Windows Internals学习笔记（五）Synchronization

　　参考资料：

　　1. 《Windows Internals》

　　2. 自旋锁spinlock剖析与改进

　　3. Lock指令前缀

　　4. Lock指令前缀（二）

　　5. Kernel Dispatcher Objects

　　6. Windows同步机制原理

　　

　　知识点：

　　● Interlocked Operations：最简单的同步机制，基于硬件对安全多处理器整数操作的支持，包括：InterlockedIncrement、interlockedDecrement、InterlockedExchange和InterlockedCompareExchange。比如interlockedDecrement函数，会通过x86指令前缀来锁住多处理的总线（如，地址总线），防止修改某一内存空间。

　　● Spinlocks：与mutex比较类似，不同之处在于它的使用者往往保持时间比较短，且不会进入休眠状态。在使用的时候，可以设置尝试次数；如果超时，就放弃本次时间片。

　　两个限制：① 被保护的资源必须被快速访问且不会被其它代码复杂的访问。

　　　　　　　② 临界区代码不能被分页在内存外，不能引用可分页的数据，不能调用外部例程（包括系统服务）和不能产生中断和异常。

　　

　　　　　　　　　　　　　　图1 Spinlock使用实例

　　● Queued Spinlocks：为增减扩展性的特殊类型spinlock。工作原理：当某一个处理器想获取一个当前已被拥有的QS，它把它的标识符放到与该Spinlock相关的队列中去。让Spinlock被释放的时候，其拥有进程会将lock传递到队列中的第一个进程。 同时，一个进程会检查它前面进程的per-processosr标志位，以判断是否轮到自己了。Wndows定义了很多全局的QS。

　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 全局Queued Spinlocks

　　

　　● 多处理器环境中，内核外的可执行程序同样需要同步对全局数据结构的访问。比如，内存管理器唯一的页帧数据库。

　　● 当spinlock不适用时的几种同步机制：①Kernel dispatcher objects、②Fast mutexes and guarded mutexes、③Pushlocks和④Executive resources。

　　● Windows支持的几种用户模式下的锁原子操作：①Condition variables、②Slim Reader-Writer Locks、③Run-once intialization和④Critical sections。

　　● Kernel Dispatcher Object：内核会以内核对象的形式提供额外的同步机制给执行程序，这些内核对象的集合即是Dispatcher Objects。线程通过对待内核调度对象的句柄来实现同步。内核会将该线程置于等待状态。任何时刻，内核调度对象都有两种状态：signaled状态和nonsignaled状态（具体对象的signaled状态定义是不同的）。

　　　　　　　　　　　　　　表1 5种内核调度对象

Object	Data Type	Description
Event	KEVENT	Blocks a thread until some other thread detects that an event has occurred
Semaphore	KSEMAPHORE	Used instead of an event when an arbitrary number of wait calls can be satisfied
Mutex	KMUTEX	Excludes other threads from executing a particular section of code
Timer	KTIMER	Delays execution of a thread for some period of time
Thread	KTHREAD	Blocks one thread until another thread terminates

● Fast mutexes又被称为executive mutexes，被广泛使用在设备驱动中，通常提供比mutex对象更好的性能，尽管它也是建立在Dispatcher Event Object上的。它只有在该fast mutex被竞争的情况下才执行wait操作，而标准mutex总是会尝试得到该互斥量。

● Guarded mutexes同fast mutex很相似，只不过是它使用了另一种同步对象（KGATE）而已。

● Executive resource是一种支持共享和互斥访问的同步机制。它常用文件系统驱动程序。

● Pushlock是另一种基于Gate对象的优化同步机制。Pushlock可以以共享或互斥的模式被获得。