Windows内核原理与实现读书笔记之并发和同步基础

Windows中的并发和同步

并发是指多个控制流同时在执行，既可能是真正的并行执行(如多处理器或多核的硬件环境)，也可能是分时方式的并发执行。

同步时保证在并发执行的环境中各个控制流可以有序地执行，包括对于资源的共享或互斥访问，以及代码功能的逻辑顺序。

1  进程和线程同步基础

1.1  并发性基础

进程或线程的并发性可能的来源:

多处理器环境、多核环境、超线程环境、处理器外部中断、内部中断、线程放弃执行权。

Intel X86 指令体系中，运算指令加上lock 前缀保证其原子性。

使用lock 前缀的两个条件:

1. 指令的目标操作数必须是一个内存操作数；
2. 仅适用于ADD、ADC、AND、BTC、BTR、BTS、CMPXCHG、CMPXCHB、DEC、INC、NEG、NOT、OR、SBB、SUB、XOR、XADD、XCHG指令。如图：

如InterlockedIncrement 实现原子操作。

LONG FASTCALL InterlockedIncrement(IN OUT LONG volatile* Addend)
{
  _asm{
   Mov eax,1
   Mov ecx,Addend
   Lock xadd [ecx],eax
   Inc eax
    }
}

1.2  进程或线程之间的通讯

互斥或互斥体(mutex)、信号量、锁(lock)、临界区(critical section) 、自旋锁(spinlock) 和忙等待、消息。

1.3  经典的同步问题

死锁、饥饿(starvation)、优先级反转(priority inversion)、哲学家进餐问题(dining philosophers problem)

2  Windows中断与异常

中断(interrupt) 是异步的，异常是同步的。

2.1  硬件中断的发生和处理

在Intel X86 体系结构中，处理器的中断向两边也称为中断描述符表(IDT,Interrupt Descriptor Table)。IDT将每个中断或异常与一个处理该中断或异常的服务例程关联了起来。IDT中最多可有256 项。处理器内部的IDTR 寄存器记录了IDT的位置和最大限制。

如图，IDT和IDTR的关系：

异常分为三种类型：错误(fault)、陷阱(trap)和中止(abort)。

Intel x86 的中断和异常一览表，如图：

2.2  中断请求级别（IRQL）

Windows 使用0~31 表示优先级，数值越大，优先级越高。

#define PASSIVE_LEVEL 0             // Passive release level
#define LOW_LEVEL 0                 // Lowest interrupt level
#define APC_LEVEL 1                 // APC interrupt level
#define DISPATCH_LEVEL 2            // Dispatcher level
#define PROFILE_LEVEL 27            // timer used for profiling.
#define CLOCK1_LEVEL 28             // Interval clock 1 level - Not used on x86
#define CLOCK2_LEVEL 28             // Interval clock 2 level
#define IPI_LEVEL 29                // Interprocessor interrupt level
#define POWER_LEVEL 30              // Power failure level
#define HIGH_LEVEL 31               // Highest interrupt level
#if defined(NT_UP)
// synchronization level - UP system
#define SYNCH_LEVEL DISPATCH_LEVEL 
#else
// synchronization level - MP system
#define SYNCH_LEVEL (IPI_LEVEL-2)   // ntddk wdm ntosp
#endif

2.3  中断对象

Wrk 中中断对象KINTERRUPT 定义：

typedef struct _KINTERRUPT {
    CSHORT Type;
    CSHORT Size;
    LIST_ENTRY InterruptListEntry;
    PKSERVICE_ROUTINE ServiceRoutine;
    PVOID ServiceContext;
    KSPIN_LOCK SpinLock;
    ULONG TickCount;
    PKSPIN_LOCK ActualLock;
    PKINTERRUPT_ROUTINE DispatchAddress;
    ULONG Vector;
    KIRQL Irql;
    KIRQL SynchronizeIrql;
    BOOLEAN FloatingSave;
    BOOLEAN Connected;
    CCHAR Number;
    BOOLEAN ShareVector;
    KINTERRUPT_MODE Mode;
    ULONG ServiceCount;
    ULONG DispatchCount;

#if defined(_AMD64_)
    PKTRAP_FRAME TrapFrame;
    PVOID Reserved;
    ULONG DispatchCode[DISPATCH_LENGTH];
#else
    ULONG DispatchCode[DISPATCH_LENGTH];
#endif
} KINTERRUPT;

InterruptListEntry ：将一组中断对象相互链接起来

SeviceRoutine : 中断对象的处理例程

Vector : 一个中断对象的向量编号

Irql ：表示该中断处理例程执行时的IRQL

DispatchCode :包含了基本的中断处理代码

Mode :中断对象的模式，有LevelSensitive 或Latched。LevelSensitive 模式是指，当中断请求信号出现(asserted)时，中断就会发生，因此，中断对象的例程必须消除中断的原因；Latched 模式是指，仅当中断请求信号从无信号(deasserted) 到有信号(asserted)发生变化时，中断才会发生。

当一个中断发生时，其处理过程如下：

1. 中断对象得DispatchCode 代码块首先获得控制权， 把该代码块所在得中断对象放到edi寄存器中，然后跳转到对应得中断分发函数。
2. 在中断分发函数中，提升IRQL，获得自旋锁，然后调研中断对象得服务例程，即KINTERRUPT 得ServiceRoutine ，待返回后，释放自旋锁，恢复IRQL。
3. 中断分发函数通过Kei386EoiHelper 辅助函数返回。Kei386EoiHelper的iretd 指令结束整个中断处理。

如图：两个中断对象连接到同一个中断向量情形下的控制流程。

最后

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