发布时间：2013-8-20 17:06
分类名称：Driver
From：http://blog.csdn.net/zacklin/article/details/7445304， http://blog.csdn.net/zacklin/article/details/7445314
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
{
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)
3 KeAcquireSpinLockAtDpcLevel的实现机制
MSDN上说明调用KeAcquireSpinLockAtDpcLevel的程序必须运行在DISPATCH_LEVEL上。
在多核处理器（Windows2003）下
先来查看一下KeAcquireSpinLockAtDpcLevel的汇编代码
nt!KeAcquireSpinLockAtDpcLevel:
mov ecx,dword ptr [esp+4]
nt!KeAcquireSpinLockAtDpcLevel+0x4
lock bts dword ptr[ecx],0
jb nt!KeAcquireSpinLockAtDpcLevel+0xe
ret 4
nt!KeAcquireSpinLockAtDpcLevel+0xe：
test dwordptr [ecx],1
je nt!KeAcquireSpinLockAtDpcLevel+0x4
pause
jmp nt!KeAcquireSpinLockAtDpcLevel+0xe
将KeAcquireSpinLockAtDpcLevel翻译成伪代码：
KeAcquireSpinLockAtDpcLevel (SpinLock){
while(TRUE) {
//独占处理器和相关存储空间执行下面代码
lastbit=SpinLock.lastbit;
SpinLock.lastbit=1;
//释放独占
{
while(SpinLock.lastbit ==1) ;
}
elsebreak;
}
}
对比一下KfAcquireSpinLock，KeAcquireSpinLockAtDpcLevel除了不提升IRQL到DISPATCH_LEVEL，其他都是一样的，KeAcquireSpinLockAtDpcLevel的运行环境已经在DISPATCH_LEVEL上了，确实也不要提升。
KefReleaseSpinLockFromDpcLevel的实现
nt!KefReleaseSpinLockFromDpcLevel:
lock and byte ptr [ecx],0
ret
KefReleaseSpinLockFromDpcLevel就是简单实用lock指令把Spinlock的值置成0释放。
在单核处理器（WindowsXP）下
在单核处理器下KfAcquireSpinLock所作的工作就是简单提升一下IRQL到DISPATCH_LEVEL，那么KeAcquireSpinLockAtDpcLevel已经在DISPATCH_LEVEL，还需要做什么工作呢？是不是什么工作都不需要做了？
实际上观察KeAcquireSpinLockAtDpcLevel在单核处理器下的实现，发现确实什么也没做，直接返回了。
KefReleaseSpinLockFromDpcLevel也是一样,直接返回了。
分析：
关于KeAcquireSpinLockAtDpcLevel在MSDN上有这样一段文字：
当IRQL=DISPATCH_LEVEL时，驱动调用KeAcquireSpinLockAtDpcLevel比调用KeAcquireSpinLock有更好的性能。当IRQL<DISPATCH_LEVEL时,驱动必须调用KeAcquireSpinLock。
其实观察具体实现，KeAcquireSpinLockAtDpcLevel"更好的性能"体现在多核状态下少运行了两条MOV指令，单核状态下少运行了三条MOV指令和一条SHR指令，不得不感叹下Windows的惜指令如金。