MDL

针对外部设备和文件的操作一般都是由用户空间的程序发动的，最典型的就是通过系统调用NtReadFile()和NtWriteFile()进行的读写操作。这些操作往往伴随着用户空间和内核之间大量频繁的数据交换。因为用来盛放数据的缓冲区是在用户空间，而数据的来源或消耗者却是内核。这样，当CPU进入内核以后，怎样访问用户空间的缓冲区就成为一个问题。实际上，当CPU运行于系统空间的时候是可以直接访问用户空间的（反过来则不行），因为CPU运行于系统空间时的权限高于运行于用户空间时，而CPU进入内核时并不改变内存的页面映射。所以，至少在CPU刚进入内核时是可以访问用户空间的缓冲区的。我们假定发起系统调用的线程属于进程A，因而A就是当前进程，当时正在使用中的页面映射表就是A的页面映射表，所以CPU即使在内核中也可以访问进程A的用户空间缓冲区。但是，如果发生了线程调度，使得当前的页面映射表不再是进程A的页面映射表，而CPU仍以原来的缓冲区（虚拟）地址访问内存，那就跑到别的进程的用户空间去了，因为用户空间的虚拟地址是多重的，即可以由不同进程同时重复使用的。这里的问题在于：CPU使用进程A用户空间的虚拟地址，意欲访问进程A用户空间的缓冲区，但是当前的页面映射表却不是进程A的，所以被映射到属于其他进程的物理页面中去了。那么什么时候、什么条件下会发生这样的情况呢？一般而言，当CPU运行于管理层或以上时是不会发生这种情况的，但是在中断服务程序中或DPC函数中就很可能会发生了，因为中断服务程序和DPC函数的执行在时间上是随机的，而设备驱动和文件操作在很大程度上是受中断驱动，所以这就成了突出的问题。

怎么办呢？办法之一是CPU进入内核以后在系统空间分配一块相应的缓冲区，并从用户空间缓冲区把内容复制到这个系统空间缓冲区（如果需要的话），以后在中断服务程序和DPC函数中就使用这个系统空间缓冲区，然后（如果需要的话）在CPU返回用户空间的前夕再把其内容复制到用户空间。系统空间的虚拟地址不是多重的，不能由不同进程同时重复使用，并且系统空间的地址映射不随进程（线程）的切换而变，所以不会混淆。这种方法称为"缓冲"方法，我们常常在程序中看到在SEH域中从用户空间复制数据，就是在使用这种方法。这种方法对于小块的数据（例如十来个字节、数十个字节）是很合适的，但是对于大块的数据就不大适合了，因为此时复制缓冲区的开销已经不可忽视。

另一个办法是临时为用户空间缓冲区增添一个系统空间映射，这使同一组物理页面有了两个虚拟地址区间，其一就是原来的用户空间虚拟地址区间，其二则是系统空间的虚拟地址区间。于是，就可以通过系统空间的虚拟地址访问用户空间缓冲区了，直到完成操作而返回用户空间时才撤销系统空间的映射。这种方法称为"直接"方法。直接方法对于很小的缓冲区是不划算的，因为临时映射的建立和撤销需要一定的开销，对于大一点的缓冲区才合适。

在一些特殊的情况下，既不采用缓冲方法，也不采用直接方法，而直接使用用户空间虚拟地址访问缓冲区，也是可以的，但是得要十分小心，绝对不能在中断服务程序和DPC函数中使用用户空间虚拟地址。特别地，由于Windows设备驱动的异步性，许多操作其实是作为DPC函数得到执行的；所以一般而言实际的设备驱动不是采用缓冲方法就是采用直接方法。当然，如果中断服务程序和DPC函数根本就不需要访问用户空间的缓冲区，那就谈不上采用哪一种方法了。这样的设备驱动既不采用缓冲方法，也不采用直接方法。

如果既不采用缓冲方法，也不采用直接方法，就使IRP中的指针UserBuffer指向用户空间缓冲区，其虚拟地址为Buffer。

如果采用缓冲方法，则通过ExAllocatePoolWithTag()分配一块系统空间缓冲区，再把用户空间缓冲区的内容复制进去。这样，用户空间缓冲区就得到了解脱，以后在设备驱动的低层就使用这个系统空间缓冲区了。如前所述，系统空间虚拟地址的使用是统一的，其页面映射不受进程切换的影响。在这种情况下，IRP内部的联合体（union）"AssociatedIrp"解释为指针SystemBuffer，并使其指向系统空间缓冲区。

而如果采用直接方法，则要通过IoAllocateMdl()分配一个系统空间虚拟地址区间，并将其记录在一个"内存描述列表（Memory Descriptor List）"即MDL结构中备用，到实际需要时再为之建立临时映射。MDL数据结构的定义为：

typedef struct _MDL {
  struct _MDL           *Next;
  CSHORT            Size;               //整个MDL列表的长度
  CSHORT            MdlFlags;
  struct _EPROCESS  *Process;           //缓冲区所属的进程
  PVOID             MappedSystemVa; //映射以后的系统空间虚拟地址
  PVOID             StartVa;            //缓冲区所在第一个页面的（用户空间）虚拟地址
  ULONG             ByteCount;          //缓冲区起点在第一个页面内的位移
  ULONG             ByteOffset;         //缓冲区长度
} MDL, *PMDL;

数据结构MDL只是整个列表的头部，在MDL结构后面是一个PFN_NUMBER即无符号整数的数组，每个元素描述着缓冲区所覆盖的一个页面。而整个MDL列表则是对于一个缓冲区的页面描述。