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同步問題

同步問題. sigang@mti.xidian.edu.cn. 引入. Vc 中 Use run-time library 選項 ︰ Single-Threaded Multi-threaded Multi-threaded DLL 分別靜態連接 LIBC.LIB 靜態連接 LIBCMT.LIB 動態連接 MSVCRT.DLL debug 和 release 版本連接到不同的庫. C Runtime Library. C Runtime Library︰ Single-threaded Multi-threaded

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同步問題

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  1. 同步問題 sigang@mti.xidian.edu.cn

  2. 引入 • Vc中Use run-time library 選項︰ • Single-Threaded • Multi-threaded • Multi-threaded DLL • 分別靜態連接 LIBC.LIB • 靜態連接 LIBCMT.LIB • 動態連接MSVCRT.DLL • debug 和release版本連接到不同的庫

  3. C Runtime Library • C Runtime Library︰ • Single-threaded • Multi-threaded • Single-threaded 生于1970年代。當時的硬體情況決定多任務是不可能的，多線程更是痴人說夢。 • 所以Single-threaded 使用數個全局變量和靜態變量，這不會引起什麼問題，因為只有一個線程使用它。

  4. 時間的流逝 • 歷史的車輪不會停，硬體在突飛猛進的發展，軟體也發展。 • 出現了多任務，多線程 • 使用Single-threaded庫時出現了很多問題 • 比如︰

  5. Multi-threaded • 利用我們后面要講述的同步機製， Multi-threaded 版本的C Runtime Library出世了 • 差別︰對于一些變量，改成每個線程一個，對于一些數據架構的訪問加上了同步機製。 • Single-threaded Runtime Library 消失么？ • 不會。因為同步機製的引入而引起的大小和效率問題使Multi-threaded版本僅在需要時使用

  6. 一個原始的同步問題 驅動程式中的代碼︰ static LONG lActiveRequests; NTSTATUS DispatchRead(PDEVICE_OBJECT fdo, PIRP Irp) { ++lActiveRequests; ... // process PNP request --lActiveRequests; } 兩個問題?

  7. ; ++lActiveRequests; mov eax, lActiveRequests add eax, 1 mov lActiveRequests, eax ; ++lActiveRequests; mov eax, lActiveRequests add eax, 1 mov lActiveRequests, eax 第一個問題 X86處理器生成如下的彙編代碼

  8. 解決的辦法 • 把load/add/store和load/subtract/store指令序列替換為原子指令︰ • ; ++lActiveRequests; • inc lActiveRequests • ...; • --lActiveRequests; • dec lActiveRequests • INC和DEC指令不能被中斷，但是多處理器環境中仍然是不安全的，因為這兩個指令都是由幾條微代碼(CISC的特點)實現的

  9. 最終的解決 • ; ++lActiveRequests; • lock inc lActiveRequests • ...; • --lActiveRequests; • lock dec lActiveRequests • LOCK指令前綴可以使當前執行多微碼指令的CPU鎖定匯流排，從而保證數據訪問的完整性。

  10. 第二個問題 • 一個驅動程式支持多個設備怎么辦？ • 不能使用靜態變量，而要使用一個保存設備特有數據的設備擴展的一個成員。 • 這個簡單的同步問題解決了。 • 但是並不是所有的同步問題都可以這樣容易地解決

  11. 使用IRQL優先級方案來避免搶先 • 複習︰

  12. 搶先(preempt) • 什麼是搶先？ • 執行在PASSIVE_LEVEL的IRQL上活動能被任何活動搶先 • 一旦CPU執行在高于PASSIVE_LEVEL的IRQL上時，該CPU上的活動僅能被擁有更高IRQL的活動搶先。

  13. 線程調度呢？ • 線程調度呢？（dispatch）？ • 當IRQL級高于或等于DISPATCH_LEVEL級時線程切換停止，無論當前活動的是什麼線程都將保持活動狀態直到IRQL降到DISPATCH_LEVEL級之下。 • 執行在高于或等于DISPATCH_LEVEL級上的代碼絕對不能造成頁故障。 • 系統在APC級處理頁故障

