驱动程序的同步处理

Windows是个多任务的操作系统，每个任务对应一个运行的进程。每个运行的进程中可以包含多个线程。如果没有同步机制的控制，所有的线程会任意运行。然而，多个线程可能会要求操作同一个资源，这时就需要同步处理。

1、基本概念

1.1、问题的引出

在支持多线程的操作系统下，有些函数会出现不可重入现象。所谓“可重入”，是指函数的执行结果和执行顺序无关。反之，如果执行结果和执行顺序有关，则称这个函数是“不可重入”的。

“不可重入”的函数会对多线程操作系统下的程序带来错误，“不可重入”的根本原因就是线程之间的切换导致的。

1.2、同步与异步

多线程运行的基本原理：如果PC中只有一个CPU，CPU将时间分成一个个时间片段，然后CPU将这些时间片段分配给各个线程，当前的线程消耗完这个时间片段后，CPU会转而执行其他的线程。由于CPU运行速度非常快，每个线程仿佛是在同时运行一样。

这时候，各个线程之间的关系成为异步的。每个线程的运行不受其他线程的影响。

2、中断请求级

在设计windows的时候，设计者将中断请求划分为软件中断和硬件中断，并将这些中断都映射成不同级别的中断请求级（IRQL）。同步处理机制很大程度上依赖于中断请求级。

2.1、中断请求（IRQ）与可编程中断控制器（PIC）

中断请求（IRQ）一般有两种，一种是外部中断，也就是硬件产生的中断，另一种由软件指令int n产生的中断。

在传统PC中，一般可以接收16个中断信号，每个中断信号对应一个中断号，外部中断分为不可屏蔽（NMI）和可屏蔽中断，分别由CPU的两根引脚NMI和INTR来接收。

2.2、高级可编程控制器（APIC）

2.3、中断请求级（IRQL）

在APIC中，IRQ的数量被增加到24个，每个IRQ有各自的优先级别，正在运行的线程随时可以被中断打断，进入到中断处理程序，当优先级高的中断来临时，处在优先级低的中断处理程序，也会被打断，进入到更高级别的中断处理函数。

Windows将中断的概念进行了扩展，，提出一个中断请求级（IRQL）的概念。其中规定了32个中断请求级别，分别是0~2级别为软件中断，3~31级为硬件中断，数字从0~31，优先级递增

Windows将24个IRQ映射到了从DISPATCH_LEVEL到PROFILE_LEVEL之间，不同硬件的中断处理程序运行在不同的IRQL级别中。硬件的IRQL称为设备中断请求级别，简称DIRQL。Windows大部分时间运行在软件中断级别中，当设备中断来临时，操作系统提升IRQL至DIRQL级别，并且运行中断处理函数。当中断处理函数结束后，操作系统把IRQL降到原来的级别

用户模式的代码是运行在最低优先级的PASSIVE_LEVEL级别。驱动程序的DriverEntry函数、派遣函数、AddDevice等函数一般都运行在PASSIVE_LEVEL级别，它们在必要时可以申请进入DISPATCH_LEVEL级别。

Windows负责线程调度的组件是运行在DISPATCH_LEVEL级别，当前的线程运行时间片后，系统自动从PASSIVE_LEVEL级别提升到DISPATCH_LEVEL级别。当线程切换完毕后，操作系统又从DISPATCH_LEVEL级别降到PASSIVE_LEVEL级别。

在内核模式下，可以通过调用KeGetCurrentIrql内核函数来得到当前IRQL级别。

8.2.4线程调度与线程优先级

线程优先级和IRQL是两个容易混淆的概念。所有应用程序都运行在PASSIVE_LEVEL级别上，它的优先级别最低，可以被其他IRQL级别的程序打断。线程优先级只针对应用程序而言，只有程序运行在PASSIVE_LEVEL级别才有意义。

线程的优先级别是指某线程是否有更多的机会运行在CPU上，线程优先级高的线程有更多的机会被内核调度。负责调度线程的内核组件运行在DISPATCH_LEVEL级别的IRQL上，这时候所有应用程序的线程都停止，等待着被调度。

