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

Помимо статических спин-блокировок с очередями, определяемых глобально, ядра Windows XP и Windows Server 2003 поддерживают динамически создаваемые спин-блокировки с очередями. Для их создания предназначены функции KeAcquireInStackQueuedSpinlock и KeReleaseInStackQueuedSpin-lock. Этот тип блокировок используется несколькими компонентами, в том числе диспетчером кэша, диспетчером пулов исполнительной системы (executive pool manager) и NTFS. Упомянутые функции документированы в DDK для сторонних разработчиков драйверов.

KeAcquireInStackQueuedSpinlock принимает указатель на структуру данных спин-блокировки и описатель очереди спин-блокировки. Этот описатель в действительности является структурой данных, в которой ядро хранит информацию о состоянии блокировки, в частности сведения о владельце блокировки и об очереди процессоров, ожидающих освобождения этой блокировки.

Ядро предоставляет ряд функций синхронизации, использующих спин-блокировки для более сложных операций, например для добавления и удаления элементов из одно- и двунаправленных связанных списков. K таким функциям, в частности, относятся ExfoterlockedPopEntryList и ExInterlockedPushEntryList (для однонаправленных связанных списков), ExInterlockedInsertHeadList и ExInter-lockedRemoveHeadList (ддя двунаправленных связанных списков). Все эти функции требуют передачи стандартной спин-блокировки в качестве параметра и интенсивно используются в ядре и драйверах устройств.

Компоненты исполнительной системы вне ядра также нуждаются в синхронизации доступа к глобальным структурам данных в многопроцессорной среде. Например, у диспетчера памяти есть только одна база данных блоков страниц. Обращение к ней осуществляется как к глобальной структуре данных, и драйверам устройств необходима гарантия получения монопольного доступа к своим устройствам. Вызывая функции ядра, исполнительная система может создать спин-блокировку, установить ее и снять.

Однако спин-блокировка лишь частично удовлетворяет потребности исполнительной системы в синхронизации. Поскольку спин-блокировка означает фактическую остановку процессора, она применяется только при двух условиях:

• требуется непродолжительное обращение к защищенным ресурсам без сложного взаимодействия с другим кодом;

• код критической секции нельзя выгрузить в страничный файл, он не ссылается на данные в подкачиваемой памяти, не вызывает внешние процедуры (включая системные сервисы) и не генерирует прерывания или исключения.

Эти противоречащие друг другу ограничения нельзя соблюсти одновременно ни при каких обстоятельствах. Более того, кроме взаимоисключения, исполнительная система должна выполнять и другие алгоритмы синхронизации, а также предоставлять механизмы синхронизации пользовательскому режиму.

Существует несколько дополнительных механизмов синхронизации, применяемых, когда спин-блокировки не годятся:

• объекты диспетчера ядра (kernel dispatcher objects);

• быстрые мьютексы (fast mutexes) и защищенные мьютексы (guarded mu-texes);

• блокировки с заталкиванием указателя (push locks);

• ресурсы исполнительной системы (executive resources).

B таблице 3–9 кратко сравниваются возможности этих механизмов и их взаимосвязь с доставкой APC режима ядра.

Ядро предоставляет исполнительной системе дополнительные механизмы синхронизации в форме объектов, в совокупности известных как объекты диспетчера ядра. Синхронизирующие объекты, видимые из пользовательского режима, берут свое начало именно от этих объектов диспетчера ядра. Каждый синхронизирующий объект, видимый из пользовательского режима, инкапсулирует минимум один объект диспетчера ядра. Семантика синхронизации исполнительной системы доступна программистам через Windows-функции WaitForSingleObject и WaitForMultipleObjects, реализуемые подсистемой Windows на основе аналогичных системных сервисов, предоставляемых диспетчером объектов. Поток в Windows-приложении можно синхронизировать по таким Windows-объектам, как процесс, поток, событие, семафор, мьютекс, ожидаемый таймер, порт завершения ввода-вывода или файл.