  14. IRQL的隱含控制 • 驅動程式中一些固定的框架（在分發歷程中或者dpc調用startpacket，startnextpacket排隊請求，操作隊列，所有IRP的開始都是在StartIo例程裡面完成） • 不理解？因為系統有一個對IRQ的隱含控制 • StartIo和Dpc都營運在DISPATCH_LEVEL級，他們不會互相衝突

  15. IRQL的明確控制 • 可以臨時提升IRQL，然後再降回到原來的IRQL • KeRaiseIrql和KeLowerIrql函數 • KIRQL oldirql; • ASSERT(KeGetCurrentIrql() <= DISPATCH_LEVEL); • KeRaiseIrql(DISPATCH_LEVEL, &oldirql); • ... • KeLowerIrql(oldirql);

  16. 自旋鎖 • 前面IRQL的一個問題？ • 不能解決多cpu的問題。 • 自旋鎖(spin lock) 對象可以解決這個問題。 • Spin lock的所有者是cpu，不是特定的線程

  17. 什麼是自旋鎖 • 為了獲得一個自旋鎖，在某CPU上營運的代碼需先執行一個原子操作，該操作測試並設置(test-and-set)某個內存變量，由於它是原子操作，所以在該操作完成之前其它CPU不可能訪問這個內存變量。如果測試結果表明鎖已經空閒，則程式獲得這個自旋鎖並繼續執行。如果測試結果表明鎖仍被佔用，程式將在一個小的循環內重複這個“測試並設置(test-and-set)”操作，即開始“自旋”。最後，鎖的所有者透過重置該變量釋放這個自旋鎖，于是，某個等待的test-and-set操作向其調用者報告鎖已釋放。

  18. 有關自旋鎖 • 如果一個已經擁有某個自旋鎖的CPU想第二次獲得這個自旋鎖，則該CPU將死鎖(deadlock) ，自旋鎖沒有與其關聯的“使用計數器”或“所有者標識”；鎖或者被佔用或者空閒 。 • CPU在等待自旋鎖時不做任何有用的工作，僅僅是等待。所以，為了避免影響性能，應該在擁有自旋鎖時做盡量少的操作，因為此時某個CPU可能正在等待這個自旋鎖。 • 僅能在低于或等于DISPATCH_LEVEL級上請求自旋鎖，在擁有自旋鎖期間，內核將把代碼提升到DISPATCH_LEVEL級上營運。

  19. 使用自旋鎖 • 要在非分頁內存中為一個KSPIN_LOCK對象分發存儲 ，通常在設備擴展中 • 調用KeInitializeSpinLock初始化這個對對象 • 當代碼營運在低于或等于DISPATCH_LEVEL級上時獲取這個鎖，並執行需要保護的代碼，最後釋放自旋鎖 • 看一個例子︰

  20. 在DISPATCH_LEVEL獲取自選鎖 • 如果知道代碼已經處在DISPATCH_LEVEL級上 ，如DPC、StartIo，和其它執行在DISPATCH_LEVEL級上的驅動程式例程 • 可以調用兩個專用函數來操作自旋鎖 ︰ • KeAcquireSpinLockAtDpcLevel(&pdx->QLock); • ... • KeReleaseSpinLockFromDpcLevel(&pdx->QLock);

  21. 為什麼不一樣 Why？ KeAcquireSpinLock可能是這樣實現的︰ //Disable thread preemption oldirql = KeRaiseIrql(DISPATCH_LEVEL) ； KeAcquireSpinLockAtDpcLevel() 所以在Dispatch level上沒有必要使用KeAcquireSpinLock