ReadFile内部创建IRP_MJ_READ，然后这个IRP被传递到驱动程序的派遣函数中。这时候派遣函数运行于ReadFile所在的线程中，或者说ReadFile和派遣函数位于同一个线程上下文中。

2.4 IRQL的变化

以下描述一个线程的运行过程：

①　一个普通线程A正在运行

②　这个时刻有一个中断发生，它的IRQL为0xD。CPU中断当前运行的线程A，将IRQL提升至0xD级别。

③　这个时候有一个更高优先级的中断发生，它的IRQL是0x1A。这时候CPU将IRQL提升至0x1A级别

④　这个时候又有一个中断发生，但它的IRQL为0x18，低于上一个中断优先级。CPU不会理睬这个中断

⑤　这时候IRQL为0x1A的中断结束，操作系统进入IRQL为0x18的中断服务。

⑥　这时候IRQL为0x18的中断结束，于是进入IRQL为0xD的中断服务

⑦　最后IRQL为0xD的终端结束，操作系统恢复线程A

线程运行在PASSIVE_LEVEL级别，这个时候操作系统随时可能将当前切换到别的线程。但是如果提升IRQL到DISPATCH_LEVEL级别，这时候，这时候不会出现线程的切换。这是一种很常用的同步处理机制，但这种方法只能使用于单CPU的系统。对于CPU的系统，需要采用别的同步处理机制。

2.6 IRQL与内存分页

在使用分页内存时，可能后导致页故障。因为分页内存随时可能从物理内存交换到磁盘文件。读取不在物理内存中的分页内存时，会引发一个页故障，从而执行这个异常的处理函数。异常处理函数会重新将磁盘文件的内容交换到物理内存中。

页故障允许出现在PASSIVE_LEVEL级别的程序中，但如果在DISPATCH_LEVEL或更高级别IRQL的程序中会带来系统崩溃。

2.7 控制IRQL提升与降低

驱动程序使用内核函数KeRaiseIrql将IRQL提高

VOID 
  KeRaiseIrql(
    IN KIRQL  NewIrql,//提升后的IRQL级别
    OUT PKIRQL  OldIrql//保存提升前的IRQL级别
    );

驱动程序使用内核函数KeLowerIrql将IRQL恢复到以前IRQL级别

VOID 
  KeLowerIrql(
    IN KIRQL  NewIrql
    );

3、自旋锁

自旋锁也是一种同步处理机制。他能保证某个资源只能被一个线程所拥有。这种保护被形象称为“上锁”。

3.1、原理

在Windows内核中，有一种被称为自旋锁（Spin Lock）的锁，它可以用于驱动程序中的同步处理。初始化自旋锁时，处于解锁状态，这时它可以被程序“获取”。“获取”后的自旋锁处于锁住状态，不能被再次“获取”。锁住的自旋锁必须被“释放”后才能被再次“获取”。

如果自旋锁已经被锁住，这时有程序申请“获取”这个自旋锁，程序则处于“自旋”状态，所谓自旋状态，就是不停地询问是否可以“获取”自旋锁，自旋锁也因此得名。

在单个CPU的系统中，“获取”自旋锁仅仅是将当前的IRQL从PASSIVE_LEVEL级别提升到DISPATCH_LEVEL级别，但是在多CPU系统中，自旋锁的实现方法会复杂的多。驱动程序必须在低于或者等于DISPATCH_LEVEL的IRQL级别中使用自旋锁。

3.2 使用方法

自旋锁的作用一般是为使各派遣函数之间同步。尽量不要将自旋锁放在全局变量中，而应该将自旋锁放在设备扩展里。自旋锁用KSPIN_LOCK数据结构表示：

Type struct _DEVICE_EXTENSION{

.....

