuildMap = <no type information>

    IoAcquireVpbSinLock()及IoReleaseVpbSpinLock()为系统支持函数(kernel support routine)。Windows I/O Manager在内核中维护一个全局的spinlock锁,以保护所有对Vpb结构体的访问。文件系统和I/O Manager本身在访问Vpb时都必须调用IoAcquireVpbSpinLock(),访问结束后再调用IoReleaseVpbSpinLock()释放全局自销锁。

    IopCreateVpb(): 从NonPagedPool中申请VPB,然后简单初始化VPB(type,size)并与RealDevice一起绑定

    IopCheckVpbMounted(): 检测DeviceObject是不是已经挂载,若没有则会调用IopMountVolume尝试去挂载

    IopMountInitializeVpb(): 设置新挂载卷设备的Vpb(设置VPB_MOUNTED标记,增加引用计数等),由
                                            IopMountVolume挂载成功后调用

    IopQueryVpbFlagsSafe(): 获取设备DeviceObject的VPB的标志位信息,即DeviceObject->Vpb->Flags。如
                                              果DeviceObject->Vpb为NULL,则返回0值。(较新Windows版本才引入的函数)
    IopReferenceVerifyVpb(): 如果卷设备已被挂载,则返回其VPB及对应的文件系统逻辑卷设备对象,此函数
                                              增加VPB的引用计数

    IopDereferenceVpbAndFree():顾名即知其义,此函数会减少VPB的引用计数,如果引用计数归0则会释放
                                                     此VPB至NonPagedPool。(特例VPB_PERSISTENT除外)

    VPB的创建及初始化:

    VPB真正是由IoCreateDevice()在创建新设备对象时分配的,当然IoCreateDevice()是调用的 IopCreateVpb()来做的VPB的分配及最初的初始化。

    IoCreateDevice()不是对所有的设备对象都分配VPB,而是只针对4种设备:

    • FILE_DEVICE_DISK (0x07)
    • FILE_DEVICE_TAPE (0x1f)
    • FILE_DEVICE_CD_ROM (0x02)
    • FILE_DEVICE_VIRTUAL_DISK (0x24)

    VPB的初始化并不复杂,因为VPB的结构体并不庞大,但是,其初始化操作相当分散,由下面的3个过程共同完成:

    • IoCreateDevice()/IopCreateVpb()
    • IopParseDevice()/IopCheckVpbMounted()/IopMountVolume()/File system IPR_MN_MOUNT_VOLUME
      handler(以FastFat为例:FatMountVolume)
    • IopParseDevice()/IopCheckVpbMounted()/IopMountVolume()/IopMountInitializeVpb()

    具体每一部分都做了什么并不难发掘,读者不妨用windbg作个简单实验。

    下面以FastFat (Windows 7 X64)为例介绍一个已加载卷的VPB内容,实验时我们插入一个FAT32格式的SD卡,系统会自动挂载。下面来枚举FastFat文件系统队列中所有的逻辑卷:

    0: kd> ?? fastfat!FatData
    struct _FAT_DATA
       +0x000 NodeTypeCode     : 0x500
       +0x002 NodeByteSize     : 304
       +0x008 LazyWriteThread  : (null)
       +0x010 VcbQueue         : _LIST_ENTRY [ 0xfffffa80`047a8b68 - 0xfffffa80`047a8b68 ]
       +0x020 DriverObject     : 0xfffffa80`05809e70 _DRIVER_OBJECT
       +0x028 DiskFileSystemDeviceObject : 0xfffffa80`04842880
       +0x030 CdromFileSystemDeviceObject : 0xfffffa80`05bf6890
       +0x038 Resource         : _ERESOURCE
       +0x0a0 OurProcess       : 0xfffffa80`036edb30 _KPROCESS
       +0x0a8 NumberProcessors : 2
       +0x0ac ChicagoMode      : 0y1
       +0x0ac FujitsuFMR       : 0y0
       +0x0ac AsyncCloseActive : 0y0
       +0x0ac ShutdownStarted  : 0y0
       +0x0ac CodePageInvariant : 0y1
       +0x0ac HighAsync        : 0y0
       +0x0ac HighDelayed      : 0y0
       +0x0b0 AsyncCloseCount  : 0
       +0x0b8 AsyncCloseList   : _LIST_ENTRY [ 0xfffff880`070e3578 - 0xfffff880`070e3578 ]
       +0x0c8 DelayedCloseCount : 1
       +0x0d0 DelayedCloseList : _LIST_ENTRY [ 0xfffff8a0`0b4315b0 - 0xfffff8a0`0b4315b0 ]
       +0x0e0 FatCloseItem     : 0xfffffa80`057e8480 _IO_WORKITEM
       +0x0e8 GeneralSpinLock  : 0
       +0x0f0 CacheManagerCallbacks : _CACHE_MANAGER_CALLBACKS
       +0x110 CacheManagerNoOpCallbacks : _CACHE_MANAGER_CALLBACKS

