Win32 核心 DPC 设计思想和实现思路浅析

  Win32 核心 DPC 设计思想和实现思路浅析

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    x86架构设计在上是基于中断思想的,因而从DOS到Win32,操作系统中大量使用中断的概念来表达异步操作的行为。但与DOS下独占的情况不同,Win32下需要由系统对多任务进行调度,因此中断响应代码必须尽可能地简单,并且尽快的将控制权交还给系统。虽然这样一来系统调度的响应速度和实现过程方便了,但还是有很多功能需要在中断响应中完成。为此,Win32核心提供了DPC(Deferred Procedure Call)和APC(Asynchronous Procedure Call)两个IRQL特殊的软件中断级别,用于实现延迟和异步的过程调用。
     从IRQL分层来说,DPC和APC是介于较高级别的设备中断和最低级别的Passive中断之间,由操作系统用于完成特殊方法调用的中断级别。与处理硬件操作的设备中断和更高级别的时钟、处理器中断不同,这两级中断纯粹是为了实现功能调用异步性而设计实现的,因此操作系统本身也对它们具有很强的依赖型。APC这里暂且不讨论,以后有机会再写篇文章专门讨论 :)

     DPC在功能上可以理解为ISR(Interrupt Service Routine)的一部分。只是因为ISR为了尽量简单和返回控制权给操作系统,而将一部分功能剥离出来放入相应DPC中,延迟调用。因为DPC的IRQL仅在APC和Passive中断之上,所以系统可以从容地处理完高级别的中断后,再在DPC一级慢慢处理积累起来的相对并不那么紧急功能。
     DPC在使用上可以理解为一个回调函数的封装对象。系统本身或者设备驱动程序,在合适的地方如设备驱动程序的AddDevice函数或DispatchPnP函数处理IRP_MN_START_DEVICE请求时,初始化一个DPC对象;在ISR中判断是否需要进一步处理中断,是则请求将DPC对象插入到系统DPC队列中;系统处理完高IRQL后,会在IRQL DISPATCH_LEVEL级别慢慢处理DPC队列中的DPC对象;每个DPC对象封装的回调函数,会使用同时封装的调用参数,被系统调用,完成在ISR中来不及完成的工作;如果需要进一步的工作,还可以继续请求插入DPC对象到DPC队列中。

     DPC对象从最终用户角度有两种:DpcForIsr和CustomDPC。前者是与设备驱动对象(Device Object)绑定的;后者则由驱动自行维护。但从实现上来说,只有一种DPC对象存在,DpcForIsr所涉及的维护函数,实际上都是对CustomDPC的一个封装而已。

     我们首先来看看初始化DPC对象的实现。KeInitializeDpc函数(ntoskedpcobj.c:39)完成具体的DPC对象的初始化,实际上就是填充一个内存结构KDPC(ntosinc tosdef.h:331)。
 

以下为引用:

 //
 // Deferred Procedure Call (DPC) object
 //

 typedef struct _KDPC {
     CSHORT Type;
     UCHAR Number;
     UCHAR Importance;
     LIST_ENTRY DpcListEntry;
     PKDEFERRED_ROUTINE DeferredRoutine;
     PVOID DeferredContext;
     PVOID SystemArgument1;
     PVOID SystemArgument2;
     PULONG_PTR Lock;
 } KDPC, *PKDPC, *RESTRICTED_POINTER PRKDPC;
 



