Windows 自旋锁分析(一)

来源：互联网发布：学软件开发去哪里编辑：程序博客网时间：2024/06/08 14:55

自旋锁是一种在内核定义，只能在内核态下使用的同步机制。自旋锁用来保护共享数据或者资源，使得并发执行的程序或者在高优先级IRQL的对称多处理器的程序能够正确访问这些数据。分析Windows自旋锁，首先需要介绍Windows的IRQL。

1 Interrupt Request Level(IRQL)介绍

IRQL是Interrupt RequestLevel，中断请求级别。一个由windows虚拟出来的概念，划分在windows下中断的优先级，这里中断包括了硬中断和软中断，硬中断是由硬件产生，而软中断则是完全虚拟出来的。处理器在一个IRQL上执行线程代码。IRQL是帮助决定线程如何被中断的。在同一处理器上，线程只能被更高级别IRQL的线程能中断。每个处理器都有自己的中断。IRQL在Windows下IRQL有如下值：

名称               级别              解释
             Software IRQL
PASSIVE_LEVEL      0                 Passive release level
LOW_LEVEL          0                 Lowest interrupt level
APC_LEVEL           1                 APC interrupt level
DISPATCH_LEVEL     2                 Dispatcher level
             Hardware IRQL
             from 3 to 26 for device ISR
PROFILE_LEVEL     27                 timer used for profiling
CLOCK1_LEVEL      28                  Intervalclock 1 level - Not used on x86
CLOCK2_LEVEL      28                 Interval clock 2 level
SYNCH_LEVEL       28                  synchronizationlevel
IPI_LEVEL         29                 Interprocessor interrupt level
POWER_LEVEL       30                  Powerfailure level
HIGH_LEVEL        31                 Highest interrupt level

Windows的自旋锁有一系列函数组成，实现在不同场景下的自旋锁机制。

本系列文章主要涉及的体系结构是X86（32位）体系结构。如不特殊注明，都是在X86（32位）体系结构下。

下面分析KeAcquireSpinLock 的实现机制

2 KeAcquireSpinLock 的实现机制

KeAcquireSpinLock 在单核处理器和多核处理器上的实现是不一样的。

在单核处理器（WindowsXP）下
hal!KfAcquireSpinLock:
   mov    edx,dword ptr ds:[0FFFE0080h]
    movdword ptr ds:[0FFFE0080h],41h
    shr    edx,4
    movzx  eax,byte ptr hal!HalpVectorToIRQL [edx]
    ret
观察KeGetCurrentIrql的实现
hal!KeGetCurrentIrql:
    mov    eax,dword ptr ds:[FFFE0080h]
    shr    eax,4
    movzx  eax,byte ptr hal!HalpVectorToIRQL [eax]
    ret
有充足的理由说明ds:[FFFE0080h]地址处存放的是IRQL相关的数据。
KfAcquireSpinLock就是改变当前的IRQL，KfAcquireSpinLock将IRQL改到一个什么值了呢？
db hal!HalpVectorToIRQL：
00 ff ff 01 02ff 05 06 07 08 09 0a 1b 1c 1d 1e
00 00 00 00 0000 00 00 2a 00 00 00 c4 00 00 00
如果先调用KfAcquireSpinLock那么ds:[0FFFE0080h]的值是0x41,再调用KeGetCurrentIrql，由以上表得到返回值是(BYTE*)HalpVectorToIRQL[4]是2。单核处理器下，KfAcquireSpinLock的工作就是将IRQL升为DISPATCH_LEVEL。KfReleaseSpinLock就是将IRQL还原为原来的值了。

在多核处理器（Windows2003）下

KeAcquireSpinLock 通过调用KfAcquireSpinLock来实现功能
hal!KfAcquireSpinLock:
   mov    eax,dword ptr fs:[00000024h]
   mov    byte ptr fs:[24h],2
   jmp    hal!KeAcquireSpinLockRaiseToSynch+0xe
hal!KeAcquireSpinLockRaiseToSynch:
   mov    eax,dword ptr fs:[00000024h]
   mov    byte ptr fs:[24h],1Bh
hal!KeAcquireSpinLockRaiseToSynch+0xe
   lock bts dword ptr[ecx],0
  jb     hal!KeAcquireSpinLockRaiseToSynch+0x16
   ret
hal!KeAcquireSpinLockRaiseToSynch+0x16
  test    dwordptr [ecx],1
  je     hal!KeAcquireSpinLockRaiseToSynch+0xe
   pause
  jmp    hal!KeAcquireSpinLockRaiseToSynch+0x16
KfAcquireSpinLock是不会执行到KeAcquireSpinLockRaiseToSynch的头两行代码的。

fs:[00000024h] 保存的是当前线程的IRQL，可以通过函数来证实。
hal!KeGetCurrentIrql：
   mov    al,byte ptr fs:[00000024h]
    ret
将KfAcquireSpinLock翻译成伪代码：
KfAcquireSpinLock(SpinLock){
   KeRaiseIrql(DISPATCH_LEVEL,OldIrql);
   While(TRUE){
    //独占处理器和相关存储空间执行下面代码

     //由Lock指令实现
    lastbit=SpinLock.lastbit;
    SpinLock.lastbit=1;
    //释放独占
    if(lastbit ==1){
       while(SpinLock.lastbit ==1) ;
     }
   else break;
   }
   ReturnOldIrql;
}
对KfAcquireSpinLock的解释就比较容易了，首先提升IRQL到DISPATCH_LEVEL，然后一直等到SpinLock被别人释放，设置SpinLock的值为占有然后退出。

在Windows2003多核处理器下KeReleaseSpinLock通过调用KfReleaseSpinLock来实现功能
hal!KfReleaseSpinLock:
    lock andbyte ptr [ecx],0
   mov    cl,dl
   call   hal!KfLowerIrql
    ret
释放SpinLock，将IRQL还原。

分析：

显而易见，在单核环境里实现DISPATCH_LEVEL及其以下IRQL的同步，将当前线程升级到DISPATCH_LEVEL足够了。但是在多核环境下，每一个核都有自己的IRQL，提升IRQL来实现同步是不行的，在多核的情况下，Windows系统引入了lock指令来实现同步。

现在DDK(3790)中是这么定义的

#if defined(_X86_)

#define KeAcquireSpinLock(a,b) *(b) =KfAcquireSpinLock(a)
#define KeReleaseSpinLock(a,b) KfReleaseSpinLock(a,b)

#else

//
// These functions are imported for IA64, ntddk, ntifs, nthal,ntosp, and wdm.
// They can be inlined for the system on AMD64.
//

#define KeAcquireSpinLock(SpinLock, OldIrql) \
*(OldIrql) =KeAcquireSpinLockRaiseToDpc(SpinLock)

0 0