    0: kd> !list "-t nt!_LIST_ENTRY.Flink -e -x \"dd @$extret l4;  dt fastfat!_VCB @$extret-0x58\" 0xfffffa80`047a8b68"
    dd @$extret l4;  dt fastfat!_VCB @$extret-0x58
    fffffa80`047a8b68  070e34d0 fffff880 070e34d0 fffff880
       +0x000 VolumeFileHeader : _FSRTL_ADVANCED_FCB_HEADER
       +0x058 VcbLinks         : _LIST_ENTRY [ 0xfffff880`070e34d0 - 0xfffff880`070e34d0 ]
       +0x068 TargetDeviceObject : 0xfffffa80`053c7040 _DEVICE_OBJECT
       +0x070 Vpb              : 0xfffffa80`047e8830 _VPB
       +0x078 VcbState         : 0x101002
       +0x07c VcbCondition     : 1 ( VcbGood )
       +0x080 RootDcb          : 0xfffffa80`0480b940 _FCB
       +0x088 NumberOfWindows  : 2
       +0x090 Windows          : 0xfffff8a0`0b4b8530 _FAT_WINDOW
       +0x098 CurrentWindow    : 0xfffff8a0`0b4b853c _FAT_WINDOW
       +0x0a0 DirectAccessOpenCount : 0
       +0x0a4 ShareAccess      : _SHARE_ACCESS
       +0x0c0 OpenFileCount    : 1
       +0x0c4 ReadOnlyCount    : 1
       +0x0c8 InternalOpenCount : 2
       +0x0cc ResidualOpenCount : 2
       +0x0d0 Bpb              : BIOS_PARAMETER_BLOCK
       +0x100 First0x24BytesOfBootSector : (null)
       +0x108 AllocationSupport : <unnamed-tag>
       +0x128 DirtyFatMcb      : _LARGE_MCB
       +0x148 BadBlockMcb      : _LARGE_MCB
       +0x168 FreeClusterBitMap : _RTL_BITMAP
       +0x178 FreeClusterBitMapMutex : _FAST_MUTEX
       +0x1b0 Resource         : _ERESOURCE
       +0x218 ChangeBitMapResource : _ERESOURCE
       +0x280 VirtualVolumeFile : 0xfffffa80`0480aa10 _FILE_OBJECT
       +0x288 SectionObjectPointers : _SECTION_OBJECT_POINTERS
       +0x2a0 ClusterHint      : 2
       +0x2a8 CurrentDevice    : 0xfffffa80`047e8cd0 _DEVICE_OBJECT
       +0x2b0 VirtualEaFile    : (null)
       +0x2b8 EaFcb            : (null)
       +0x2c0 FileObjectWithVcbLocked : (null)
       +0x2c8 DirNotifyList    : _LIST_ENTRY [ 0xfffffa80`047a8dd8 - 0xfffffa80`047a8dd8 ]
       +0x2d8 NotifySync       : 0xfffffa80`056fec30
       +0x2e0 DirectoryFileCreationMutex : _FAST_MUTEX
       +0x318 VerifyThread     : (null)
       +0x320 CleanVolumeDpc   : _KDPC
       +0x360 CleanVolumeTimer : _KTIMER
       +0x3a0 LastFatMarkVolumeDirtyCall : _LARGE_INTEGER 0x0
       +0x3a8 Statistics       : 0xfffffa80`05b5ec80 _FILE_SYSTEM_STATISTICS
       +0x3b0 Tunnel           : TUNNEL
       +0x408 ChangeCount      : 0
       +0x410 SwapVpb          : 0xfffffa80`05b5ec10 _VPB
       +0x418 AsyncCloseList   : _LIST_ENTRY [ 0xfffffa80`047a8f28 - 0xfffffa80`047a8f28 ]
       +0x428 DelayedCloseList : _LIST_ENTRY [ 0xfffff8a0`0b4315c0 - 0xfffff8a0`0b4315c0 ]
       +0x438 AdvancedFcbHeaderMutex : _FAST_MUTEX
       +0x470 CloseContext     : 0xfffff8a0`0b553a90 CLOSE_CONTEXT
       +0x478 CloseContextCount : 1