KSPIN_LOCK My_SpinLock;//在设备扩展中定义自旋锁

}DEVICE_EXTENSION，*PDEVICE_EXTENSION;

使用自旋锁前，需要先对其进行初始化，可以使用KeInitializeSpinLock内核函数，一般在驱动程序的DriverEntry或者AddDevice函数中初始化自旋锁。

申请自旋锁可以使用内核函数KeAcquireSpinLock

释放自旋锁使用内核函数KeReleaseSpinLock

4、用户模式下的同步对象

在内核模式下可以使用很多种内核同步对象，这些内核同步对象和用户模式下的同步对象非常类似。同步对象包括事件（Event）、互斥体（Mutex）、信号灯（Semaphore）等。用户模式下的同步对象其实是内核模式下同步对象的再次封装。

4.1 用户模式的等待

在应用程序中，可以使用WaitForSingleObject（用于等待一个同步对象）和WaitForMultipleObjects（用于等待多个同步对象）等待同步对象。

DWORD WaitForSingleObject{

HANDLE hHandle, //同步对象句柄

DWORD dwMilliseconds //等待时间ms,值为INFINITE表示无限等待，值为0表示强迫操作系统将当前线程切换到其他线程

};

WaitForMultipleObjects函数声明：

DWORD WaitForMultipleObjects{

DWORD nCount, //同步对象数组元素个数

CONST HANDLE *lpHandles, //同步对象数组

BOOL bWaitAll, //是否等待全部同步对象

DWORD dwMillseconds //等待时间

};

4.2 用户模式开启多线程

等待同步对象一般出现在多线程的编程中，因此这里介绍一下应用程序如何创建新线程。Win32 API CreateThread函数负责创建新线程。

HANDLE CreateThread{

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, //安全属性

SIZE_T dwStackSize, //初始化堆栈大小

LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, //线程运行的函数指针

LPVOID lpParameter, //传入函数中的参数

DWORD dwCreationFlags, //开启线程时的状态

LPDWORD lpThreadId //返回线程ID

}

_beginthreadex函数对CreateThread函数进行了封装，其参数与CreateThread完全一致。

4.3、用户模式的事件

事件是一种典型的同步对象。用户模式下的事件和内核模式的事件对象紧密相连。在使用事件之前，需要对事件进行初始化，使用CreateEvent API函数。

主线程开启新的辅助线程，主线程把一个事件的句柄传递给子线程。同时，主线程等待该事件激发，辅助线程所做的事情就是现实一些信息，并设置该事件。如果主线程不等待事件，也是以异步的方式共同的和辅线程执行，这时很有可能主线程都退出来了，辅助线程还在继续运行。

4.4 用户模式的信号灯

信号灯也是一种常用的同步对象，信号灯也有两种状态，一种是激发状态，另一种是未激发状态。信号灯内部有个计数器，可以理解信号灯内部有N个灯泡。如果一个灯泡亮着，就代表信号处于激发状态，如果全部熄灭，则代表信号灯处于未激发状态。使用信号灯钱需要先创建信号灯。CreateSemaphore函数负责创建信号灯。

4.5 用户模式的互斥体

互斥体也是一种常用的同步对象。互斥体可以避免多个线程争夺同一个资源。例如：多线程环境中，只能有一个线程占有互斥体，获得互斥体的线程如果不释放互斥体，其他线程永远不会获得这个互斥体。互斥体的概念类似于同步事件，所不同的是同一个线程可以递归获得互斥体：即得到互斥体的线程还可以再次获得这个互斥体，或者说互斥体对于已经获得互斥体的线程不产生“互斥”关系。而同步事件不能递归获取。

互斥体也有两种状态：激发态和未激发态。如果线程获得互斥体时，此时的状态时未激发态，当释放互斥体时，互斥体的状态为激发态。初始化互斥体的函数是CreateMutex。

4.6 等待线程完成

还有一种同步对象，就是线程对象，每个线程同样有两个状态，激发状态和未激发状态。当线程处于运行之中的时候，是未激发状态。当线程终止后，线程处于激发状态。

以上内容参考自张帆 史彩成等编著的《Windows 驱动开发技术详解》第8章