Еще один тип синхронизирующих объектов исполнительной системы назван (без особой на то причины) ресурсами исполнительной системы (executive resources). Эти ресурсы обеспечивают как монопольный доступ (по аналогии с мьютексами), так и разделяемый доступ для чтения (когда несколько потоков-«читателей» обращается к одной структуре только для чтения). Однако они доступны лишь коду режима ядра, а значит, недоступны через Windows API. Ресурсы исполнительной системы являются не объектами диспетчера ядра, а скорее структурами данных, память для которых выделяется прямо из неподкачиваемого пула, имеющего свои специализированные сервисы для инициализации, блокировки, освобождения, запроса и ожидания. Структура ресурсов исполнительной системы определена в Ntddk.h, а соответствующие процедуры описаны в DDK.

B остальных подразделах мы детально обсудим, как реализуется ожидание на объектах диспетчера ядра.

Поток синхронизируется с объектом диспетчера ядра, ожидая освобождения его описателя. При этом ядро приостанавливает поток и соответственно меняет состояние диспетчера, как показано на рис. 3-25. Ядро удаляет поток из очереди готовых к выполнению потоков и перестает учитывать его в планировании.

ПРИМЕЧАНИЕ Ha рис. 3-25 показана схема перехода состояний с выделением состояний «готов» (ready), «ожидает» (waiting) и «выполняется» (running) — они относятся к ожиданию на объектах. Прочие состояния описываются в главе 6.

B любой момент синхронизирующий объект находится в одном из двух состояний: свободном (signaled) или занятом (nonsignaled). Для синхронизации с объектом поток вызывает один из системных сервисов ожидания, предоставляемых диспетчером объектов, и передает описатель этого объекта. Поток может ожидать на одном или нескольких объектах, а также указать, что ожидание следует прекратить, если объект (или объекты) не освободился в течение определенного времени. Всякий раз, когда ядро переводит объект в свободное состояние, функция KiWaitTest ядра проверяет, ждут ли этот объект какие-нибудь потоки и не ждут ли они каких-либо других объектов. Если да, ядро выводит один или более потоков из состояния ожидания, после чего их выполнение может быть продолжено.

Взаимосвязь синхронизации с диспетчеризацией потоков иллюстрирует следующий пример с использованием объекта «событие».

• Поток пользовательского режима ждет на описателе объекта «событие» (т. е. ждет перехода этого объекта в свободное состояние).

• Ядро изменяет состояние потока с «готов» на «ожидает» и добавляет его в список потоков, ждущих объект «событие».

• Другой поток устанавливает объект «событие».

• Ядро просматривает список потоков, ожидающих этот объект. Если условия ожидания какого-либо потока выполнены (см. примечание ниже), ядро переводит его из состояния «ожидает» в состояние «готов». Если это поток с динамическим приоритетом, ядро может повысить его приоритет для выполнения.

• Поскольку новый поток теперь готов к выполнению, происходит перераспределение процессорного времени. Если при этом диспетчер обнаружит, что приоритет выполняемого потока ниже, чем приоритет потока, только что перешедшего в состояние «готов», он вытеснит поток с более низким приоритетом и выдаст программное прерывание для инициации переключения контекста на поток с более высоким приоритетом.

• Если в данный момент вытеснение невозможно ни на одном из процессоров, диспетчер включает поток в свою очередь потоков, готовых к выполнению.

ПРИМЕЧАНИЕ Некоторые потоки могут ждать более одного объекта, и в таком случае их ожидание продолжается.

Эти условия различны для разных объектов. Например, объект «поток» находится в занятом состоянии в течение всего срока своей жизни и переводится ядром в свободное состояние лишь при завершении. Аналогичным образом, ядро переводит объект «процесс» в свободное состояние в момент завершения последнего потока процесса. Ho такой объект, как таймер, переводится в свободное состояние по истечении заданного времени.

Выбирая механизм синхронизации, вы должны учитывать в своей программе поведение синхронизирующих объектов. B таблице 3-10 показано, когда переходят в свободное состояние синхронизирующие объекты различных типов.