I/O请求是内核中非常重要的部分,所有的驱动功能都使用I/O请求来交互,故理解了I/O请求也就理解了驱动的工作原理。
DeviceIoControl
这个函数主要就是用于发送I/O请求:
BOOL DeviceIoControl
(HANDLE hDevice, // CreateFile返回的设备句柄DWORD dwIoControlCode, // 应用程序调用驱动程序的控制命令,一般是IOCTL_XXX IOCTLsLPVOID lpInBuffer, // 应用程序传递给驱动程序的数据缓冲区地址DWORD nInBufferSize, // 应用程序传递给驱动程序的数据缓冲区大小,字节数LPVOID lpOutBuffer, // 驱动程序返回给应用程序的数据缓冲区地址DWORD nOutBufferSize, // 驱动程序返回给应用程序的数据缓冲区大小,字节数LPDWORD lpBytesReturned, // 驱动程序实际返回给应用程序的数据字节数地址LPOVERLAPPED lpOverlapped // 重叠操作结构
);
使用这个函数的前提是,我们在驱动中定义IOCTL:
#define USB_IOCTL_SET_CONFIGURATION CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN,\
0x801, METHOD_BUFFERED, FILE_ANY_ACCESS)
这个CTL_CODE是一个接受4个参数的宏,最终将形成一个32位的数值,用于内部指示到底是哪个IOCTL,四个参数分别是:
DeviceType : 设备类型
FunctionCode : 功能码值
TransferType : 缓冲区模式
RequiredAccess : 请求权限
值得注意的是TransferType,它一共有METHOD_BUFFERED、METHOD_IN_DIRECT、 METHOD_OUT_DIRECT、METHOD_NEITHER 这四个值,它们的含义如下:
METHOD_BUFFERED: 缓冲I/O方式,此时缓冲区由系统负责拷贝,IRP中的SystemBuffer 字段包含系统地址,UserBuffer指向用户分配的地址,注意这种模式下使用SystemBuffer 即可传递数据;系统会进行负责拷贝,32位应用程序和64位驱动通讯时候,使用这个可以避免缓冲区出错。
METHOD_IN_DIRECT or METHOD_OUT_DIRECT: 直接I/O方式,此时输入/输出缓冲区会被锁定,MdlAddress 的值有效,SystemBuffer和UserBuffer无效;
METHOD_NEITHER : 自定义I/O处理,这种方案下仅有UserBuffer 有效,这个数据即为用户分配的缓冲区。
注意: 对大部分情况来说,METHOD_BUFFERED属于牺牲性能换取安全性的做法,剩下两种做法都有一定的危险性,当然,在某些情况下,使用METHOD_NEITHER是个非常不错的方案,笔者在某些性能要求苛刻的场景下使用过METHOD_NEITHER。
驱动使用IOCTL和应用层通讯的步骤如下:
1. 驱动使用定义CTL_CODE定义IOCTL;
2. 驱动使用IoCreateSymbolicLink 创建符号对象;
3. 驱动在DriverDispatch中增加对定义的IOCTL的响应,并定义输入输出缓冲区的结构;
4. 应用层引用驱动创建的IOCTL和输入输出缓冲区结构;
5. 应用层调用CreateFile打开驱动创建的符号链接,可以使用winobj.exe查看有哪些符号链接;
6. 应用层初始化输入输出结构,通过DeviceIoControl发起IRP‘
7. 驱动处理IRP;
8. 应用层调用CloseHandle关闭符号链接;
IRP
IRP的结构如下(注: 在windows内核代码解析中我们会看到真正IRP结构):
// IRP
typedef struct _IRP
{PMDL MdlAddress; // 指向MDL地址ULONG Flags; // 文件系统驱动程序使用此字段,该字段对所有驱动程序都是只读的。union {struct _IRP *MasterIrp; // 指向IRP中主IRP的指针PVOID SystemBuffer; // 指向系统空间缓冲区的指针,根据I/O请求不同也不同} AssociatedIrp;IO_STATUS_BLOCK IoStatus; // 驱动程序在调用IoCompleteRequest之前存储状态和信息//char CurrentLocation; // 当前的栈单元KPROCESSOR_MODE RequestorMode; // 指示操作的原始请求者的执行模式BOOLEAN PendingReturned; // 如果设置为TRUE,则驱动程序已将IRP标记为挂起。// 每个IoCompletion例程都应该检查该标志的值。如果标志为TRUE,并且IoCompletion例程不会返回 // STATUS_MORE_PROCESSSING_REQUIRED,则该例程应调用IoMarkIrpPending,// 将挂起状态传播到设备堆栈中其上方的驱动程序。BOOLEAN Cancel; // 是否取消的标志位KIRQL CancelIrql; // 调用IoAcquireCancelSpinLock时驱动程序运行的IRQLPDRIVER_CANCEL CancelRoutine; // 取消例程毁掉PVOID UserBuffer; // 功能代码是IRP_MJ_DEVICE_CONTROL,并且I/O控制代码 // METHOD_NEITHER定义的,则包含输出缓冲区的地址。