1.6 Драйверы и буферы ввода-вывода

1.6 Драйверы и буферы ввода-вывода

В этом разделе рассматриваются буферы ввода-вывода, которые уже упоминались ранее в главе. Драйверы используют буферы для осуществления ввода-вывода и управления им (IOCTL). Для этого драйверы посредством соответствующего объекта указывают предпочтительный способ ввода-вывода. Существует три поддерживаемых драйверами Windows NT типа ввода- вывода: буферизированный, прямой и небуферизированный. Эти методы рассматриваются в данном разделе.

1.6.1 Буферизированный ввод-вывод

Буферизированный ввод-вывод обычно используется для передачи меньших объемов данных, так как в процессе ввода-вывода участвуют операции копирования данных. После того как приложение отправило запрос на ввод- вывод, диспетчер ввода-вывода проверяет соответствие прав доступа приложения к предоставленному буферу ввода-вывода (соответствие прав доступа предполагает, что приложение имеет права на чтение и запись, а также имеет доступ к буферу необходимого размера, указанного в запросе на ввод- вывод). Диспетчер ввода-вывода выделяет буфер в невыгружаемой памяти и в случае запроса на запись копирует данные из буфера приложения в выделенный буфер. Этот буфер передается драйверу.

Драйвер не обязан заботиться о контексте потока, так как буфер находится в невыгружаемой памяти и действителен в контексте любого процесса или потока. Драйвер выполняет необходимую операцию ввода-вывода. Для операции чтения драйвер копирует данные в полученный буфер. Кроме того, драйвер может «предположить», что в контексте виртуального адресного пространства буфер будет непрерывным, но, как и в случае других буферов Windows NT, непрерывность буфера в виртуальном адресном пространстве не гарантирует непрерывности в физическом адресном пространстве.

На этом этапе драйвер завершает обработку IRP, и ответственность за копирование данных из невыгружаемого буфера в буфер приложения возлагается на диспетчер ввода-вывода. Эта операция копирования должна выполняться в контексте процесса, который отправил запрос на ввод-вывод. Кроме того, диспетчер ввода-вывода должен освобождать буфер, выделенный в невыгружаемой области памяти.

1.6.2 Прямой ввод-вывод

Прямой ввод-вывод (Direct I/O) несколько более запутан, чем буферизированный, однако намного эффективнее при выполнении операций ввода- вывода для больших массивов данных. Диспетчер ввода-вывода выполняет базовые проверки, например проверяет разрешения приложения на доступ к буферу посредством области ввода-вывода желательного объема. Буфер в памяти, независимый от процесса, описывается для драйвера средствами структуры данных, которая называется список дескрипторов памяти (memory descriptor list – MDL). Адрес буфера используется в качестве общесистемного виртуального адресного пространства.

Операционная система Windows NT предоставляет процедуры драйверов, которые позволяют получать доступ к различным полям списка дескрипторов памяти. Создателям драйверов рекомендуется использовать список дескрипторов памяти в качестве целостного элемента. Дополнительная информация по использованию процедур работы со списками дескрипторов памяти приводится в документации к инструментарию создания драйверов (DDK) Windows NT. Процедуры, описанные в DDK, предоставляют следующие возможности:

• блокирование и разблокирование буфера приложения;

• связывание заблокированного буфера с виртуальным адресом, который доступен из контекста любого потока;

• сбор информации, необходимой для выполнения операции ввода-вывода с прямым доступом к памяти в буфер или из него, который в действительности представляет собой последовательность потенциально несоседних физических страниц памяти.

Прямой ввод-вывод чаще всего используется в драйверах ввода-вывода, например драйверах управления дисками и приводами на магнитной ленте.

1.6.3 Небуферизированный ввод-вывод

Этот тип ввода-вывода позволяет избавиться от генерирования дополнительных данных, что свойственно для буферизированного ввода-вывода (операций копирования данных и выделение/освобождение буфера) и прямого ввода-вывода (создания и уничтожения списка дескрипторов памяти), но за это приходится расплачиваться ограниченностью применения данного типа ввода-вывода. При небуферизированном вводе-выводе драйверу непосредственно передается адрес буфера запросившего приложения. Внимательный читатель быстро догадается, что, поскольку виртуальный адрес имеет смысл только в контексте определенного процесса или потока, драйвер должен вызываться в контексте запросившего приложения. Более того, драйвер должен выполнить операцию в этом же контексте (т.е. драйвер не может поместить запрос в очереди для последующего выполнения в произвольном контексте).

Это ограничение определяет ситуации использования данного метода ввода-вывода, который не применяется большинством драйверов, исключение составляют, например, драйверы файловой системы. Дело в том, что последние всегда вызываются в контексте процесса, который запрашивает операцию ввода-вывода. Кроме того, небуферизированный ввод-вывод поддерживает копирование между кэшем и буферами данных, так как управлять буферами (связывание адресов) не требуется.

Может сложиться неверное впечатление, что драйвер должен выбрать один из описанных способов вводагвывода и использовать только его. Драйвер, который выполняет операции управления вводом-выводом (IOCTL), может использовать один метод ввода-вывода для обработки обычных пакетов IRP и совершенно другой метод для операций управления вводом-выводом, которые определяются частным образом между драйвером и соответствующим приложением. Конечно, даже драйвер на нижних уровнях стека драйверов, который не имеет информации о контексте выполнения, не обязательно использует небуферизированный ввод-вывод в частных операциях управления вводом-выводом.

Поскольку здесь затронута тема частного управления вводом-выводом, стоит упомянуть, что компания Microsoft настойчиво советует не применять такой способ управления, особенно при наличии более приемлемой альтернативы. Основная проблема частного управления вводом-выводом заключается в сложности проверки «жизнеспособности» кода драйвера методом намеренной передачи некорректных буферов процедуре управления вводом-выводом, что делается для проверки работоспособности драйвера. Для передачи некорректного буфера необходимо иметь информацию о правильном размере буфера, выравнивании и граничных условиях, которые предполагаются в коде управления вводом-выводом, а для частных операций управления вводом- выводом эти параметры каждый раз имеют другие значения.