实现操作系统的版本IO管理器

IO管理器（IOManager）是系统中的全局对象之一，整个系统中只存在一个这样的对象。该对象提供了面向应用的接口，比如CreateFile，ReadFile等函数供用户线程调用，来访问具体的设备。还提供了面向设备驱动程序的接口，供设备驱动程序调用，完成诸如创建设备对象、销毁设备对象等操作。

系统中所有加载的设备驱动程序都归该对象管理，系统中所有用户可以使用的设备，也归该对象管理。因此，可以认为该对象是设备管理框架的核心对象。

1.驱动程序对象和设备对象

在Hello China的实现中，对于每个加载的设备驱动程序，系统都为之创建了一个驱动程序对象，并调用驱动程序的DriverEntry函数来初始化这个驱动程序对象。驱动程序对象保存了对设备进行操作的所有函数指针，比如对设备的读函数、对设备的写函数等。

驱动程序对象可以理解为管理设备驱动程序的数据结构，而设备对象则对应于具体的物理设备，即设备对象是对物理设备进行直接管理的数据结构。设备对象由驱动程序创建，一般情况下，是在设备驱动程序加载并初始化的时候创建，一个比较合适的时机就是在DriverEntry函数中创建。

在设备对象中，有一个指向对应于该设备的设备驱动程序对象的指针。设备的所有操作都是由驱动程序对象提供的函数完成的，通过指向驱动程序对象的指针，即可找到特定的设备操作函数，进而完成对设备的操作。

为了说明设备对象和设备驱动程序对象的关系，下面举一个磁盘驱动程序的例子。

（1）在系统启动的时候，根据配置文件或总线检测结果，加载硬盘驱动程序。其中驱动程序的加载工作，是由IOManager完成的。

（2）完成驱动程序的加载（加载过程包括读入驱动程序文件、重定位、根据文件头找到DriverEntry函数的入口地址等）后，IOManager创建一个设备驱动程序对象，并以该对象为参数调用硬盘驱动程序的DriverEntry函数。

（3）驱动程序（实际上是DriverEntry函数）对系统中的硬盘设备进行检测。比如检测硬盘的数量、每个硬盘的分区情况等，都在这个检测过程中完成，实际上，检测是一个收集数据的过程。

（4）硬盘驱动程序根据收集的数据，比如系统中的硬盘数量以及每个硬盘的分区情况等，创建相应的设备对象（通过调用IOManager提供的CreateDevice函数）。一般情况下，针对每个硬盘、每个硬盘分区分别创建设备对象。假设系统中安装了一个硬盘，该硬盘划分了四个分区，则DriverEntry创建五个设备对象（分别为硬盘设备对象、分区一设备对象、分区二设备对象、分区三设备对象和分区四设备对象）。在创建设备对象的时候，驱动程序需要为每个设备对象取一个字符串名字。在Hello China的实现中，第一个物理硬盘的名字为“PhysicalDisk0”，第二个为“PhysicalDisk1”，依此类推。对于分区设备，第一个分区的名字为“Partition0”，第二个为“Partition1”，依此类推。

（5）上述步骤完成之后，硬盘就可以供具体的应用线程使用了。因为上述几个设备对象已被IOManager插入设备链表。一旦插入设备链表，用户应用程序（用户线程）即可调用Open函数（实际上是IOManager的CreateFile函数）来打开设备并访问了。

比如，有一个用户线程读取硬盘数据，则具体的过程如下。

（1）用户调用ReadFile函数发起一个硬盘读取请求（该函数的参数提供了硬盘对象设备对象的地址）。

（2）IOManager根据ReadFile提供的设备对象的地址，找到该对象对应的驱动程序对象（设备对象保存了指向驱动程序对象的指针）。

（3）IOManager创建一个DRCB对象（参考10.2.1节）并初始化，然后调用驱动程序对象中特定的函数（DeviceRead函数）。

（4）该函数完成具体的硬盘读/写操作，并返回。

（5）IOManager根据返回的结果，填充用户缓冲区，然后返回给用户线程。

需要指出的是，在调用ReadFile函数读取设备内容的时候，需要首先打开设备（以设备名称为参数，调用CreateFile函数）。在打开设备的过程中，IOManager会根据设备名称查询整个设备链表，返回匹配的设备对象指针（在Windows操作系统中，这个返回的值叫做句柄。后续描述中，有时候也把设备对象指针叫做句柄）。

2.IOManager对设备对象和设备驱动程序的管理

在Hello China当前版本的实现中，所有驱动程序对象和设备对象都是由IOManager直接管理的。在实现中，IOManager维护了两个双向链表，一个链表把系统中所有的驱动程序对象连接在一起，另一个链表把系统中所有的设备对象连接在一起，在IOManager的定义中，有两个成员变量：

