Windows 95 System Programming SECRENTS学习笔记---第三章（6）

线程控制函数

Win32 API提供了几个函数，用来修改和查询线程的执行状态。在底层，线程可以读些另一个线程的寄存器（假设它有其他线程的handle）。在高层方面，有些Win32 API允许你暂停/开始其他线程的执行。让我们看看这些线程控制函数。

 

GetThreadContext和IGetThreadContext

GetThreadContext使线程有能力获得另一个线程的寄存器的副本。任何时候，线程要么是正在执行、要么就是出于挂起状态。即使线程处于挂起状态，其寄存器值还是保存在一个名为thread context的结构中。GetThreadContext函数让你能够读取一个被挂起的线程的thread context。

 

GetThreadContext函数其实只是做参数的检验工作。它检查传入的指针是否指向足够容纳CONTEXT结构的内存块。如果答案是肯定的，程序代码就跳到内部函数IGetThreadContext中。

 

IGetThreadContext首先转换hThread参数为一个thread database指针，然后调用x_ThreadContext_CopyRegs，把输入的寄存器组存放到ring3的CONTEXT结构中。除了复制寄存器内容到ring3级的CONTEXT结构，IGetThreadContext也调用VWIN32.VXD取得那些寄存器的ring0版本。至于寄存器为什么要有ring0和ring3两种，不甚清楚。

 

在将CONTEXT结构填充完毕之后，GetThreadContext检查CS以及标志寄存器的值，看看是否合法。标志寄存器的检查很简单，只是确定目前不出于V86模式。

 

x_ThreadContext_CopyRegs

    这个函数把被选中的寄存器内容，从某个CONTEXT结构复制到另一个CONTEXT结构。CONTEXT结构定义与WINNT.H。

补充：

在Visual Studio.NET 2003自带的SDK的WINNT.H中，分别包含针对AMD、ALPHA、x86、MIPS、PPC（Power PC）、和IA64六种CPU的CONTEXT结构定义。在针对x86的CONTEXT结构中，第一个成员是DWORD ContextFlags，该标志用来指出CONTEXT中的那些寄存器应该被复制。ContextFlags可能的值如下：

CONTEXT_EXTENDED_REGISTERS  // cpu specific extensions

CONTEXT_DEBUG_REGISTERS  // 调试寄存器 0-3,6,7

CONTEXT_FLOATING_POINT    // 算术协处理器387的状态

CONTEXT_SEGMENTS          // DS, ES, FS, GS

CONTEXT_INTEGER            // AX, BX, CX, DX, SI, DI

CONTEXT_CONTROL           // SS:SP, CS:IP, FLAGS, BP

 

x_ThreadContext_CopyRegs函数十分直接了当。它忠实地检查来源端的ContextFlags标志（针对x86），根据其指示复制对应的寄存器值到目的端的CONTEXT中。程序代码中没有什么令人惊奇的发现。

 

SetThreadContext和ISetThreadContext

SetThreadContext使线程有能力改变另一个线程的寄存器。任何时候，这个函数与GetThreadContext形成互补。

 

SuspendThread和VWIN32_SuspendThread

SuspendThread会影响线程的挂起次数。如果挂起次数不是0，ring0线程调度器绝不可能让该线程执行。SuspendThread函数代码其实只不过是我所谓的VWIN32_SuspendThread内部函数的外包装而已。VWIN32_SuspendThread等待获取一个thread database指针，所以在调用其之前，SuspendThread首先把hThread转换为有用的指针，如果VMWIN32_SuspendThread成功，SuspendThread会在thread database的1BCh位置增加挂起次数。

 

然而，重要的是，当线程调度器决定哪一个线程可以执行，挂起次数并不是决定因素。倒是，VWIN32在TDBX结构中保存了真正的挂起次数。VWIN32_SuspendThread其实也只不过是底层函数的一个外包装而已，它通过一个未公开的VxDCall函数调用VWIN32.VXD。

 

ResumeThread

这个函数和ResumeThread有互补作用。它会将某个线程的挂起状态减1（不论是在ring0的TBDX结构中，或是在ring3的thread database 1BCh位置中）。当挂起状态将为0时，线程就有资格被调度器视为可能的执行对象。