    当前系统中只有一个FAT32卷,即我们刚插入的SD卡。下面打印出VPB的内容:

    0: kd> dt _VPB 0xfffffa80`047e8830
    nt!_VPB
       +0x000 Type             : 10
       +0x002 Size             : 96
       +0x004 Flags            : 1
       +0x006 VolumeLabelLength : 0x10
       +0x008 DeviceObject     : 0xfffffa80`047a8970 _DEVICE_OBJECT
       +0x010 RealDevice       : 0xfffffa80`047e8cd0 _DEVICE_OBJECT
       +0x018 SerialNumber     : 0x51e712c6
       +0x01c ReferenceCount   : 2
       +0x020 VolumeLabel      : [32]  "CANON_DC"

    Vpb->Flags显示卷是已挂载的,即标志位VBP_MOUNTED已被设置。从Vpb内容可知,此SD卡的卷标为"CANON_DC",实际上它就是CANON相机的存储卡。DeviceObject,即文件系统逻辑卷设备为0xfffffa80`047a8970;RealDevice,即存储栈上最底层的设备为0xfffffa80`047e8cd0

    0: kd> !devobj 0xfffffa80`047e8cd0
    Device object (fffffa80047e8cd0) is for:
    HarddiskVolume17 \Driver\volmgr DriverObject fffffa8004086e70
    Current Irp 00000000 RefCount 2 Type 00000007 Flags 00003050
    Vpb fffffa80047e8830 Dacl fffff9a109ae12b0 DevExt fffffa80047e8e20 DevObjExt fffffa80047e8f88 Dope fffffa800480c840 DevNode fffffa80047e8a00
    ExtensionFlags (0000000000) 
    AttachedDevice (Upper) fffffa80047e5ac0 \Driver\fvevol
    Device queue is not busy.

    0: kd> !devobj 0xfffffa80`047a8970
    Device object (fffffa80047a8970) is for:
      \FileSystem\fastfat DriverObject fffffa8005809e70
    Current Irp 00000000 RefCount 0 Type 00000008 Flags 00000000
    DevExt fffffa80047a8ac0 DevObjExt fffffa80047a8f90
    ExtensionFlags (0x00000800) 
                                 Unknown flags 0x00000800

    0: kd> dt _DEVICE_OBJECT 0xfffffa80`047e8cd0
    nt!_DEVICE_OBJECT
       +0x000 Type             : 3
       +0x002 Size             : 0x2b8
       +0x004 ReferenceCount   : 2
       +0x008 DriverObject     : 0xfffffa80`04086e70 _DRIVER_OBJECT
       +0x010 NextDevice       : 0xfffffa80`045ed440 _DEVICE_OBJECT
       +0x018 AttachedDevice   : 0xfffffa80`047e5ac0 _DEVICE_OBJECT
       +0x020 CurrentIrp       : (null)
       +0x028 Timer            : (null)
       +0x030 Flags            : 0x3050
       +0x034 Characteristics  : 1
       +0x038 Vpb              : 0xfffffa80`047e8830 _VPB
       +0x040 DeviceExtension  : 0xfffffa80`047e8e20
       +0x048 DeviceType       : 7
       +0x04c StackSize        : 9 ''
       +0x050 Queue            : <unnamed-tag>
       +0x098 AlignmentRequirement : 0
       +0x0a0 DeviceQueue      : _KDEVICE_QUEUE
       +0x0c8 Dpc              : _KDPC
       +0x108 ActiveThreadCount : 0
       +0x110 SecurityDescriptor : 0xfffff8a0`099c1210
       +0x118 DeviceLock       : _KEVENT
       +0x130 SectorSize       : 0x200
       +0x132 Spare1           : 1
       +0x138 DeviceObjectExtension : 0xfffffa80`047e8f88 _DEVOBJ_EXTENSION
       +0x140 Reserved         : (null)