这两个变量指向两个双向链表的头节点。

整体架构可参考图10-5。

图10-5 Hello China的设备对象和设备驱动程序对象

3.IOManager对象的实现

下面正式介绍IOManager对象的实现代码。首先看该对象的定义（为了方便，删除了部分注释和无关内容）：

可以看出，IOManager的定义比较复杂，涉及很多函数，但这些对外函数（或接口）总体上可以分为四类：

（1）初始化函数（Initialize），系统初始化的时候调用该函数初始化IOManager。

（2）对用户的接口，由用户调用来访问设备。如果读者对Windows的API比较熟悉，那么对IOManager定义的这些函数的功能应该不会陌生。实际上这些函数的语义，与Windows大致相同。

（3）对设备驱动程序的接口，由设备驱动程序调用来获得IOManager的服务。

（4）文件系统驱动程序专用的几个函数，主要用于文件系统驱动程序向操作系统核心注册文件系统等功能，在第12章中将做详细介绍。

在下面的部分中，分别对初始化函数和设备驱动程序服务函数进行描述，文件系统相关的全局变量和函数将在第12章中做详细介绍。

4.初始化函数（Initialize）

初始化函数（Initialize）用来进行一些初始化工作，在Hello China启动的时候调用。在目前的实现中，该函数完成下列功能：

（1）初始化设备驱动程序。Hello China当前版本的设计目标为嵌入式操作系统，这样就不需要动态地加载设备驱动程序，设备驱动程序事先已经同操作系统内核编译在一起了。但设备驱动程序所遵循的框架也与动态加载的设备驱动程序一致，不同的是少了加载的步骤（动态加载设备驱动程序包括从存储设备读入驱动程序、重定位等步骤）。在IOManager的Initialize函数中，会调用每个连接到操作系统核心的设备驱动程序的DriverEntry函数。

（2）其他相关工作。

上述所有工作顺利完成之后，Initialize函数将返回TRUE，若该函数返回FALSE，会导致系统停止引导。

另外一个问题就是，对于与操作系统核心连接在一起的驱动程序，Initialize函数如何确定其入口点（DriverEntry函数）。为了解决这个问题，当前版本的Hello China定义了一个数据结构：

(www.xing528.com)

并定义了一个全局数组：

这样，Initialize函数在实现时，就会遍历这个数组，为数组中的每个元素创建一个__DRIVER_OBJECT对象，然后调用对应的DriverEntry函数。

因此，对于每个需要静态联编并加载的设备驱动程序，程序开发者都需要在DriverEntryMap数组中手工添加一条记录。该数组的最后一条空记录（{NULL，NULL}）是该数组结束的标记。

Hello China目前没有实现动态设备驱动程序的加载功能，但如果将来需要，则可以按照下列思路实现这一功能。

通过另外一个帮助函数——GetDriverEntry——得到需要动态加载的设备驱动程序的入口地址，该函数原型如下：

其中，lpDevVender指向一个设备厂家ID结构，该结构描述了IOManager想要加载的设备的厂家信息，而lpDrvName则指明了加载的设备驱动程序的名字（可以为空）。GetDriverEntry根据厂家信息，查询系统的一个配置文件，并找到对应的驱动程序的文件名，然后调用ModuleManager的特定函数，ModuleManager根据文件名，在存储设备上找到合适的驱动程序，然后加载到内存（加载过程包括了重定位、名字解析、初始化等操作），并返回给加载模块的起始地址（返回给GetDriverEntry）。

其中，ModuleManager是模块管理器，用来完成把磁盘上的代码（可执行模块，比如动态链接库、应用程序可执行文件等）加载到内存中并重定位等功能。

在实现动态设备驱动程序加载的时候，IOManager的Initialize函数需要调用DeviceManager的相关函数，遍历系统中的硬件配置，对于检索到的每一个硬件，根据该硬件的__DEVICE_VENDOR标识，调用GetDriverEntry函数。

5.IOManager对应用的接口

IOManager提供了两个方向的接口：对应用程序的接口和对设备驱动程序的接口。其中，对应用程序的接口被应用线程调用，用来访问具体的设备，下列接口（函数）是对应用的接口（函数）：

（1）CreateFile，用于打开一个文件或设备。在Hello China当前版本的实现中，所有的设备和文件同等对待，都是用名字来标识，该函数既可以打开某一文件系统中的特定文件，也可以打开一个特定的物理设备。

（2）ReadFile，从文件或设备中读取数据。在当前版本的实现中，该函数采用同步操作模式，即该函数一直等待设备操作完成，而不是中途返回（在Windows API中，实现了一种所谓的异步操作模式，即该函数向操作系统提交一个读取事务，然后直接返回，当操作系统完成事务指定的读/写动作后，向发起事务的进程发送一个消息，进程处理该消息，最后完成读/写操作），在这个过程中，调用该函数的线程可能被阻塞。

