6. 系统内存堆
本篇翻译：songsong <http://www.songsong.org>
源码位置：KmdKit\examples\basic\MemoryWorks\SystemModules
首先是罗云彬的废话：感谢刘松一起参与这个翻译项目，这样本教程的中文翻译才能这么快和大家见面，刘松是温哥华的帅哥作家，著有《GRE Yellow Bible》（《GRE词汇黄宝书》），文风幽默，看他的翻译，使大家看枯燥的驱动教程如同看泡妞教程，于轻松间掌握繁琐的东西。原本这也是本人梦想中的写作风格，可惜本人多年努力，除了外貌长得还是一如既往的幽默外，文字中还是幽默不起来，没办法哟～～～，好了，废话少说，下面请刘松出场。
（稀稀落落的掌声）……
……
我是温哥华的松松，被罗大哥抓来翻译文章，几个MM还等着我去酒吧，只好不去了……
如果各位帅哥美女已经看完了前面的基础知识，那就跟小弟来看看”一些”必要的底层技术。
为什么”一些”要加引号(一女同学提问)？那是因为驱动程序可以做许许多多的事情啊！
如果你不懂MM，你就别混了！（一男同学问：驱动程序和泡妞还有关系？）哦，我这里的MM不是指”美眉”，是指”内存管理(Memory Management)”。
好的，我们现在就开始学习MM……
内存管理器给用户进程提供了大量的用于MM的API。这些API可以分为三类：虚拟内存函数、内存映射文件函数和堆函数。内核的成员（包括驱动程序）有很多高级的工具。例如：驱动程序能够在物理地址空间里分配一个连续的内存。这类函数呢，前缀是”Mm”。另外呢，还有一种以”Ex”为前缀的函数，用于从系统内存池里（分页和不分页的）分配和释放内存，还可以操作后备列表（lookaside lists）。
后备列表是啥东东？我们下一节会讲，它可以提供更快的内存分配，却要使用预定义的固定的块大小。
6.1 系统内存堆
系统内存堆可跟用户堆不一样啊，它表现为系统地址空间的两个所谓的内存池。
◎ 不分页池–不分页池不会分页到交换文件（swap file），自然也不需要分页回来。它们总是老老实实在物理内存里活动，在你想访问它们的时候总能找到它们（任何IRQL等级），并且不会出现分页错误（废话，不分页如果还出现分页错误，就太没有天理了。）这也正是它的优点啊，任何访问都不会出现页面错误！页面错误可是往往导致系统瘫掉的哦（当IRQL >= DISPATCH_LEVEL）！
◎ 分页池–顾名思义，就是可以分页（分入和分出）的了。你只能使用(IRQL < DISPATCH_LEVEL)的内存。
以上两种池都位于系统地址空间，在进程上下文中可以使用它们。有一个函数集合叫ExAllocatePoolXXX，用于从系统内存池分配内存。函数ExFreePool用来释放。
在我们开始使用它们的时候，来看看基本要点：
前面提到，如果你访问已经被交换出去的内存时IRQL >= DISPATCH_LEVEL会怎么样？（一黑人女同学回答：瘫痪！）对，系统瘫痪！
但是事情并不绝对，也许它当时不死机，过一会才死呢！反正它迟早会死！啥时候死？就是当你的系统将内存交换了出去，并且你访问它的时候！
千万不要太钟爱不分页内存，太浪费资源啊！它总要占用物理内存啊！
大家还记得c语言里，malloc()和free()吗？分配的堆是要释放的。谁做的事谁要负责吗！尤其是男人一定要责任的哦！
这里也一样，你在系统池里分配了内存，无论你的驱动程序发生了什么事情，这些内存不会被回收，除非ExFreePool 被调用啊。如果你不用ExFreePool显式地释放内存，即使你的驱动程序卸载了，这些内存还驻留在那里。所以呢，你就乖乖地显式地释放内存吧！
系统内存池分配的内存不会被自动清零，最后的使用者可能会留下垃圾。所以呢，使用之前，最好统统置零。
你可以很容易地定义你需要的内存类型了，就两种：分页，不分页。如果你的代码要访问IRQL >= DISPATCH_LEVEL，不用说你也知道，你必须使用不分页类型。代码本身，和涉及的数据都要在不分页内存里。在缺省情况下，驱动程序以不分页内存加载，除非是INIT节区或者名称以”PAGE”开始的节区。假如你不做任何动作去改变驱动程序的内存属性（例如：别去调用MmPageEntireDriver使驱动程序的映像分页），你就不用关心驱动程序了，它总是在内存里。
先前的文章中我们讨论了常用的驱动函数（DriverEntry, DriverUnload, DispatchXxx）被调用时所处的IRQL等级。
DDK给了我们关于每一个函数被调用时的IRQL等级的相关信息。例如：在后面的文章中我们会使用IoInitializeTimer函数，该函数的描述这样说的：该函数执行时，时钟事件发生时的等级IRQL = DISPATCH_LEVEL 。这就意味着：这个函数访问的所有内存都必须是不分页的。
如果你不能确定到底是哪个IRQL，你写程序时候可以这样调用KeGetCurrentIrql：
invoke KeGetCurrentIrql
.if eax < DISPATCH_LEVEL
; use any memory
.else
; use nonpaged memory only
.endif
6.2 从系统内存池里分配
各位GGJJDDMM，感谢大家看到这里，坚持，坚持你就是高手了！
