Windows内核的基本概念

 Windows内核的基本概念

1  处理器模式

Windows使用 0 和3 两种特权级。0 表示CPU处于内核模式(kernel mode)；3 表示用户模式(user mode)。

1.1  内存管理

Windows 将32位虚拟内存空间按照0~4 GB的线性地址空间看待。其中2~4GB是所有进程共享的，为系统地址空间。0~2GB 为进程地址空间。

在系统地址空间中，典型的三种内存页面管理算法：

1. 非换页内存池。这部分内存区域在初始化时已经被映射到物理页面，所以Windows利用空闲链表的做法，按照不同的粒度(1、2、3、>=4 个页面的大小)，将空闲页面链接起来，空闲页面本身即链表的结点，申请和释放页面的操作实际上是针对空闲链表来进行的。

1. 换业内存池。在换页内存池区域，空闲的页面并没有被映射好物理页面，Windows使用位图来管理页面的分配。分配连续的多个页面，即从位图中找到连续的零位。
2. 系统PTE区域。把PTE当作资源来管理。当内核需要一段虚拟地址来映射物理页面时，它可以使用系统PTE区域中的地址。

1.2  进程和线程管理

进程定义了一个执行环境，包括私有的地址空间、一个句柄表、以及一个安全环境。

线程则是一个控制流，有自己的调用栈，记录了它的执行历史。

Windows 中的进程和线程的关系：

1.3  中断和异常

中断(interrupt) 是处理器与外部设备打交道的重要途经; 异常(exception) 是处理器的正常指令流在执行过程中产生的一下特殊事件，需要紧急处理才能继续原来的指令流。

Intel x86 利用IDT(Interrupt Descriptor Table,中断描述符表)，将中断或异常与一个处理服务例程关联，一旦发生中断或异常，该服务例程即被执行。

Windows 允许设备驱动程序为特定的中断向量添加它的中断服务例程(ISR ,Interrupt Service Routine)。

Windows 规定了一套软件中断优先级，称为中断请求级别(IROL,Interrupt Request Level),Windows 使用0~31来表示IRQL，数值越大，优先级越高。

IRQL=0 表示普通线程，称为PASSIVE_LEVEL或被动级别；

IRQL=1 表示异步过程调用(APC ,Asynchronous Procedure Call),称为APC_LEVEL;

IRQL=2 表示延迟过程调用(DPC,Deferred Procedure Call),称为DISPATCH/DPC或者DISPATCH_LEVEL。

3~26是设备IRQL,27~31是一些特殊的硬件中断。

内核模式异常处理：异常分发器首先将异常交给内核调试器来处理，若不存在内核调试器或者内核调试器没有处理该异常，则尝试分发到一个基于帧的异常处理器(frame-based exception handler)。

用户模式异常处理：异常分发器首先判断进程的调试端口是否有效，若有效，则发送消息至调试端口，然后等待应答，否则将异常交给内核调试器。如果异常仍未得到处理，则将控制转到用户模式下，由用户模式的异常分发器(ntdll.dll 中的KeUserExceptionDispatcher 函数)寻找一个基于帧的异常处理器。如果在用户模式下该异常仍为得到处理，则控制再次回到内核模式下。这次，内核模式的异常处理器首先尝试调试端口，若异常仍未被处理，则再尝试当前进程的异常端口。连接进程异常端口的是Windows子系统，因此，Windows子系统在异常处理的最后时刻由机会处理它所属进程的异常。如果它也不能处理，则该进程被终止。

1.4  同步

同步是为了解决并发访问。windows操作系统提供多种多种同步机制，根据执行环境中的IRQL值大于APC_LEVEL或者等于PASSIVE_LEVEL，可以将同步分为“不依赖线程调度的同步机制”和“基于线程调度的同步机制”两类。

当IRQL大于APC_LEVEL时，Windows提供了一些方便的同步保护机制，供内核自身或设备驱动程序使用。IRQL大于APC_LEVEL时典型的同步机制如下：

1. 提升IRQL。根据IRQL的定义，当处理器在某个IRQL上运行时，他只能被更高IRQL的中断打断，意味着，不用担心低IRQL的过程会抢占掉当前执行过程。这种做法在单处理器系统上可以做的更好，但是多处理器系统上，提升IRQL还不够，往往还需要其他同步机制（如自旋锁）。
2. 互锁操作。利用Intel X86处理器提供的lock指令前缀，可以实现基于整数操作的保护，确保一个操作以原子方式进行。这种操作只能在小粒度数据上（可以达到64位内存单元）进行同步保护，而且是指令级保护。
3. 无锁的单链表。windows利用64位互锁指令来实现无锁的单链表数据结构，支持多核，多处理器环境。
4. 自旋锁（spin lock）。自旋锁本身是一种忙等。为了获得自旋锁，处理器持续监测锁状态。直至可用。此时即使有线程调度执行，APC排队，也没机会执行。所以自旋锁通常用于IRQL大于等于DISPATCH_LEVEL的代码。windows还提供一些自旋锁的扩展：执行体自旋锁（支持共享和独占的语义），排队自旋锁（queued spin lock）和栈内排队自旋锁（in-stack queued spin lock）。

IRQL值等于PASSIVE_LEVEL线程之间的同步。

windows定义了统一的机制支持各种线程同步原语：分发器对象（dispatcher object），其数据结构头部为DISPATCH_HEADER。

windows Server 2003 实现了以下分发器对象：

1. 事件（event）：分为事件通知对象和事件同步对象，区别在于，当事件对象变成有信号状态时，是解除所有正在等待该对象的线程，还是只唤醒第一个以WaitAny方式等待该对象的线程。
2. 突变体（mutant）：突变体是Windows内核中互斥体的实现，如果突变体对象为无信号状态，则一定被某个线程“占有”，否则可满足任何一个线程的等待要求。突变体记录了“所有者”线程信息，通常可用于实现“锁”。
3. 信号量（semaphore）：信号量有一个计数器，用于控制最多可以有多少个线程共享一个资源。当计数器达到预定最大值时，信号量将变成无信号状态。
4. 队列对象（queue）：这是Windows内核中用于支持线程池的机制，其数据结构为KQUEUE，通常可以用于控制一项任务的并发程度。它的典型用途是I/O完成端口。
5. 进程对象：Windows的内核进程对象本身也是一个分发器对象，当进程对象被初始创建时，为无信号状态，进程结束为有信号状态。
6. 线程对象：同理如上。
7. 定时器对象：定时器对象既是一个像DPC一样的例程，也是个可等待的分发器对象，当设定的时间到期时，定时器变成有信号状态。
8. 门对象（gate object）：在windows中，门对象和门等待时线程调度器的特殊支持，它绕过了以上分发器对象同步过程中的很多步骤。唤醒一个门等待的线程几乎是以最快捷的方式进行，线程调度器会直接将线程插入到某个处理器的就绪队列中。

除此之外，还有更丰富的同步机制：包括，快速互斥体（fast mutex），守护互斥体（guarded mutex），执行体资源（executive resource）和推锁（push lock）。