  22. 內核模式同步對象 • Windows NT提供了五種內核同步對象(Kernel Dispatcher Object)。事件（event），Semaphore(信號燈) ，Mutex(互斥) ，Timer(定時器) ，Thread(線程) • 可以用它們控制非任意線程(普通線程)的流程 ，因為這些對象和spinlock不一樣，它們不是cpu特定的，而是線程特定的。 • 下面是這五個對象的簡要比較︰

  23. 內核模式同步對象 • 在任何時刻，任何上面的對象都處于兩種狀態中的一種︰信號態或非信號態。 • 當代碼營運在某個線程的上下文中時，它可以阻塞這個線程的執行，調用KeWaitForSingleObject或KeWaitForMultipleObjects函數可以使代碼(以及背景線程)在一個或多個同步對象上等待，等待它們進入信號態

  24. “當前”線程 • 如果在線程執行時發生了軟體或硬體中斷，那么在內核處理中斷期間，該線程仍然是“當前”線程 • 內核處理中斷開始執行時所在的上下文環境就是指這個“當前”線程的上下文 • 為了附應各種中斷，Windows NT線程調度可能會切換線程，這樣，另一個線程將成為新的“當前”線程 • 所以中斷程式中的這個上下文就是任意進程上下文（因為不確定是哪個線程的上下文）

  25. 線程阻塞的簡單規則︰ • 當我們處理某個請求時，僅能阻塞產生該請求的線程。 • 執行在高于或等于DISPATCH_LEVEL級上的代碼不能阻塞線程。

  26. 在單同步對象上等待 • KeWaitForSingleObject • ASSERT(KeGetCurrentIrql() <= DISPATCH_LEVEL); LARGE_INTEGER timeout; NTSTATUS status = KeWaitForSingleObject(object, WaitReason, WaitMode, Alertable, &timeout);

  27. 參數意義 • object指向要等待的對象，它應該指向一個上面表中列出的同步對象。該對象必須在非分頁內存中，例如，在設備擴展中或其它從非分頁內存池中分發的數據區 • WaitReason是一個純粹建議性的值，驅動程式應把該參數指定為Executive • WaitMode是MODE枚舉類型，該枚舉類型僅有兩個值︰KernelMode和UserMode。 • 驅動程式中Alertable參數指定為FALSE

  28. timeout • 最後一個參數&timeout是一個64位超時值的位址，單位為100納秒。正數的超時表示一個從1601年1月1日起的絕對時間。負數代表相對于當前時間的時間間隔。 • 指定0超時將使KeWaitForSingleObject函數立即返回，返回的狀態代碼指出對象是否處于信號態。如果代碼執行在DISPATCH_LEVEL級上，則必須指定0超時，因為在這個IRQL上不允許阻塞。 • 超時參數也可以指定為NULL指針，這代表無限期等待。

  29. 返回值 • STATUS_SUCCESS，結果是所希望的，表示等待被滿足。即你調用KeWaitForSingleObject時，對象或者已經進入信號態，或者后來進入信號態。 • STATUS_TIMEOUT指出在指定的超時期限內對象未進入信號態 。如果指定0超時，則函數將立即返回。返回代碼為STATUS_TIMEOUT，代表對象處于非信號態，返回代碼為STATUS_SUCCESS，代表對象處于信號態。 • 其它兩個返回值STATUS_ALERTED和STATUS_USER_APC表示等待提前終止，對象未進入信號態 ，上面的Alertable和WaitMode參數決定在驅動程式中不會有這兩個值。

  30. 在多同步對象上等待 • ASSERT(KeGetCurrentIrql() <= DISPATCH_LEVEL); • LARGE_INTEGER timeout; • NTSTATUS status = KeWaitForMultipleObjects(count, objects, WaitType, WaitReason, WaitMode, Alertable, &timeout, waitblocks);

  31. 參數 • objects指向一個指針數組，每個數組元素指向一個同步對象，count是數組中指針的個數 • WaitType是枚舉類型，其值可以為WaitAll或WaitAny，它指出你是等到所有對象都進入信號態，還是只要有一個對象進入信號態就可以。 • waitblocks參數指向一個KWAIT_BLOCK架構數組，內核用這個架構數組管理等待操作。不需要初始化這些架構，內核僅需要知道這個架構數組在那裡，內核用它來記錄每個對象在等待中的狀態。 • 其餘參數與KeWaitForSingleObject中的對應參數作用相同