     Type 表示此内核对象的类型,在KOBJECTS枚举类型(ntosincke.h:122)中定义,缺省为 DpcObject = 0x13。此外WinXP/2003新增了一种ThreadedDpcObject = 0x18
     Number 在多处理器环境下用于指定此DPC对象加入到哪个处理器的DPC队列中,我们等会讨论多处理器时详细描述。缺省为 0
     Importance 表示此DPC对象的重要性,在KDPC_IMPORTANCE枚举类型(ntosinc tosdef.h:321)中定义,缺省为 MediumImportance = 1
     DpcListEntry 是用于维护DPC队列的链表指针
     DeferredRoutine 是此DPC对象绑定的回调函数,后面DeferredContext、SystemArgument1和SystemArgument2分别是此回调函数被调用时的参数。如ISR中调用IoRequestDpc时,后面两个参数就用于传递Irp和Context参数给DPC的回调函数。
     Lock 保存此DPC对象所在DPC队列的自旋锁,用于锁定DPC队列,同时也用于判断此DPC对象是否被加入到一个DPC队列中。

     了解了KDPC对象的结构,实际上维护代码就非常简单了。KeInitializeDpc函数将KDPC对象结构初始化为初值;IoInitializeDpcRequest函数则只是对KeInitializeDpc函数的一个简单包装,如下
 

以下为引用:

 #define IoInitializeDpcRequest( DeviceObject, DpcRoutine ) (
     KeInitializeDpc( &(DeviceObject)->Dpc,                  
                      (PKDEFERRED_ROUTINE) (DpcRoutine),     
                      (DeviceObject) ) )
 


     注意WinXP/2003下实际上KeInitializeDpc函数和KeInitializeThreadedDpc函数都是由一个KiInitializeDpc函数完成具体工作的,只是传递的最后一个参数定义的对象类型不同。

     KeInsertQueueDpc函数(ntoskedpcobj.c:89)实际上是系统对DPC队列维护的核心函数,其伪代码如下:
 

以下为引用:

 BOOLEAN KeInsertQueueDpc (IN PRKDPC Dpc, IN PVOID SystemArgument1,IN PVOID SystemArgument2)
 {
   PKSPIN_LOCK Lock;
   KIRQL OldIrql;

   KeRaiseIrql(HIGH_LEVEL, &OldIrql);  // 提升当前IRQL到最高,屏蔽其它中断

   PKPRCB = KeGetCurrentPrcb();        // 获取当前处理器控制块

   // 通过比较Dpc->Lock是否为空,来判断此DPC对象是否已经被加入到DPC队列;
   // 如果DPC对象可以被加入到队列,则将当前处理器控制块的DPC自旋锁复制到Dpc->Lock中
   if ((Lock = InterlockedCompareExchangePointer(&Dpc->Lock, &Prcb->DpcLock, NULL)) == NULL)
   {
     // 更新当前处理器控制块的统计信息
     Prcb->DpcCount += 1;
     Prcb->DpcQueueDepth += 1;

     // 更新DPC对象的参数信息
     Dpc->SystemArgument1 = SystemArgument1;
     Dpc->SystemArgument2 = SystemArgument2;

     // 根据DPC对象优先级,决定将之加入到DPC队列的头部或尾部
     if (Dpc->Importance == HighImportance)
         InsertHeadList(&Prcb->DpcListHead, &Dpc->DpcListEntry);
     else
         InsertTailList(&Prcb->DpcListHead, &Dpc->DpcListEntry);

     // 如果当前处理器没有DPC对象活动或DPC中断请求,则进一步判断是否发出DPC中断请求
     if (Prcb->DpcRoutineActive == FALSE && Prcb->DpcInterruptRequested == FALSE)
     {
       // 如果DPC对象优先级为中高;
       // 或者DPC队列长度超过阈值MaximumDpcQueueDepth;
       // 或者DPC请求速率小于阈值MinimumDpcRate
       if ((Dpc->Importance != LowImportance) ||
           (Prcb->DpcQueueDepth >= Prcb->MaximumDpcQueueDepth) ||
           (Prcb->DpcRequestRate < Prcb->MinimumDpcRate))
       {
         // 满足触发条件,则发出DPC中断请求
         Prcb->DpcInterruptRequested = TRUE;
         KiRequestSoftwareInterrupt(DISPATCH_LEVEL);
       }
     }
   }
   KeLowerIrql(OldIrql);
   return (Lock == NULL);
 }
 