union {struct {union {KDEVICE_QUEUE_ENTRY DeviceQueueEntry; // IRP排队时,指向排队的IRPstruct {PVOID DriverContext[4]; // 如果IRP没有排队,那么驱动可以使用此字段来存储最多// 四个指针。此字段只能在驱动程序拥有IRP时使用。};};PETHREAD Thread; // 指向调用方的线程控制块的指针LIST_ENTRY ListEntry; // 如果驱动管理自己的IRP队列,会使用此字段将一个IRP链接到下一个// 被屏蔽的结构成员// struct IO_STACK_LOCATION *CurrentStackLocation; // 指向当前栈单元} Overlay;} Tail;
} IRP, *PIRP;
实际上,这个结构并不是真正的IRP结构,它更多的是在操作系统我们可以看到的结构,在里面有个结构被省略了,就是CurrentStackLocation,它实际上指向当前正在处理的栈单元。驱动例程中的派发例程如下:
DRIVER_DISPATCH DriverDispatch;NTSTATUS DriverDispatch([in, out] _DEVICE_OBJECT *DeviceObject,[in, out] _IRP *Irp
);
我们可以看到,例程的参数之一就是IRP结构,我们可以使用IoGetCurrentIrpStackLocation函数获取当前的栈单元PIO_STACK_LOCATION,这个结构定义如下:
typedef struct _IO_STACK_LOCATION {UCHAR MajorFunction; // 主功能码UCHAR MinorFunction; // 子功能码UCHAR Flags; // 由文件系统驱动程序使用。UCHAR Control;union {//// Parameters for IRP_MJ_CREATE //struct {PIO_SECURITY_CONTEXT SecurityContext;ULONG Options;USHORT POINTER_ALIGNMENT FileAttributes;USHORT ShareAccess;ULONG POINTER_ALIGNMENT EaLength;} Create;//// Parameters for IRP_MJ_READ //struct {ULONG Length;ULONG POINTER_ALIGNMENT Key;LARGE_INTEGER ByteOffset;} Read;//// Parameters for IRP_MJ_WRITE //struct {ULONG Length;ULONG POINTER_ALIGNMENT Key;LARGE_INTEGER ByteOffset;} Write;//// Parameters for IRP_MJ_QUERY_INFORMATION //struct {ULONG Length;FILE_INFORMATION_CLASS POINTER_ALIGNMENT FileInformationClass;} QueryFile;//// Parameters for IRP_MJ_SET_INFORMATION //struct {ULONG Length;FILE_INFORMATION_CLASS POINTER_ALIGNMENT FileInformationClass;PFILE_OBJECT FileObject;union {struct {BOOLEAN ReplaceIfExists;BOOLEAN AdvanceOnly;};ULONG ClusterCount;HANDLE DeleteHandle;};} SetFile;//// Parameters for IRP_MJ_QUERY_VOLUME_INFORMATION //struct {ULONG Length;FS_INFORMATION_CLASS POINTER_ALIGNMENT FsInformationClass;} QueryVolume;//// Parameters for IRP_MJ_DEVICE_CONTROL and IRP_MJ_INTERNAL_DEVICE_CONTROL //struct {ULONG OutputBufferLength;ULONG POINTER_ALIGNMENT InputBufferLength;ULONG POINTER_ALIGNMENT IoControlCode;PVOID Type3InputBuffer;} DeviceIoControl;//// Nonsystem service parameters.