25、Windows驱动程序的同步处理(1)

驱动程序的同步处理

可重入，是指函数的执行结果不和执行顺序有关。同步机制很大程度上依赖于中断请求级。

图 PIC中断向量 P220

APIC 高级PIC(Programmable interrupt controller)，共24个中断。

1、中断请求级

1）基本概念

Windows 把中断请求级IRQL分成了32个，0～2级别为软件中断，3～31级为硬件中断。0～31优先级别逐步递增。硬件中断请求级别称为设备中断请求级 DIRQL。Windows大部分时间运行在软件中断请求级中。当设备中断来临时，操作系统提升IRQL到DIRQL，并运行中断处理函数。当中断处理函数结束后，操作系统把IRQL降到原来的级别。

图 IRQL P222

用户模式的代码是运行在最低优先级的passive_level；驱动程序的DriveEntry函数，派遣函数，AddDevice等函数一般都运行在PASSIVE_LEVEL级别，在必要时申请进入DISPATCH_LEVEL级别。

Windows 负责线程调度的组件运行在DISPATCH_LEVEL级别。当前线程运行完毕后，系统自动从PASSIVE_LEVEL提升到 DISPATCH_LEVEL级别，当切换完毕后，操作系统又从DISPATCH_LEVEL降回到PASSIVE_LEVEL级别。

驱动程序的StartIO函数和DPC(deferred procedure call)函数，中断服务例程也运行在DISPATCH_LEVEL级别。

线程运行在PASSIVE_LEVEL级别。如果提升到DISPATCH_LEVEL级别，则不会发生线程的切换，这是一种很常见的同步处理机制。

页故障允许在PASSIVE_LEVEL级别（出现页故障时，调用缺页机制，进行物理内存和磁盘文件进行切换），如果在DISPATCH_LEVEL或更高级别，则系统崩溃。对于DISPATCH_LEVEL或更高级别程序必须使用非分页内存。

2）控制IRQL提升与降低

主要用几个函数：

KeGetCurrentIrql

KeRaiseIrql

KeLowerIrql

示例程序 P224

2、自旋锁

同步处理机制。不同于线程中的等待事件；操作系统会把等待某一个事件的线程处于休眠状态，CPU运行其它线程；而自旋锁不会切换到其它线程，而是让这个线程一直自旋等待。所谓自旋，就是一直不停的询问：是否可以获取自旋锁。

在单CPU中，获取自旋锁仅仅是将当前的IRQL从PASSIVE_LEVEL级别升到DISPATCH_LEVEL级别，多CPU中要复杂一点。驱动程序必须在不大于DISPATCH_LEVEL级别中使用自旋锁。

自旋锁一般作用是为各派遣函数实现间同步。尽量不要把自旋锁放在全局变量中，而应当把自旋锁放在设备扩展里。

示例 参见http://www.cnblogs.com/mydomain/archive/2010/10/18/1855118.html

KeAcquireSpinLock

KeInitializeSpinLock

KeAcquireSpinLockAtDpcLevel

3、用户模式下的同步对象

同步对象包括事件，互斥体，信号灯等。用户模式下的同步对象是对内核模式下的同步对象的再封装。

1）等待

WaitForSingleObject

WaitForMultipleObjects

2）开启多线程

CreateThread

[1]中推荐_beginthread

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/kdzttdcb%28VS.80%29.aspx

3）事件

典型的同步对象。

CreateEvent

所有形如CreateXXX的Win32 API，如果第一个参数是lpEventAttributes，则这种API内部都会创建一个相应的内核对象；这种API返回一个句柄（32位无符号整数），OS通过这个句柄找到具体的内核对象。

#include "windows.h"
#include "process.h"
#include "stddef.h"
#include "conio.h"

UNIT WINAPI Thread1(LPVOID para)
{
	printf("Enter Thread\n");
	HANDLE *phEvent = (HANDLE*)para;
	SetEvent(*phEvent);
	printf("Leave Thread1\n");
	return 0;
}

int main()
{
	HANDLE hEvent = CreateEvent(NULL, 0, FALSE, NULL);
	HANDLE hThread1 = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, Thread1, &hEvent, 0, NULL);
	WaitForSingleObject(hEvent, INFINITE);
	return 0;
}

