Марк Руссинович - 1.Внутреннее устройство Windows (гл. 1-4)

Так как планировщик синхронизирует доступ к своим структурам данных при IRQL уровня «DPC/dispatch», ядро и исполнительная система не могут полагаться на механизмы синхронизации, которые могли бы привести к ошибке страницы или к перераспределению процессорного времени при IRQL уровня «DPC/dispatch» или выше (эти уровни также известны под названием «высокий IRQL»). Из следующих разделов вы узнаете, как ядро и исполнительная система используют взаимоисключение для защиты своих глобальных структур данных при высоком IRQL и какие механизмы синхронизации и взаимоисключения они применяют при низких уровнях IRQL (ниже «DPC/dispatch»).

Ядро должно гарантировать, что в каждый момент только один процессор выполняет код в критической секции. Критическими секциями ядра являются разделы кода, модифицирующие глобальные структуры данных, например базу данных диспетчера ядра или его очередь DPC Операционная система не смогла бы корректно работать, если бы ядро не гарантировало взаимоисключающий доступ потоков к этим структурам данных.

B этом плане больше всего проблем с прерываниями. Так, в момент обновления ядром глобальной структуры данных может возникнуть прерывание, процедура обработки которого изменяет ту же структуру. B простых однопроцессорных системах развитие событий по такому сценарию исключается путем отключения всех прерываний на время доступа к глобальным данным, однако в ядре Windows реализовано более сложное решение. Перед использованием глобального ресурса ядро временно маскирует прерывания, обработчики которых используют тот же ресурс. Для этого ядро повышает IRQL процессора до самого высокого уровня, используемого любым потенциальным источником прерываний, который имеет доступ к глобальным данным. Например, прерывание на уровне «DPC/dispatch» приводит к запуску диспетчера ядра, использующего диспетчерскую базу данных. Следовательно, любая другая часть ядра, имеющая дело с этой базой данных, повышает IRQL до уровня «DPC/dispatch», маскируя прерывания того же уровня перед обращением к диспетчерской базе данных.

Эта стратегия хорошо работает в однопроцессорных системах, но не годится для многопроцессорных конфигураций. Повышение IRQL на одном из процессоров не исключает прерываний на другом процессоре, а ядро должно гарантировать взаимоисключающий доступ на всех процессорах.

Простейшая форма механизмов синхронизации опирается на аппаратную поддержку безопасных операций над целыми значениями и выполнения сравнений в многопроцессорной среде. Сюда относятся такие функции, как InterlockedIncrement, InterlockedDecrement, InterlockedExcbange и Interlocked-CompareExchange. Скажем, функция InterlockedDecrement, использует префикс х86-инструкции lock (например, lock xadd) для блокировки многопроцессорной шины на время операции вычитания, чтобы другой процессор, модифицирующий тот же участок памяти, не смог выполнить свою операцию в момент между чтением исходных данных и записью их нового (меньшего) значения. Эта форма базовой синхронизации используется ядром и драйверами.

Механизм, применяемый ядром для взаимоисключения в многопроцессорных системах, называется спин-блокировкой (spinlock). Спин-блокировка — это блокирующий примитив, сопоставленный с какой-либо глобальной структурой данных вроде очереди DPC (рис. 3-24).

Перед входом в любую из критических секций, показанных на рис. 3-24, ядро должно установить спин-блокировку, связанную с защищенной очередью DPC Если спин-блокировка пока занята, ядро продолжает попытки установить спин-блокировку до тех пор, пока не достигнет успеха. Термин получил такое название из-за поведения ядра (и соответственно процессора), которое «крутится» (spin) в цикле, повторяя попытки, пока не захватит блокировку.

Спин-блокировки, как и защищаемые ими структуры данных, находятся в глобальной памяти. Код для их установки и снятия написан на языке ассемблера для максимального быстродействия. Bo многих архитектурах спин-блокировка реализуется аппаратно поддерживаемой командой test-and-set, которая проверяет значение переменной блокировки и устанавливает блокировку, выполняя всего одну атомарную команду. Это предотвращает захват блокировки вторым потоком в промежуток между проверкой переменной и установкой блокировки первым потоком.