 

ResumeThread首先把hThread参数转换为一个Thread Database指针，然后检查ring3的挂起次数，确定不是0（如果是0，ResumeThread就什么也不做）。接下来，调用一个VWIN32.VXD的服务函数，将挂起次数减1。如果VWIN32.VXD的服务函数能够成功的将ring0的挂起次数减1，那么ResumeThread就将ring3的挂起次数也减1。

 

结构化异常处理（Structured Execption Handling）

结构化异常处理（Structured Exception Handling， 简称SEH）在现代操作系统，如OS/2、Windows NT、Windows9x等，是一个被大肆宣传并且常常被误解的主题。大部分谈到他的书籍和文章都把它放在编译器层面来说。编译器利用一些如：__try、__except、__finally、catch、throw等保留字，把凌乱的操作系统基础界面包装起来。

 

当一个异常情况（例如page fault）发生，CPU会立刻把控制权转给ring0的异常处理函数，后者的地址存放在中断描述表（interrupt descriptor table）中。ring0处理函数才能够决定该如何善后。如果这是一个系统知道如何处理的异常情况，ring0代码就作必要的措施，然后让指令继续下去。这些异常情况基本上对ring3代码以及system DLLs是不可见的，而且此处我们也不关心它们。

 

此处我们关心的是，万一系统不知道如何处理这个异常情况。怎么办？旧的操作系统的典型反应就是把引起异常情况的进程砍掉。虽然“将任何引起不可预期的错误的程序结束掉”的哲学无可挑剔，但它毕竟没有包容性。比较好的做法是通过应用程序（或其他应用程序）让它们自己决定如何处理。

 

32位的OS如OS/2和NT引入了一个比较有弹性的处理方法—结构化异常处理（SEH）。在处理多线程以及利用C++ catch/throw机制等方面，SHE的表现比以前的方法好得多。对于C++异常情况，应用程序本身可以引发一个和CPU异常情况截然不同的异常情况。假设C++的new运算符失败，它会抛出一个表示内存不足的异常情况。32位操作系统的SHE机制有足够弹性，以相同的代码一并处理语言的异常和硬件的异常。

 

在继续前进之前，我要再次强调我要谈的是SHE在操作系统层面的运作情况。

 

在一个拥有SHE的系统中，每个线程有它自己的SEH链内含设定好的异常处理函数。当一个异常情况发生，操作系统走访该SEH链，并调用其中适当的异常处理函数。这样的动作一直持续到某个异常函数传回代码，表示它要处理这个异常情况位置。这就是第一阶段：找到正主。如果这些函数无一能处理此异常情况，系统就会出面，把闹事的进程砍掉。我们不关心后面这种情节，因为操作系统把进程砍掉是很简单的事情。

 

当你获得了一个函数用来处理异常情况，第二阶段就是重新一遍走访SHE链。未公开函数RtlUnwind函数为我们做这样的事，它被那个“决定处理此异常情况的处理函数”所调用。当RtlUnwind一一触发那些SEH链的中函数，系统会交给它们一个标志。这个标志告诉函数说线程的堆栈目前正被“unwound”（译注）。将堆栈“Unwinding”，是“把程序状态恢复到异常处理函数被安装时的状态”的一种方法。不只在__except区块中重新恢复执行，系统还会给与每个“被安装，但是不处理此异常情况”的函数一个机会清理自己。给与这个机会之后，重要的事情如“调用堆栈中的C++对象的析构函数”就可以在一种有纪律的情况下完成。

 

译注：

所谓“unwind”，就是当一个异常情况发生时，将堆栈中的对象析构。这是ANSI的标准要求。据我所知，OWL支持完整的“Stack Unwinding”，而早期的MFC并不包含自动的stack unwinding。新版的MFC表现如何不得而知。

 

理论够多了，Windows 95真正使用的结构和方式到底是什么呢？先前我介绍TIB时说过，FS:[0]总是这向当前线程的SEH链的链头，异常处理函数所组成的链是一个EXCEPTIONREGISTRATIONRECORD链表。这个长长的名称来自于OS2/2.0的BSEXCEPT.H文档。为了某些理由，微软似乎企图对一般人隐藏SEH在操作系统层面的资料。EXCEPTIONREGISTRATIONRECORED结构看起来像这样：