让我们来看一个简单驱动程序例子SystemModules，该例子的主要动作集中在DriverEntry函数里。我们会分配分页内存（你应该记得DriverEntry运行在IRQL =PASSIVE_LEVEL等级，所以使用分页内存自然是没问题了），然后写进一些信息，再释放，并让系统卸载驱动程序。
下面是长长的代码，不过很简单，别害怕哦！
;@echo off
;goto make
;:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
; SystemModules - Allocate memory from the system pool and use it
;:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
.386
.model flat, stdcall
option casemap:none
;:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
; I N C L U D E F I L E S
;:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
include \masm32\include\w2k\ntstatus.inc
include \masm32\include\w2k\ntddk.inc
include \masm32\include\w2k\native.inc
include \masm32\include\w2k\ntoskrnl.inc
includelib \masm32\lib\w2k\ntoskrnl.lib
include \masm32\Macros\Strings.mac
;:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
; D I S C A R D A B L E C O D E
;:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
.code INIT
;:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
; DriverEntry
;:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
DriverEntry proc uses esi edi ebx pDriverObject:PDRIVER_OBJECT, pusRegistryPath:PUNICODE_STRING
local cb:DWORD
local p:PVOID
local dwNumModules:DWORD
local pMessage:LPSTR
local buffer[256+40]:CHAR
invoke DbgPrint, $CTA0("\nSystemModules: Entering DriverEntry\n")
and cb, 0
invoke ZwQuerySystemInformation, SystemModuleInformation, addr p, 0, addr cb
.if cb != 0
invoke ExAllocatePool, PagedPool, cb
.if eax != NULL
mov p, eax
invoke DbgPrint,\
$CTA0("SystemModules: %u bytes of paged memory allocted at address %08X\n"),cb,p
invoke ZwQuerySystemInformation, SystemModuleInformation, p, cb, addr cb
.if eax == STATUS_SUCCESS
mov esi, p
push dword ptr [esi]
pop dwNumModules
mov cb, (sizeof SYSTEM_MODULE_INFORMATION.ImageName + 100)*2
invoke ExAllocatePool, PagedPool, cb
.if eax != NULL
mov pMessage, eax
invoke DbgPrint,\
$CTA0("SystemModules: %u bytes of paged memory allocted at address %08X\n"), \
cb, pMessage
invoke memset, pMessage, 0, cb
add esi, sizeof DWORD
assume esi:ptr SYSTEM_MODULE_INFORMATION
xor ebx, ebx
.while ebx < dwNumModules
lea edi, [esi].ImageName
movzx ecx, [esi].ModuleNameOffset
add edi, ecx
invoke _strnicmp, edi, $CTA0("ntoskrnl.exe", szNtoskrnl, 4), sizeof szNtoskrnl - 1
push eax
invoke _strnicmp, edi, $CTA0("ntice.sys", szNtIce, 4), sizeof szNtIce - 1
pop ecx
and eax, ecx
.if ZERO?
