Windows 自旋锁分析(一)

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

    if(lastbit ==1){

       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。

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)