     这里的几个阈值,在KiInitializeKernel函数(ntoskei386kernlini.c:246)中,根据全局变量KiMaximumDpcQueueDepth、KiMinimumDpcRate和KiAdjustDpcThreshold确定。而这几个全局变量可以通过注册表项(HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetControlSession Managerkernel)下的DpcQueueDepth、MinimumDpcRate和AdjustDpcThreshold三个键值来设置。具体的设置方法,请参考MSDN以及性能计数器的Processor% DPC Time等动态指数。

     而处理与驱动绑定的DPC对象的IoRequestDpc函数只是KeInsertQueueDpc函数的一个简单包装。
 

以下为引用:

 #define IoRequestDpc( DeviceObject, Irp, Context ) ( 
     KeInsertQueueDpc( &(DeviceObject)->Dpc, (Irp), (Context) ) )
 


     与KeInsertQueueDpc函数对应的KeRemoveQueueDpc函数(ntoskedpcobj.c:272)实际上只是完成简单的将DPC对象从DPC队列中删除的功能。

     最后对DPC对象属性进行修改的KeSetImportanceDpc函数(ntoskedpcobj.c:367)和KeSetTargetProcessorDpc函数(ntoskedpcobj.c:401)实际上都是直接修改DPC对象结构的相应域。KDPC::Number大于MAXIMUM_PROCESSORS = 32时,用于指定DPC对象的目标CPU。如调用KeSetTargetProcessorDpc(pKDpc, 2)后,pKDpc = MAXIMUM_PROCESSORS + 2。

     在了解了DPC对象和DPC队列的大致维护函数功能后,我们来看看稍微复杂一些的在多处理器下DPC队列的维护流程。

     前面提到KDPC::Number指定了DPC对象所用的处理器号,因此在KeInsertQueueDpc函数开始获取处理器控制块时,需要判断Number是否指向一个处理器,并从全局处理器控制块列表中获取相应的处理器控制块,为代码如下:
 

以下为引用:

 if (Dpc->Number >= MAXIMUM_PROCESSORS)  // Number大于MAXIMUM_PROCESSORS时用于指定处理器
 {
   Processor = Dpc->Number - MAXIMUM_PROCESSORS;
   Prcb = KiProcessorBlock[Processor];   // 全局唯一的处理器控制块列表

 }
 else
 {
   Prcb = KeGetCurrentPrcb();
 }

 KiAcquireSpinLock(&Prcb->DpcLock);      // 使用自旋锁保护处理器控制块中的DPC队列
 



     而在KeInsertQueueDpc函数中判断是否发出DPC中断请求时,也需要做更复杂的逻辑判断。
     对DPC对象目标处理器就是当前处理器的情况,可以和前面单处理器时一样处理,直接发送DPC中断请求;但对于DPC对象目标处理器是其他处理器的情况,就必须使用KiIpiSend函数发送IPI(InterProcessor Interrupt)中断,通知目标处理器执行动作。此IPI中断是介于系统掉电中断(POWER_LEVEL)和时钟中断之间的特殊IRQL,专门用于在多处理器情况下协调多个处理器的工作。
     此外就是在多处理器情况下,各种对DPC队列的操作都需要用此处理器控制块的DPC队列自旋锁保护起来,避免同步问题。

     由此我们可以看到,实际上DPC队列是每个处理器一个的,我们完全可以将某个DPC对象绑定到某个处理器上,实现类似线程亲缘性(Thread Affinity)的效果,优化在多处理器环境下的性能。但这同时也带来一个问题,就是ISR程序可以和DPC回调函数同时被调用,某种程度上也造成了开发复杂度的增加,具体处理方法请参考DDK中相关文档。

     Kernel-Mode Driver ArchitectureDesign GuideServicing InterruptsDPC Objects and DPCs

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