invoke _snprintf, addr buffer, sizeof buffer, \
$CTA0("SystemModules: Found %s base: %08X size: %08X\n", 4), \
edi, [esi].Base, [esi]._Size
invoke strcat, pMessage, addr buffer
.endif
add esi, sizeof SYSTEM_MODULE_INFORMATION
inc ebx
.endw
assume esi:nothing
mov eax, pMessage
.if byte ptr [eax] != 0
invoke DbgPrint, pMessage
.else
invoke DbgPrint, \
$CTA0("SystemModules: Found neither ntoskrnl nor ntice.\n")
.endif
invoke ExFreePool, pMessage
invoke DbgPrint, $CTA0("SystemModules: Memory at address %08X released\n"), pMessage
.endif
.endif
invoke ExFreePool, p
invoke DbgPrint, $CTA0("SystemModules: Memory at address %08X released\n"), p
.endif
.endif
invoke DbgPrint, $CTA0("SystemModules: Leaving DriverEntry\n")
mov eax, STATUS_DEVICE_CONFIGURATION_ERROR
ret
DriverEntry endp
;:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
end DriverEntry
:make
set drv=SystemModules
\masm32\bin\ml /nologo /c /coff %drv%.bat
\masm32\bin\link /nologo /driver /base:0x10000 /align:32 /out:%drv%.sys /subsystem:native /ignore:4078 %drv%.obj
del %drv%.obj
echo.
Pause
为了写点有用的信息，我们加载了一些模块到系统地址空间（包括以下系统模块：ntoskrnl.exe, hal.dll等，还有设备驱动程序），然后去找ntoskrnl.exe和ntice.sys。我们用SystemModuleInformation信息类作为参数调用ZwQuerySystemInformation来得到系统模块列表。读者可以到Garry Nebbett的书《winodwsNT/2000 内部API参考》去找这些函数的描述。顺便说一下，ZwQuerySystemInformation 是一个独特的函数，它返回大量的系统信息。
这个例子中没有提供驱动控制程序。你可以使用KmdKit package中的KmdManager 或者类似的工具，还可以使用DebugView ( http://www.sysinternals.com ) 或 SoftICE 控制台来查看调试信息。
现在我们来分析分析这段程序吧……
and cb, 0
invoke ZwQuerySystemInformation, SystemModuleInformation, addr p, 0, addr cb
首先我们要决定我们要使用多少空间。上面调用对ZwQuerySystemInformation的调用使我们获得STATUS_INFO_LENGTH_MISMATCH（这是正常，因为buffer的尺寸为零。），但是cb变量接收到了buffer尺寸（为零或非零）。于是我们就得到了需要的buffer尺寸。这里需要地址p是为了ZwQuerySystemInformation函数的正常执行。
.if cb != 0
invoke ExAllocatePool, PagedPool, cb
ExAllocatePool从分页内存池分配需要数量的内存。如果是不分页内存呢，就把第一个参数PagedPool相应地改成NonPagedPool。ExAllocatePool比用户模式的HeapAlloc 简单一些，只有两个参数：第一个参数是内存池类型(分页、不分页)，第二个参数是需要的内存尺寸。简单吧！
.if eax != NULL
如果ExAllocatePool 返回非零值，那么它就是一个指向分配buffer的指针。
检查调试信息会发现ExAllocatePool 分配的buffer地址是页尺寸大小的倍数。假如请求的内存的大小大于或等于(>=)页尺寸（我们这个例子中，是明显地大了），分配的内存会从页边界开始分配。
mov p, eax
invoke ZwQuerySystemInformation, SystemModuleInformation, p, cb, addr cb
我们再次调用ZwQuerySystemInformation，这次使用buffer的指针和尺寸作为参数。
.if eax == STATUS_SUCCESS
mov esi, p
如果返回的是STATUS_SUCCESS，那么buffer之中就包含了系统模块列表，数据以SYSTEM_MODULE_INFORMATION（在include\w2k\native.inc中定义）结构队列的形式存在。
SYSTEM_MODULE_INFORMATION STRUCT ;Information Class 11
Reserved DWORD 2 dup(?)
Base PVOID ?
_Size DWORD ?
Flags DWORD ?
Index WORD ?
Unknown WORD ?
LoadCount WORD ?
ModuleNameOffset WORD ?
ImageName CHAR 256 dup(?)