//// Parameters for IRP_MN_MOUNT_VOLUME //struct {PVOID DoNotUse1;PDEVICE_OBJECT DeviceObject;} MountVolume;//// Parameters for IRP_MN_VERIFY_VOLUME //struct {PVOID DoNotUse1;PDEVICE_OBJECT DeviceObject;} VerifyVolume;//// Parameters for Scsi using IRP_MJ_INTERNAL_DEVICE_CONTROL //struct {struct _SCSI_REQUEST_BLOCK *Srb;} Scsi;//// Parameters for IRP_MN_QUERY_DEVICE_RELATIONS //struct {DEVICE_RELATION_TYPE Type;} QueryDeviceRelations;//// Parameters for IRP_MN_QUERY_INTERFACE //struct {CONST GUID *InterfaceType;USHORT Size;USHORT Version;PINTERFACE Interface;PVOID InterfaceSpecificData;} QueryInterface;//// Parameters for IRP_MN_QUERY_CAPABILITIES //struct {PDEVICE_CAPABILITIES Capabilities;} DeviceCapabilities;//// Parameters for IRP_MN_FILTER_RESOURCE_REQUIREMENTS //struct {PIO_RESOURCE_REQUIREMENTS_LIST IoResourceRequirementList;} FilterResourceRequirements;//// Parameters for IRP_MN_READ_CONFIG and IRP_MN_WRITE_CONFIG //struct {ULONG WhichSpace;PVOID Buffer;ULONG Offset;ULONG POINTER_ALIGNMENT Length;} ReadWriteConfig;//// Parameters for IRP_MN_SET_LOCK //struct {BOOLEAN Lock;} SetLock;//// Parameters for IRP_MN_QUERY_ID //struct {BUS_QUERY_ID_TYPE IdType;} QueryId;//// Parameters for IRP_MN_QUERY_DEVICE_TEXT //struct {DEVICE_TEXT_TYPE DeviceTextType;LCID POINTER_ALIGNMENT LocaleId;} QueryDeviceText;//// Parameters for IRP_MN_DEVICE_USAGE_NOTIFICATION //struct {BOOLEAN InPath;BOOLEAN Reserved[3];DEVICE_USAGE_NOTIFICATION_TYPE POINTER_ALIGNMENT Type;} UsageNotification;//// Parameters for IRP_MN_WAIT_WAKE //struct {SYSTEM_POWER_STATE PowerState;} WaitWake;//// Parameter for IRP_MN_POWER_SEQUENCE //struct {PPOWER_SEQUENCE PowerSequence;} PowerSequence;//// Parameters for IRP_MN_SET_POWER and IRP_MN_QUERY_POWER //struct {ULONG SystemContext;POWER_STATE_TYPE POINTER_ALIGNMENT Type;POWER_STATE POINTER_ALIGNMENT State;POWER_ACTION POINTER_ALIGNMENT ShutdownType;} Power;//// Parameters for IRP_MN_START_DEVICE //struct {PCM_RESOURCE_LIST AllocatedResources;PCM_RESOURCE_LIST AllocatedResourcesTranslated;} StartDevice;//// Parameters for WMI Minor IRPs //struct {ULONG_PTR ProviderId;PVOID DataPath;ULONG BufferSize;PVOID Buffer;} WMI;//// Others - driver-specific//struct {PVOID Argument1;PVOID Argument2;PVOID Argument3;PVOID Argument4;} Others;} Parameters;PDEVICE_OBJECT DeviceObject; // 指向驱动程序创建的DEVICE_OBECT结构的指针PFILE_OBJECT FileObject; // 指向设备对象关联的FILE_OBJECT结构的指针
} IO_STACK_LOCATION, *PIO_STACK_LOCATION;
注意PIO_STACK_LOCATION结构的成员有效性取决于PIO_STACK_LOCATION中的MajorFunction以及MinorFunction。