Windows核心编程笔记（八）用户模式下的线程同步 SRWLock剖析

在VISTA及之后的系统中，引入了 SRWLock 用户用户模式的线程同步，MSDN中是这样描述的。

SRWLock  轻量级的读写锁，它与临界区对象的不同在于，它分为两个模式来访问共享资源。并假设有两种类型的线程同时工作，一种用在读取共享资源，通常又称为消费线程，另一种用来对共享的资源进程写入操作，通常又称为生产线程。

共享模式下每个读取线程可以读取共享的数据，不受任何限制，它们可以同时读取共享数据。

独占模式下只运行一个写入线程访问共享数据，其他读/写线程都会被堵塞。 直到该线程释放了读写锁。

在多线程的情况下，生产线程和消费线程是无序的，SRWLock是一个指针，它的优势在于可以快速的更新锁的状态，劣势在这个指针可以存放有限的信息，因此SRWLock不能够递归获取，此外一个线程处于共享模式的时候，不能讲自身升级为独占模式。

初始化读写锁很简单

VOID WINAPI InitializeSRWLock(  PSRWLOCK SRWLock);

在Winbase.h文件中

typedef RTL_SRWLOCK SRWLOCK, *PSRWLOCK;

typedef struct _RTL_SRWLOCK {  PVOID Ptr;} RTL_SRWLOCK, *PRTL_SRWLOCK;

可见读写锁确实只是一个指针变量。

使用读写锁：

在消费线程中

AcquireSRWLockShared

*******读取操作

ReleaseSRWLockShared

在生产线程中

AcquireSRWLockExclusive

*******写操作

ReleaseSRWLockExclusive

这个读写锁和关键段一样方便使用，作者经过测试发现读写锁的性能较关键有很大的提升，这是因为读写锁是基于原子访问的，关键段是基于事件内核对象的，从用户模式到内核模式的切换占用了大量的时钟周期。

剖析SRWLock,以React OS下对读写锁的实现代码来看其工作原理。

在实现中SRWLock 的这个指针变量是这样来标识信息的

该指针的低4位被用于4个不同的标志，它们有其对应的宏定义

#define RTL_SRWLOCK_OWNED_BIT   0#define RTL_SRWLOCK_CONTENDED_BIT   1#define RTL_SRWLOCK_SHARED_BIT  2#define RTL_SRWLOCK_CONTENTION_LOCK_BIT 3#define RTL_SRWLOCK_OWNED   (1 << RTL_SRWLOCK_OWNED_BIT)                                     //0位为1 表示有线程正在读/写共享资源#define RTL_SRWLOCK_CONTENDED   (1 << RTL_SRWLOCK_CONTENDED_BIT)                             //1位为1  表示一个或者多个生产线程在等待独占资源

#define RTL_SRWLOCK_SHARED  (1 << RTL_SRWLOCK_SHARED_BIT)                                    //2位为1  表示一个或者多个消费线程在等待读取资源#define RTL_SRWLOCK_CONTENTION_LOCK (1 << RTL_SRWLOCK_CONTENTION_LOCK_BIT)                   //3位为1   标识有一个线程在获取WAITBLOCK结构指针#define RTL_SRWLOCK_MASK    (RTL_SRWLOCK_OWNED | RTL_SRWLOCK_CONTENDED | \                             RTL_SRWLOCK_SHARED | RTL_SRWLOCK_CONTENTION_LOCK)#define RTL_SRWLOCK_BITS    4

SRWLock 的高28位是一个指针，为什么只有28位呢，是因为它要指向对象的对齐方式是16，即地址的最低4位都是0，比如都是这样的0x00124710,0x00124720,0x00124850,   当需要获取指针所指向的对象时，只要将低4位全部置0，就可以得到对象的地址。

SRWLock 在同时有一个以上线程读写资源的时候，它指向一个结构体链表。

在有其他线程在读/资源的时候，一个线程调用AcquireSRWLockExclusive或者AcquireSRWLockShared  时会将一个在栈上构建的结构体挂入SRWLock 所指向的链表，这样每个将要读/写资源的线程都会在栈上构建这么一个结构体，并将结构体挂入链表中。