    0: kd> dt _DEVICE_OBJECT 0xfffffa80`047a8970
    nt!_DEVICE_OBJECT
       +0x000 Type             : 3
       +0x002 Size             : 0x620
       +0x004 ReferenceCount   : 0
       +0x008 DriverObject     : 0xfffffa80`05809e70 _DRIVER_OBJECT
       +0x010 NextDevice       : 0xfffffa80`05bf6890 _DEVICE_OBJECT
       +0x018 AttachedDevice   : 0xfffffa80`0480ab50 _DEVICE_OBJECT
       +0x020 CurrentIrp       : (null)
       +0x028 Timer            : (null)
       +0x030 Flags            : 0
       +0x034 Characteristics  : 0
       +0x038 Vpb              : (null)
       +0x040 DeviceExtension  : 0xfffffa80`047a8ac0
       +0x048 DeviceType       : 8
       +0x04c StackSize        : 12 ''
       +0x050 Queue            : <unnamed-tag>
       +0x098 AlignmentRequirement : 0
       +0x0a0 DeviceQueue      : _KDEVICE_QUEUE
       +0x0c8 Dpc              : _KDPC
       +0x108 ActiveThreadCount : 0
       +0x110 SecurityDescriptor : (null)
       +0x118 DeviceLock       : _KEVENT
       +0x130 SectorSize       : 0x200
       +0x132 Spare1           : 1
       +0x138 DeviceObjectExtension : 0xfffffa80`047a8f90 _DEVOBJ_EXTENSION
       +0x140 Reserved         : (null)

    Vcb->Vpb 与Vcb->Vbp->RealDevice->Vpb是一致的。下面再来研究一下存储设备栈的最上层的DeviceObject,即Vcb->TargetDeviceObject (0xfffffa80`053c7040):

    1: kd> !devobj 0xfffffa80`053c7040
    Device object (fffffa80053c7040) is for:
      \Driver\volsnap DriverObject fffffa80045c79b0
    Current Irp 00000000 RefCount 0 Type 00000007 Flags 00002010
    DevExt fffffa80053c7190 DevObjExt fffffa80053c7d38
    ExtensionFlags (0x00000800) 
                                 Unknown flags 0x00000800
    AttachedTo (Lower) fffffa80047e5ac0 \Driver\fvevol
    Device queue is not busy.
    1: kd> dt _DEVICE_OBJECT 0xfffffa80`053c7040
    nt!_DEVICE_OBJECT
       +0x000 Type             : 3
       +0x002 Size             : 0xcf8
       +0x004 ReferenceCount   : 0
       +0x008 DriverObject     : 0xfffffa80`045c79b0 _DRIVER_OBJECT
       +0x010 NextDevice       : 0xfffffa80`04649060 _DEVICE_OBJECT
       +0x018 AttachedDevice   : (null)
       +0x020 CurrentIrp       : (null)
       +0x028 Timer            : (null)
       +0x030 Flags            : 0x2010
       +0x034 Characteristics  : 0x101
       +0x038 Vpb              : (null)
       +0x040 DeviceExtension  : 0xfffffa80`053c7190
       +0x048 DeviceType       : 7
       +0x04c StackSize        : 11 ''
       +0x050 Queue            : <unnamed-tag>
       +0x098 AlignmentRequirement : 0
       +0x0a0 DeviceQueue      : _KDEVICE_QUEUE
       +0x0c8 Dpc              : _KDPC
       +0x108 ActiveThreadCount : 0
       +0x110 SecurityDescriptor : (null)
       +0x118 DeviceLock       : _KEVENT
       +0x130 SectorSize       : 0x200
       +0x132 Spare1           : 0
       +0x138 DeviceObjectExtension : 0xfffffa80`053c7d38 _DEVOBJ_EXTENSION
       +0x140 Reserved         : (null)

    有没有觉察出有什么异常状况?TargetDeviceObject的DeviceType为FILE_DEVICE_DISK (0x07),但它的Vpb项却是空的。根据上面对IoCreateDevice的分析,对所有4种设备类型,在创建设备时都会分配VPB,难道是被释放了?

    经过研究才发现其中另有蹊跷。TargetDeviceObject是由VolSnap创建的,VolSnap是Windows Volume Shadow Copy Service的核心组件,VolSnap为每个卷设备都创建Fdo设备并将其加入设备栈中。但蹊跷的地方是,在创建设备对象时,VolSnap使用的DeviceType却是FILE_DEVICE_UNKNOWN (0x22),并在将设备加入存储设备栈后,再将TargetDeviceObject的DeviceType从FILE_DEVICE_UNKOWN改为FILE_DEVICE_DISK的,所以TargetDeviceObject的Vpb项为空。

    有兴趣地话可以反汇编一下volsnap!VolSnapAddDevice的代码。

    (to be continued)

  • Continue reading » · Rating: · Written on: 08-09-11 · No Comments »