SYSTEM_MODULE_INFORMATION ENDS
cb变量接受实际返回的字节的数量，但是我们目前用不到它。
我假设在两次调用ZwQuerySystemInformation 之间没有其它新模块出现。这种可能性当然是很小的。我们这里只是为了学习目的嘛！你最好使用更安全的办法：在循环中反复调用ZwQuerySystemInformation来逐次增加buffer大小，直到该大小满足需求！
push dword ptr [esi]
pop dwNumModules
buffer中的第一个双字（double word）包含模块的数量，这些模块紧跟在SYSTEM_MODULE_INFORMATION队列的后面。然后，模块的数量会保存在dwNumModules中。
mov cb, (sizeof SYSTEM_MODULE_INFORMATION.ImageName + 100)*2
invoke ExAllocatePool, PagedPool, cb
.if eax != NULL
mov pMessage, eax
我们需要另一个buffer来保存我们寻找的两个模块的名字和其它信息。我们假定这个尺寸（（sizeof SYSTEM_MODULE_INFORMATION.ImageName + 100）*2）是足够的。
注意：这次的buffer地址不是页尺寸的倍数，是因为buffer尺寸小于一个页尺寸。
invoke memset, pMessage, 0, cb
用memset填充buffer为零，这是为了安全考虑，使字符串肯定以零结束。学习过c语言的同学对此函数应该很熟悉。
add esi, sizeof DWORD
assume esi:ptr SYSTEM_MODULE_INFORMATION
esi跳过DWORD(保存了模块数量)的大小，现在esi就指向了第一个SYSTEM_MODULE_INFORMATION结构。
xor ebx, ebx
.while ebx < dwNumModules
我们对结构队列循环dwNumModules次数，来寻找ntoskrnl.exe 和 ntice.sys。
在多处理器的系统ntoskrnl.exe模块的名字应该是ntkrnlmp.exe，如果你使用的是带PAE（物理地址扩展）的系统，那么系统会分别地支持ntkrnlpa.exe 和 ntkrpamp.exe。我这里当然假定你不会拥有那么牛的机器了。
lea edi, [esi].ImageName
movzx ecx, [esi].ModuleNameOffset
add edi, ecx
ImageName and ModuleNameOffset 域分别包含了模块的全路径和路径内模块名的相对偏移。
invoke _strnicmp, edi, $CTA0(“ntoskrnl.exe”, szNtoskrnl, 4), sizeof szNtoskrnl – 1
push eax
invoke _strnicmp, edi, $CTA0(“ntice.sys”, szNtIce, 4), sizeof szNtIce – 1
pop ecx
strnicmp 做不区分大小写的两ANSI标准字符串比较。第三个参数是比较的字符的数量。这里也许不必要使用__strnicmp，因为SYSTEM_MODULE_INFORMATION里模块名是零结束的，使用_stricmp就可以了。这里使用__strnicmp是为了更加安全。
顺便提一句，ntoskrnl.exe提供了许多基本的字符串函数，如strcmp、strcpy和strlen等。
and eax, ecx
.if ZERO?
invoke _snprintf, addr buffer, sizeof buffer, \
$CTA0("SystemModules: Found %s base: %08X size: %08X\n", 4), \
edi, [esi].Base, [esi]._Size
invoke strcat, pMessage, addr buffer
.endif
add esi, sizeof SYSTEM_MODULE_INFORMATION
inc ebx
.endw
assume esi:nothing
假如上文提及的模块被找到，我们就用_snprintf（内核提供）函数格式化字符串，字符串中包含了模块名、基地址和尺寸，然后将字符串加到buffer去。例子中对标号szNtoskrnl 和 szNtIce使用了sizeof操作符，在使用宏的时候，你可以换一下标号和对齐参数的排列顺序，宏会自动检测到，你可以只使用标号或者对齐参数（细节参见macros\Strings.mac）。
mov eax, pMessage
.if byte ptr [eax] != 0
invoke DbgPrint, pMessage
.else
invoke DbgPrint, \
$CTA0("SystemModules: Found neither ntoskrnl nor ntice.\n")
.endif
这里很容易看懂，由于我们前面把字符串都置了零，这里很容易判断我们是否找到了什么东西。
invoke ExFreePool, pMessage
.endif
.endif
invoke ExFreePool, p
.endif
.endif
释放在系统内存池里分配的内存。
mov eax, STATUS_DEVICE_CONFIGURATION_ERROR
ret
返回失败代码，这样强制系统将驱动程序从内存中卸载。
现在你清楚了吧，使用系统内存池比使用用户模式的堆简单多了。唯一需要注意的问题就是正确地定义内存池类型。
用户模式下的ntdll.dll提供了许多ZwXxx系列函数，他们是进入内核模式的大门。注意：他们的参数的数量和含义都是一样的。你可以省不少事儿了吧！
由于内核的错误会导致系统瘫痪，所以你可以在用户模式下调试，然后小小地改动（如果需要）后拷贝到你的驱动程序。例如：ntdll.dll的ZwQuerySystemInformation 调用返回同样的信息。使用这个技巧你就不用总是重新启动你的机器了。
哈哈，这一节到这里终于结束了，我去找对门的白人MM聊会儿天去了……
原文链接：http://211.90.241.130:22366/view.asp?file=325