该结构体是这样定义的

typedef struct _RTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK{    LONG SharedCount; //有多少线程 在等待读取    volatile struct _RTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK *Last;        volatile struct _RTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK *Next;   //链表节指针    union    {        LONG Wake;                                   //非0表示可以被唤醒，0表示继续睡眠        struct        {            PRTLP_SRWLOCK_SHARED_WAKE SharedWakeChain;   //需要被唤醒的消费线程链表            PRTLP_SRWLOCK_SHARED_WAKE LastSharedWake;    //上一个被唤醒的消费线程        };    };    BOOLEAN Exclusive;                         //1表示该结构体对象由生产线程构建在栈上，0表示结构体由消费线程构建在栈上} volatile RTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK, *PRTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK;

下面是单向链表结构 ，代表每个需要被唤醒的消费线程

typedef struct _RTLP_SRWLOCK_SHARED_WAKE{    LONG Wake;   //唤醒标志，非0唤醒，0睡眠    volatile struct _RTLP_SRWLOCK_SHARED_WAKE *Next;} volatile RTLP_SRWLOCK_SHARED_WAKE, *PRTLP_SRWLOCK_SHARED_WAKE;

初始化读写锁，只是简单的将指针置为0

NTAPIRtlInitializeSRWLock(OUT PRTL_SRWLOCK SRWLock){    SRWLock->Ptr = NULL;}

AcquireSRWLockExclusive

它对应的函数是RtlAcquireSRWLockExclusive(IN OUT PRTL_SRWLOCK SRWLock)， 由于这个函数的代码比较长，这里先贴出大体结构，然后分部分注释。

NTAPIRtlAcquireSRWLockExclusive(IN OUT PRTL_SRWLOCK SRWLock){    __ALIGNED(16) RTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK StackWaitBlock;    //构建于栈上的 对齐为16字节的 等待块    PRTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK First, Last;    if (InterlockedBitTestAndSetPointer(&SRWLock->Ptr,                                        RTL_SRWLOCK_OWNED_BIT))   //如果有其他线程在访问资源，进入循环，该原子访问函数返回之前的位值    {        LONG_PTR CurrentValue, NewValue;        while (1)        {            CurrentValue = *(volatile LONG_PTR *)&SRWLock->Ptr;            if (CurrentValue & RTL_SRWLOCK_SHARED)            {                    if (CurrentValue & RTL_SRWLOCK_CONTENDED)                {                    goto AddWaitBlock;                }                    else                {                }               //Part1, 如果有线程在读取资源，且没有其他生产线程在独占资源            }            else            {                if (CurrentValue & RTL_SRWLOCK_OWNED)                {                    if (CurrentValue & RTL_SRWLOCK_CONTENDED)                    {AddWaitBlock:                                 //Part2,如果有其他线程在等待独占资源                                        }                    else                    {//Part3,如果有线程独占资源，且没有其他线程在等待资源                    }                }                else                {                    if (!InterlockedBitTestAndSetPointer(&SRWLock->Ptr,                                                         RTL_SRWLOCK_OWNED_BIT))                    {                        break;                    }                }            }            YieldProcessor();     执行空指令        }    }}

最后一个函数  只是执行一个NOP指令，只是用来做延时而已，

    #define YieldProcessor() __asm__ __volatile__("nop");

Part1

                if (CurrentValue & RTL_SRWLOCK_CONTENDED)                {                    goto AddWaitBlock;                }                else                {                    StackWaitBlock.Exclusive = TRUE;                               //标识结构体位于生产线程的栈上                    StackWaitBlock.SharedCount = (LONG)(CurrentValue >> RTL_SRWLOCK_BITS);  //目前的高28位标识多少个线程在等待读取                    StackWaitBlock.Next = NULL;                    StackWaitBlock.Last = &StackWaitBlock;                    StackWaitBlock.Wake = 0;             //初始化这个栈上的结构体                    NewValue = (ULONG_PTR)&StackWaitBlock | RTL_SRWLOCK_SHARED | RTL_SRWLOCK_CONTENDED | RTL_SRWLOCK_OWNED;//设置新指针为该栈上结构地址并设置标志位                    if ((LONG_PTR)InterlockedCompareExchangePointer(&SRWLock->Ptr,                                                                    (PVOID)NewValue,                                                                    (PVOID)CurrentValue) == CurrentValue) 更换指针为新的值                    {                        RtlpAcquireSRWLockExclusiveWait(SRWLock,                                                        &StackWaitBlock);    进入生产线程的等待函数                        break;                    }                