  32. 返回值 • 如果指定了WaitAll，則返回值STATUS_SUCCESS表示等待的所有對象都進入了信號態。 • 如果指定了WaitAny，則返回值在數值上等于進入信號態的對象在objects數組中的索引。 • 如果碰巧有多個對象進入了信號態，則返回值僅代表其中的一個，可能是第一個也可能是其它。可以認為返回值等于STATUS_WAIT_0加上數組索引。 • 可以先用NT_SUCCESS測試返回碼，然後再從其中提取數組索引︰

  33. NTSTATUS status = KeWaitForMultipleObjects(...); if (NT_SUCCESS(status)) { ULONG iSignalled = (ULONG) status - (ULONG) STATUS_WAIT_0; ... }

  34. 內核事件(event) • 使用︰內核中經常使用，把一個特定的事件通知給一個等待中的線程。 • 下面列出了用于處理內核事件的服務函數。 • KeClearEvent 把事件設置為非信號態，不報告以前的狀態 • KeInitializeEvent 初始化事件對象KeReadStateEvent 取事件的當前狀態 • KeResetEvent 把事件設置為非信號態，返回以前的狀態 • KeSetEvent把事件設置為信號態，返回以前的狀態

  35. 使用 • 初始化一個事件對象︰KeInitializeEvent • ASSERT(KeGetCurrentIrql() == PASSIVE_LEVEL); • KeInitializeEvent(event, EventType, initialstate); • event是要初始化事件對象的位址。EventType是一個枚舉值，可以為NotificationEvent或SynchronizationEvent。 • initialstate是布爾量，為TRUE表示事件的初始狀態為信號態，為FALSE表示事件的初始狀態為非信號態。

  36. NotificationEvent和SynchronizationEvent • 通知事件(notification event)有這樣的特性，當它進入信號態后，它將一直處于信號態直到明確地把它重置為非信號態。此外，當通知事件進入信號態后，所有在該事件上等待的線程都被釋放。 • 同步事件(synchronization event)，只要有一個線程被釋放，該事件就被自動重置為非信號態。

  37. KeSetEvent • 調用KeSetEvent函數可以把事件置為信號態︰ • ASSERT(KeGetCurrentIrql() <= DISPATCH_LEVEL); • LONG wassignalled = KeSetEvent(event, boost, wait); • event參數指向一個事件對象，boost值用于提升等待線程的優先級。wait參數指定為FALSE。如果該事件已經處于信號態，則該函數返回非0值。如果該事件處于非信號態，則該函數返回0。

  38. 其他函數 • 調用KeReadStateEvent函數(在任何IRQL上)可以測試事件的當前狀態︰ • LONG signalled = KeReadStateEvent(event); • 返回值不為0代表事件處于信號態，為0代表事件處于非信號態。 • 調用KeResetEvent函數(在低于或等于DISPATCH_LEVEL級)可以把事件對象重置為非信號狀態並即獲得事件對象的當前狀態 • ASSERT(KeGetCurrentIrql() <= DISPATCH_LEVEL); • LONG signalled = KeResetEvent(event);

  39. 其他函數 • 如果對事件的上一個狀態不感興趣，可以調用KeClearEvent函數 • ASSERT(KeGetCurrentIrql() <= DISPATCH_LEVEL); • KeClearEvent(event); • KeClearEvent函數執行得更快，因為它不讀取事件的當前狀態而直接設置事件為非信號態。