Всем спин-блокировкам режима ядра в Windows назначен IRQL, всегда соответствующий уровню «DPC/dispatch» или выше. Поэтому, когда поток пытается установить спин-блокировку, все действия на этом или более низком уровне IRQL на данном процессоре прекращаются. Поскольку диспетчеризация потоков осуществляется при уровне «DPC/dispatch», поток, удерживающий спин-блокировку, никогда не вытесняется, так какданный IRQL маскирует механизмы диспетчеризации. Такая маскировка не дает прервать выполнение критической секции кода под защитой спин-блокировки и обеспечивает быстрое ее снятие. Спин-блокировки используются в ядре с большой осторожностью и устанавливаются на минимально возможное время.

ПРИМЕЧАНИЕ Поскольку IRQL — достаточно эффективный механизм синхронизации для однопроцессорных систем, функции установки и снятия спин-блокировки в однопроцессорных версиях HAL на самом деле просто повышают и понижают IRQL.

Ядро предоставляет доступ к спин-блокировкам другим компонентам исполнительной системы через набор функций ядра, включающий KeAcqui-reSpinlock и KeReleaseSpinlock. Например, драйверы устройств требуют спин-блокировки, чтобы система гарантировала единовременный доступ к регистрам устройства и другим глобальным структурам данных со стороны лишь одной части драйвера (и только с одного процессора). Спин-блокировка не предназначена для пользовательских программ — они должны оперировать объектами, которые рассматриваются в следующем разделе.

Спин-блокировки ядра накладывают ограничения на использующий их код. Как уже отмечалось, их IRQL всегда равен «DPC/dispatch», поэтому установивший спин-блокировку код может привести к краху системы, если попытается заставить планировщик выполнить операцию диспетчеризации или вызовет ошибку страницы.

B некоторых ситуациях вместо стандартной спин-блокировки применяется особый тип спин-блокировки — с очередью (queued spinlock). Спин-блокировка с очередью лучше масштабируется в многопроцессорных системах, чем стандартная. Как правило, Windows использует лишь стандартные спин-блокировки, когда конкуренция за спин-блокировку ожидается низкой.

Спин-блокировка с очередью работает так: процессор, пытаясь установить такую спин-блокировку, которая в данный момент занята, ставит свой идентификатор в очередь, сопоставленную с этой спин-блокировкой. Освободив спин-блокировку, удерживавший ее процессор передает блокировку тому процессору, чей идентификатор стоит в очереди первым. Между тем процессор, ожидающий занятую спин-блокировку, проверяет статус не самой спин-блокировки, а флага того процессора, чей идентификатор располагается в очереди прямо перед идентификатором ждущего процессора.

Тот факт, что спин-блокировка с очередью устанавливает флаги, а не глобальные блокировки, имеет два следствия. Во-первых, уменьшается интенсивный трафик, связанный с межпроцессорной синхронизацией. Во-вторых, вместо случайного выбора процессора из группы ожидающих спин-блокировку реализуется четкий порядок спин-блокировки по типу FIFO («первым вошел, первым вышел»). Такой порядок позволяет достичь более согласованной работы процессоров, использующих одну и ту же блокировку.

Windows определяет ряд глобальных спин-блокировок с очередями, сохраняя указатели на них в массиве, который содержится в блоке PCR (processor control region) каждого процессора. Глобальную спин-блокировку можно получить вызовом KeAcquireQueuedSpinlock с индексом в массиве PCR, по которому сохранен указатель на эту спин-блокировку. Количество глобальных спин-блокировок растет по мере появления новых версий операционной системы, и таблица их индексов публикуется в заголовочном файле Ntddk.h, поставляемом с DDK.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр глобальных спин-блокировок с очередями

Вы можете наблюдать за состоянием глобальных спин-блокировок с очередями, используя команду !qlock отладчика ядра. Эта команда имеет смысл лишь в многопроцессорной системе, так как в однопроцессорной версии HAL спин-блокировки не реализованы. B следующем примере (подготовленном в Windows 2000) спин-блокировка с очередью для базы данных диспетчера ядра удерживается процессором номер 1, а остальные спин-блокировки этого типа не затребованы (о базе данных диспетчера ядра см. главу 6).