看下这个生产线程的等待函数

NTAPIRtlpAcquireSRWLockExclusiveWait(IN OUT PRTL_SRWLOCK SRWLock,                                IN PRTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK WaitBlock){    LONG_PTR CurrentValue;    while (1)    {        CurrentValue = *(volatile LONG_PTR *)&SRWLock->Ptr;        if (!(CurrentValue & RTL_SRWLOCK_SHARED))        {            if (CurrentValue & RTL_SRWLOCK_CONTENDED)            {                if (WaitBlock->Wake != 0)                {                    break;                }            }            else            {                break;            }        }        YieldProcessor();                         //只有在没有线程在读取，没有其他生产线程在独占，或者独占的线程将该线程的WAKE标志设为非0，时退出死循环    }}

该函数保证了没个生产线程以独占的模式运行，其他生产线程只能在这里死循环，只要被唤醒，或者独占标志位被清除。

Part2:

AddWaitBlock:                        StackWaitBlock.Exclusive = TRUE;                        StackWaitBlock.SharedCount = 0;                        StackWaitBlock.Next = NULL;                        StackWaitBlock.Last = &StackWaitBlock;                        StackWaitBlock.Wake = 0;                             初始化结构体                        First = RtlpAcquireWaitBlockLock(SRWLock);           根据28位的指针去掉标志位，获取指向的链表表头，                        if (First != NULL)                        {                            Last = First->Last;                            Last->Next = &StackWaitBlock;                            First->Last = &StackWaitBlock;           //将该线程栈上的结构体挂入链表的最后面，将表头的Last指向最后这个挂入的                            RtlpReleaseWaitBlockLock(SRWLock);                            RtlpAcquireSRWLockExclusiveWait(SRWLock,                                                            &StackWaitBlock);  //进入等待循环                            break;                        }

RtlpAcquireWaitBlockLock  揭示了 如何通过28位的指针工作

NTAPIRtlpAcquireWaitBlockLock(IN OUT PRTL_SRWLOCK SRWLock){    LONG_PTR PrevValue;    PRTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK WaitBlock;    while (1)    {        PrevValue = InterlockedOrPointer(&SRWLock->Ptr,                                         RTL_SRWLOCK_CONTENTION_LOCK); //低位 第3位如果是1表示，有其他线程在调用该函数根据指针获取链表头这里保证了 只有一个线程可以访问链表，其他需要访问的要等待        if (!(PrevValue & RTL_SRWLOCK_CONTENTION_LOCK))            break;        YieldProcessor();    }    if (!(PrevValue & RTL_SRWLOCK_CONTENDED) ||        (PrevValue & ~RTL_SRWLOCK_MASK) == 0)    {        RtlpReleaseWaitBlockLock(SRWLock);   //如果现在没有处于独占模式 或者 高28位 为0   ，错误 释放RTL_SRWLOCK_CONTENTION_LOCK标志位        return NULL;    }    WaitBlock = (PRTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK)(PrevValue & ~RTL_SRWLOCK_MASK);   将指针与0x11111110  与操作， 将低4位标志清除，构成实际地址    return WaitBlock;}

NTAPIRtlpReleaseWaitBlockLock(IN OUT PRTL_SRWLOCK SRWLock){    InterlockedAndPointer(&SRWLock->Ptr,                          ~RTL_SRWLOCK_CONTENTION_LOCK);     只是简单将该标志位设为0}

Part3:

                        StackWaitBlock.Exclusive = TRUE;                        StackWaitBlock.SharedCount = 0;                        StackWaitBlock.Next = NULL;                        StackWaitBlock.Last = &StackWaitBlock;                        StackWaitBlock.Wake = 0;  初始化结构体                        NewValue = (ULONG_PTR)&StackWaitBlock | RTL_SRWLOCK_OWNED | RTL_SRWLOCK_CONTENDED;   将结构体地址构成新的指针                        if ((LONG_PTR)InterlockedCompareExchangePointer(&SRWLock->Ptr,                                                                        (PVOID)NewValue,                                                                        (PVOID)CurrentValue) == CurrentValue)  替换原来的指针                        {                            RtlpAcquireSRWLockExclusiveWait(SRWLock,                                                            &StackWaitBlock);   进入等待                            break;                        }

第一部分 和第三不分 代码差不多的，唯一的区别就是 第一不分多设置了一个标志位 RTL_SRWLOCK_SHARED，它们都是初始化栈上的结构体 并将结构体的地址加上标志位，然后替换为指针的值。

AcquireSRWLockExclusive  总结：

1、当有线程还在读取时，但是没有被其它生产线程独占， 那么挂入栈等待块，设置标志 （读取  独占 拥有），进入等待，读取线程全部Release时 线程等待结束，以独占模式访问资源