DWORD prev_structure   // A pointer to the previously

// installed EXCEPTIONREGISTRATIONRECORED

DWORD ExceptionHandler // Address of the exception handler function

链表的最后是以-1（prev_structure）表示结束。

 

正常情况下，程序会按照需要从堆栈中挖出空间来制造EXCEPTIONREGISTRATIONRECORD。在C/C++程序中，每个EXCEPTIONREGISTRATIONRECORD对应一个__try/__except块。当程序进入__try块时，编译器就在堆栈中产生一个新的EXCEPTIONREGISTRATIONRECORD并把它放到SEH链的开始处。离开__except块后，编译器设定FS:[0]指向链表中下一个EXCEPTIONREGISTRATIONRECORD。下图显示了这些被串联起来的数据。

记住，上述8位结构只是操作系统的最小需求而已。没有什么可以阻止编译器在堆栈中产生更大的结构并且把EXCEPTIONREGISTRATIONRECORD放在结构首位。编译器从上述结构中获得的其他成员也可以提供足够的信息，使单独一个异常处理函数适用于所有的__try块。微软和Borland的编译器都使用EXCEPTIONREGISTRATIONRECORD的扩充结构。

 

说到异常处理函数，它到底是什么样子？再一次，微软似乎想隐藏某些资料，但至少Win32提供了一个函数原型。在EXCPT.H中，你可以看到这样的原型：

EXCEPTION_DISPOSITION  __cdecl _except_handler(

      struct   _EXCEPTION_RECORD *  ExceptionRecord,

      void *  EstablisherFrame,

      struct   _CONTEXT* ContextRecord,

      void *  DispatcherContext

)

乍看之下，它仿佛太过复杂了。返回值EXCEPTION_DISPOSITION其实只不过是个enum，告诉系统说此函数如何被用来处理异常情况：

typedef enum _EXCEPTION_DISPOSITION {

    ExceptionContinueExecute,

    ExceptionContinueSearch,

    ExceptionNestedException,

    ExceptionCollidedUnwind

} EXCEPTION_DISPOSITION;

最后两项很少会遇到。至于第一项ExceptionContinueExecute是告诉系统说异常处理函数已经处理该异常情况，并打算让执行继续下去。ExceptionContinueSearch则是告诉系统说异常处理例程不打算处理此异常情况，系统应该继续走访EXECEPTIONREGISTRATIONRECORD链表，直到某个异常处理例程返回ExceptionContinueExecute。

 

把_except_handler函数原型重写一遍，看起来就可以接受的多了：

int _except_handler (

    PEXCEPTION_RECORD  ExceptionRecord,

    PVOID EstablisherFrame,

    PCONTEXT ContextRecord,

    PVOID DispatcherContext );

我们发现，一个异常处理函数需要四个指针参数，指向异常情况以及机器状态等数据结构。这个函数返回一个整数，告诉系统它是否把异常处理好了。EXCEPTION_RECORD结构内含异常代码，以及其他东西。WINNT.H对此有些说明。CONTEXT结构内含异常发生时的寄存器内容，WINNT.H对此也有说明。EstablisherFrame参数内含一个指针，指向堆栈---EXCEPTIONREGISTRATIONRECORD结构的设定处。DispathcerContext参数则似乎没有用到。

 

稍早我说过，异常处理函数会被调用两次。第一次是系统寻找适当处理函数的时候。第二次是为了系统要“unwinding”，而处理函数被认为会进行必要的清理工作（像是调用堆栈对象的析构函数等等）。这两次调用之间的差别在哪里？ExceptionRecord结构（被第一个参数所指）内含一个ExceptionFlags标志，如果EH_UNWINDDING（0x2）或EH_EXIT_UNWIND（0x4）标志并未设定，那么就是前述第一种情况；如果两个标志之一设立，那么就是第二种情况。

补充：

    关于为什么异常处理函数会被调用两次，在《Windows下32位汇编程序设计》一书中有详细地介绍，根本上讲是为了进行清理工作，恢复系统状态到异常发生时。