如何释放已删除内存映射文件的磁盘簇以触发访问异常

测试目标 #

模拟如下Windows系统行为：文件被映射到内存后，在通过内存映射访问文件的过程中执行删除操作，触发映射内存访问时的EXCEPTION_IN_PAGE_ERROR访问违规异常。
示例代码同时演示了支持栈展开的C++环境下，Windows结构化异常处理（SEH）的正确封装方式：

#include <Windows.h>
#include <iostream>
#include <atomic>

using namespace std;

using XHANDLE = unique_ptr<void, decltype([]( void *h ) { h && h != INVALID_HANDLE_VALUE && CloseHandle( (HANDLE)h ); })>;
using XMAP_VIEW = unique_ptr<void, decltype([]( void *p ) { p && UnmapViewOfFile( p ); })>;

template<typename Fn, typename Filter, typename Handler>
    requires requires( Fn fn, Filter filter, EXCEPTION_POINTERS *pEp, Handler handler ) { { fn() }; { filter( pEp ) } -> same_as<LONG>; { handler() }; }
void seh_encapsulate( Fn fn, Filter filter, Handler handler );

int wmain( int argc, wchar_t **argv )
{
    if( argc < 2 )
        return EXIT_FAILURE;
    XHANDLE xhFile( CreateFileW( argv[1], GENERIC_READ, FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_DELETE, nullptr, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL ) );
    if( xhFile.get() == INVALID_HANDLE_VALUE )
        return EXIT_FAILURE;
    LARGE_INTEGER liFileSize;
    if( !GetFileSizeEx( xhFile.get(), &liFileSize ) || liFileSize.QuadPart > (size_t)-1 )
        return EXIT_FAILURE;
    XHANDLE xhMappging( CreateFileMapping( xhFile.get(), nullptr, PAGE_READONLY, 0, 0, nullptr ) );
    if( !xhMappging.get() )
        return EXIT_FAILURE;
    XMAP_VIEW mapView( MapViewOfFile( xhMappging.get(), FILE_MAP_READ, 0, 0, 0 ) );
    if( !mapView.get() )
        return EXIT_FAILURE;
    atomic_char
        *pa = (atomic_char *)mapView.get(),
        *paEnd = pa + (size_t)liFileSize.QuadPart;
    seh_encapsulate(
            [&]()
            {
                for( ; ; )
                    for( atomic_char *paScn = pa; paScn != paEnd; ++paScn )
                        (void)paScn->load( memory_order_relaxed );
            },
            [&]( EXCEPTION_POINTERS *pEp ) -> LONG
            {
                if( pEp->ExceptionRecord->ExceptionCode != EXCEPTION_IN_PAGE_ERROR )
                    return EXCEPTION_CONTINUE_SEARCH;
                if( pEp->ExceptionRecord->NumberParameters < 2 )
                    return EXCEPTION_CONTINUE_SEARCH;
                void *where = (void *)pEp->ExceptionRecord->ExceptionInformation[1];
                if( where < pa || where >= paEnd )
                    return EXCEPTION_CONTINUE_SEARCH;
                return EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER;
            },
            []()
            {
                cout << "I/O error" << endl;
            } );
}

template<typename Fn, typename Filter, typename Handler>
    requires requires( Fn fn, Filter filter, EXCEPTION_POINTERS *pEp, Handler handler ) { { fn() }; { filter( pEp ) } -> same_as<LONG>; { handler() }; }
void seh_encapsulate( Fn fn, Filter filter, Handler handler )
{
    __try
    {
        fn();
    }
    __except( filter( GetExceptionInformation() ) )
    {
        handler();
    }
}

遇到的问题 #

实际测试时，DeleteFile调用可以成功返回、文件在资源管理器中不可见，但文件占用的磁盘簇会一直保留到所有内存映射句柄、映射视图全部关闭后才会释放，循环访问映射内存始终无法触发预期的EXCEPTION_IN_PAGE_ERROR异常。

根本原因 #

Windows内存管理器对已创建映射的文件采用引用计数生命周期管理：只要存在活跃的文件映射段（Section）对象、映射视图，NTFS/FAT32等本地文件系统就会保留文件的磁盘簇分配，DeleteFile成功仅移除文件的目录项，底层存储资源不会释放，内存管理器访问映射页时仍能从磁盘正常读取数据，自然不会触发换页错误。这是系统的设计行为，没有公开接口可以绕过该机制提前释放已映射文件的本地磁盘簇。

可成功复现异常的方案 #

要触发EXCEPTION_IN_PAGE_ERROR，核心是让映射页对应的底层存储在换入时不可访问，普通本地固定磁盘上的删除操作无法实现该效果，可选择以下方案：

• 方案1：使用SMB网络共享路径承载测试文件
  将测试文件放在SMB共享目录中，本地完成内存映射后，直接在共享服务端删除该文件。此时本地访问未被缓存到内存的映射页时，SMB重定向器无法从服务端获取对应数据，会直接抛出目标异常。
• 方案2：使用可移动存储/临时虚拟磁盘承载测试文件
  将测试文件放在可弹出的U盘、或手动挂载的VHD/VHDX虚拟磁盘中，完成内存映射后直接弹出/脱机该存储卷，此时映射页对应的底层存储不可用，访问未驻留内存的页时即可触发异常。测试时建议使用远大于系统可用内存的测试文件，避免所有页被系统提前读入缓存导致异常无法触发。
• 方案3：人为构造文件系统元数据错误
  完成内存映射后，通过低层级磁盘IO直接覆写测试文件对应的NTFS MFT项、FAT表簇链记录，让文件系统无法定位文件对应的数据簇，访问未缓存页时也会触发换页错误。该方法操作复杂度高，容易损坏磁盘上的其他有效数据，不推荐使用。

测试注意：如果访问的映射页已经被系统缓存到物理内存中，即使底层存储不可用也不会触发异常，测试前可以通过清空系统工作集、使用大文件顺序遍历的方式保证访问的页需要从存储层换入。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Bonita Montero