  40. 內核信號燈 • 生產者消費者問題 • 內核信號燈是一個有同步語義的整數計數器 • 信號燈計數器為正值時代表信號態，為0時代表非信號態。計數器不能為負值。 • 釋放信號燈將使信號燈計數器增1，在一個信號燈上等待將使該信號燈計數器減1。如果計數器值被減為0，則信號燈進入非信號態，之后其它調用KeWaitXxx函數的線程將被阻塞。 • 注意如果等待線程的個數超過了計數器的值，那么並不是所有等待的線程都可以恢復營運。

  41. 服務函數 • KeInitializeSemaphore 初始化信號燈對象 • KeReadStateSemaphore 取信號燈當前狀態 • KeReleaseSemaphore 設置信號燈對象為信號態

  42. KeInitializeSemaphore • 信號燈對象應該在PASSIVE_LEVEL級上初始化︰ • ASSERT(KeGetCurrentIrql() == PASSIVE_LEVEL); • KeInitializeSemaphore(semaphore, count, limit); • semaphore參數指向一個在非分頁內存中的KSEMAPHORE對象。count是信號燈計數器的初始值，limit是計數器能達到的最大值，它必須為正數，且比count大

  43. KeReleaseSemaphore • 可以調用KeReleaseSemaphore函數釋放信號燈︰ • ASSERT(KeGetCurrentIrql() <= DISPATCH_LEVEL); • LONG wassignalled = KeReleaseSemaphore(semaphore, boost, delta, wait); • 該函數把delta值加到semaphore指向的信號燈計數器上，這將把信號燈帶入信號態，並使等待線程釋放 。返回值為0代表信號燈的前一個狀態是非信號態，非0代表信號燈的前一個狀態為信號態。

  44. boost和wait參數與在KeSetEvent函數中的作用相同 • KeReleaseSemaphore不允許把計數器的值增加到超過limit指定的值。如果這樣做，該函數根本就不調整計數器的值，它將產生一個代碼為STATUS_SEMAPHORE_LIMIT_EXCEEDED的異常。除非系統中存在捕獲該異常的處理程式，否則將導致一個bug check。

  45. KeReadStateSemaphore • 讀取信號燈的狀態 • ASSERT(KeGetCurrentIrql() <= DISPATCH_LEVEL); • LONG signalled = KeReadStateSemaphore(semaphore); • 非0返回值表示信號燈處于信號態，0返回值代表信號燈為非信號態。不要把該返回值假定為計數器的當前值。

  46. 互斥對象Mutex • 互斥(mutex)就是互相排斥(mutual exclusion)的簡寫。 • 內核互斥對象為多個競爭線程串行化訪問共享資源提供了一種方法(不一定是最好的方法)。 • 如果互斥對象不被某線程所擁有，則它是信號態，反之則是非信號態。 • 內核互斥可以被遞歸獲取，即內核互斥的所有者可以調用KeWaitXxx並指定所擁有的互斥對象從而使等待立即被滿足。如果一個線程真的這樣做，它必須也要以同樣的次數釋放該互斥對象，否則該互斥對象不被認為是空閒的。

  47. Mutex • Mutex的功能可以透過其它方法實現 • 如果需要長時間串行化訪問一個對象，應該首先考慮使用互斥(而不是倚賴提升的IRQL和自旋鎖)。 • 利用互斥對象控制資源的訪問，可以使其它線程分佈到多處理器平台上的其它CPU中營運，還允許導致頁故障的代碼仍能鎖定資源而不被其它線程訪問。

  48. 互斥對象的服務函數 • KeInitializeMutex 初始化互斥對象KeReadStateMutex 取互斥對象的當前狀態KeReleaseMutex 設置互斥對象為信號態

  49. KeInitializeMutex • ASSERT(KeGetCurrentIrql() == PASSIVE_LEVEL); • KeInitializeMutex(mutex, level); • mutex是KMUTEX對象的位址，level參數最初是用于輔助避免多互斥對象帶來的死鎖。現下，內核忽略level參數。 • 互斥對象的初始狀態為信號態，即未被任何線程擁有。KeWaitXxx調用將使調用者接管互斥對象的控制並使其進入非信號態。

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