（3）WriteFile，向设备或文件写入数据，实现机制与ReadFile类似。

（4）CloseFile，CreateFile的反向操作，用于关闭CreateFile打开的设备或文件。在这个函数的实现中，如果操作目标是一个文件，则系统直接把相应的文件对象销毁，如果操作的对象是物理设备，则该对象不被销毁，而是递减对象的引用计数。

（5）IOControl，完成设备驱动程序独特的操作。有些操作是不能通过Read、Write等来抽象的，比如针对音频设备的快进、重复播放等，系统提供了该函数，相当于提供了一个万能的接口给用户程序，用户程序可以通过该函数调用、完成任意驱动程序特定的操作功能。

（6）SetFilePointer，移动文件的当前指针。

（7）FlushFile，把位于缓冲区中的文件内容写入磁盘。一般情况下，文件系统的实现大量地使用了缓冲机制，即对文件的写操作先在内存中完成，积累到一定的程度后，再由设备驱动程序统一递交到物理设备，这样可以大大提高操作效率。但有的情况下，应用程序可能需要立即把改写的文件内容写到物理存储设备上，比如应用程序关闭的时候，这样就需要调用该函数来主动地同步缓存和物理存储介质。需要说明的是，CloseFile在实际关闭文件对象前，总是调用FlushFile来同步缓冲区和物理存储介质。

有的操作系统提供了LockFile函数，该函数用于把打开的文件加锁，实现互斥的访问。在Hello China当前的实现中，没有提供该函数功能，主要是考虑到该函数用途可能不是很大，而且可以通过一些替代方式来完成，比如应用程序可以独占地打开一个文件，也可以在打开文件的时候，指定另外的打开标志，只允许其他应用程序只读地打开文件，等等。

这些函数的实现以及使用方法在第12章中有详细介绍，在此不作赘述。

6.IOManager对设备驱动程序的接口

下列函数供设备驱动程序调用。

（1）CreateDevice，该函数创建一个设备对象，并根据函数参数完成初步的初始化功能。一般情况下，设备驱动程序加载完毕，进入初始化阶段（DriverEntry函数）之后，设备驱动程序会检测设备，根据检测结果来创建相应的设备对象。比如，网卡驱动程序被加载之后，驱动程序会检测系统上是否安装了网卡，如果能够检测到网卡，那么驱动程序会创建一个网卡设备对象。

（2）DestroyDevice，该函数销毁CreateDevice函数创建的设备对象。

为了进一步理解上述几个函数的功能，下面描述一个比较典型的设备驱动程序加载、初始化过程，假设设备驱动程序为硬盘驱动程序。

（1）操作系统加载硬盘驱动程序文件，并完成诸如重定位等工作。

（2）IOManager调用硬盘驱动程序的入口函数（DriverEntry），硬盘驱动程序进入初始化工作。

（3）在硬盘驱动程序的DriverEntry函数内部检测系统的硬盘安装情况，比如安装硬盘的个数、每个硬盘的分区情况等。

（4）根据检测结果预留系统资源（调用DeviceManager对象提供的ReserveResource函数），有的情况下，IOManager会通过DriverEntry函数传递给驱动程序相应的设备资源，这种情况下，驱动程序必须使用系统分配的资源，但也必须显式地通过ReserveResource预留系统分配的资源，算是一个资源确认操作。

（5）根据检测的结果调用CreateDevice创建相应的设备对象。

（6）如果上述过程一切顺利，则初始化结束，设备可以使用。

7.驱动程序入口（DriverEntry）

驱动程序被加载到内存后，IOManager首先通过某种方式（具体参考下面的章节），找到一个所谓“入口函数”的地址，然后调用这个函数，这个函数就是所谓的驱动程序“入口”。驱动程序的入口原型如下。

其中，lpDriverObject是IOManager创建的一个驱动程序对象，而lpResDesc则是描述系统资源的数据结构指针。

该函数的具体实现是由驱动程序本身完成的，一般情况下，驱动程序可以在这个函数内初始化全局数据结构，创建设备对象，并设置驱动程序对象的一些变量（比如各个函数指针等），如果该函数成功执行，那么返回TRUE，这个时候，IOManager就认为驱动程序初始化成功，否则，返回FALSE，那么IOManager就会认为驱动程序初始化失败，于是就卸载掉该驱动程序，释放创建的驱动程序对象。

8.设备驱动程序的卸载

所谓设备驱动程序卸载，指的是把不再使用的驱动程序从内存中删掉，以释放内存，供其他应用程序使用。设备驱动程序的卸载发生在操作系统关闭、设备消失（被拔出等）等情况下，在设备驱动程序被卸载的时候，系统（IOManager）调用设备驱动程序的UnloadEntry函数，该函数释放驱动程序申请的资源。

从UnloadEntry返回后，IOManager会删除该驱动程序对应的驱动程序对象。