2、有其他生产线程在等待独占时，将栈块挂入SRWLock指针所指向链表的末尾，进入等待，在前面所有已挂入的等待都Release时，线程才结束等待 以独占模式访问资源。

3、如果有线程在独占，但是没有其他在等待独占的，那么挂入栈等待块，设置标志 （独占 拥有），进入等待，读取线程全部Release时 线程等待结束，以独占模式访问资源

ReleaseSRWLockExclusive

NTAPIRtlReleaseSRWLockExclusive(IN OUT PRTL_SRWLOCK SRWLock){    LONG_PTR CurrentValue, NewValue;    PRTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK WaitBlock;    while (1)    {        CurrentValue = *(volatile LONG_PTR *)&SRWLock->Ptr;        if (!(CurrentValue & RTL_SRWLOCK_OWNED))   //此时如果不处于拥有状态，抛出异常        {            RtlRaiseStatus(STATUS_RESOURCE_NOT_OWNED);        }        if (!(CurrentValue & RTL_SRWLOCK_SHARED))  //必须不处于读取状态        {            if (CurrentValue & RTL_SRWLOCK_CONTENDED)             {                WaitBlock = RtlpAcquireWaitBlockLock(SRWLock);                        if (WaitBlock != NULL)                {                    RtlpReleaseWaitBlockLockExclusive(SRWLock,                                                      WaitBlock);           如果有等待独占的线程，调用该函数，将指针指向的链表头传给它                    break;                }            }            else            {                ASSERT(!(CurrentValue & ~RTL_SRWLOCK_OWNED));                NewValue = 0;                if ((LONG_PTR)InterlockedCompareExchangePointer(&SRWLock->Ptr,                                                                (PVOID)NewValue,                                                                (PVOID)CurrentValue) == CurrentValue)  //如果没有等待独占的，指针置为0                {                    break;                }            }        }        else        {            RtlRaiseStatus(STATUS_RESOURCE_NOT_OWNED);             如果处于读取状态 抛出异常        }        YieldProcessor();    }}

RtlpReleaseWaitBlockLockExclusive：

NTAPIRtlpReleaseWaitBlockLockExclusive(IN OUT PRTL_SRWLOCK SRWLock,                                  IN PRTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK FirstWaitBlock){    PRTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK Next;    LONG_PTR NewValue;    Next = FirstWaitBlock->Next;    if (Next != NULL)  如果还有其他在等待的线程    {        NewValue = (LONG_PTR)Next | RTL_SRWLOCK_OWNED | RTL_SRWLOCK_CONTENDED;        if (!FirstWaitBlock->Exclusive)        如果第一个等待的线程是读取线程        {            ASSERT(Next->Exclusive);            Next->SharedCount = FirstWaitBlock->SharedCount;  //复制读取线程计数            NewValue |= RTL_SRWLOCK_SHARED;        }        Next->Last = FirstWaitBlock->Last;    将Last指向链尾的对象    }    else     //如果只有一个在等待的线程    {        if (FirstWaitBlock->Exclusive)  //如果该线程是生产线程，简单设置一个拥有位            NewValue = RTL_SRWLOCK_OWNED;        else        {                           //如果该线程是消费线程，设置高位为线程计数，低位为标志 拥有  和  读取            ASSERT(FirstWaitBlock->SharedCount > 0);            NewValue = ((LONG_PTR)FirstWaitBlock->SharedCount << RTL_SRWLOCK_BITS) |                       RTL_SRWLOCK_SHARED | RTL_SRWLOCK_OWNED;        }    }    (void)InterlockedExchangePointer(&SRWLock->Ptr, (PVOID)NewValue);  设置新的指针    if (FirstWaitBlock->Exclusive)    {        (void)InterlockedOr(&FirstWaitBlock->Wake,     将第一个等待的线程唤醒，如果它是生产线程的话。                            TRUE);    }    else   //如果第一个等待唤醒的是一个消费线程的等待块，根据SharedWakeChain链表， 唤醒每一个等待的消费线程。    {        PRTLP_SRWLOCK_SHARED_WAKE WakeChain, NextWake;        WakeChain = FirstWaitBlock->SharedWakeChain;        do        {            NextWake = WakeChain->Next;            (void)InterlockedOr((PLONG)&WakeChain->Wake,                                TRUE);            WakeChain = NextWake;        } while (WakeChain != NULL);    }}