示例代码 P228

4）信号灯

常见的同步对象。

一般同步对象有两种状态：激发状态和未激发状态。

信号灯有个计数器，代表N个灯，只要有一个灯亮着，就说明处于激发状态。

HANDLE CreateSemaphore(

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, // SD

LONG lInitialCount, // initial count

LONG lMaximumCount, // maximum count

LPCTSTR lpName // object name

);

lInitialCount ，如果初始值大于0，则处理激发状态。

ReleaseSemaphore

对信号灯执行一次等待操作，减少一个读数，相当于熄灭一个灯泡。

代码

1 #include " windows.h "
2 #include " process.h "
3 #include " stdio.h "
4
5 UINT WINAPI Thread1(LPVOID para)
6 {
7 printf( " Enter Thread1\n " );
8 HANDLE * hSemaphore = (HANDLE * )para;
9 Sleep( 5000 );
10 printf( " Leave Thread1\n " );
11 ReleaseSemaphore( * hSemaphore, 1 , NULL);
12 return 0 ;
13 }
14   int main()
15 {
16 HANDLE hSemaphore = CreateSemaphore(NULL, 2 , 2 , NULL);
17 WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE);
18 WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE);
19 HANDLE hThread1 = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0 , Thread1, & hSemaphore, 0 , NULL);
20 WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE);
21 }

示例代码 P229

5）互斥体

用互斥体来避免多个线程使用一个资源。互斥体类似于同步事件；不同的是同一个线程可以递归获得互斥体，而同步事件不能。

如果线程获得互斥体时，互斥体此时的状态是未激发（nonsignaled），而释放互斥体时，互斥体的状态为激发态。

激发有点拗口，就是signaled，也就是接到了信号了。激发与未激发，都是相对于其它线程而言的。

CreateMutex

代码

1 #include " windows.h "
2 #include " process.h "
3 #include " stdio.h "
4
5 UINT WINAPI Thread1(LPVOID para)
6 {
7 HANDLE * phMutex = (HANDLE * )para;
8 WaitForSingleObject(phMutex, INFINITE);
9 WaitForSingleObject(phMutex, INFINITE); // 对于同一个线程，可以获得多次
10  
11 printf( " Enter Thread1\n " );
12 Sleep( 5000 );
13 printf( " Leave Thread1\n " );
14 ReleaseMutex( * phMutex);
15 return 0 ;
16 }
17
18 UINT WINAPI Thread2(LPVOID para)
19 {
20 HANDLE * phMutex = (HANDLE * )para;
21 WaitForSingleObject(phMutex, INFINITE);
22 WaitForSingleObject(phMutex, INFINITE); // 对于同一个线程，可以获得多次
23  
24 printf( " Enter Thread2\n " );
25 Sleep( 5000 );
26 printf( " Leave Thread2\n " );
27 ReleaseMutex( * phMutex);
28 return 0 ;
29 }
30
31 int main()
32 {
33 HANDLE hMutex = CreateMutex(NULL, NULL, NULL);
34 WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE);
35 WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE);
36 HANDLE hThread1 = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0 , Thread1, & hMutex, 0 , NULL);
37 HANDLE hThread2 = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0 , Thread2, & hMutex, 0 , NULL);
38 Sleep( 5000 );
39 return 0 ;
40 }

示例代码 P230

6）等待线程完成

线程对象。每个对象同样有两种状态：运行之中时为未激发，当终止时为激发状态。

代码

1 #include " windows.h "
2 #include " process.h "
3 #include " stdio.h "
4
5 UINT WINAPI Thread(LPVOID para)
6 {
7 printf( " Enter Thread2\n " );
8 Sleep( 5000 );
9 return 0 ;
10 }
11
12 int main()
13 {
14 HANDLE hThread[ 2 ];
15 WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE);
16 WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE);
17 hThread[ 0 ] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0 , Thread, & hMutex, 0 , NULL);
18 hThread[ 1 ] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0 , Thread, & hMutex, 0 , NULL);
19 WaitForMultipleObjects( 2 , hThread, TRUE, INFINITE);
20 return 0 ;
21 }

示例代码 P232