【旧文章搬运】Windows句柄分配算法(一)
原文发表于百度空间,2009-04-04
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分析了Windows句柄表的分配算法之后,综合WRK1.2中的代码以及Window XP下的实践,继续分析句柄的分配算法~~
为了便于描述,先定义几个概念:FreeHandle即尚未被使用的Handle,FreeHandleList是由FreeHandle依靠HandleTableEntry->NextFreeTableEntry组成的一个链表
在分析句柄表的分配算法时,已经注意到系统对每个一级句柄表进行填充,把所有可用句柄串联起来形成一个链表,称之为FreeHandleList,该链表也可以看成是一个FreeHandle队列.而HANDLE_TABLE结构中的FirstFree则始终指向该队列头部.
看下面这个图来回顾一下:
首先分析句柄的创建,对应的函数是ExCreateHandle
NTKERNELAPI
HANDLE //返回值,即创建好的句柄

ExCreateHandle (
__inout PHANDLE_TABLE HandleTable, //句柄表
__in PHANDLE_TABLE_ENTRY HandleTableEntry //HANDLE_TABLE_ENTRY,里面包含了对象信息
);
而ExCreateHandle的主要功能是调用ExpAllocateHandleTableEntry实现的,然后把传进来的对象及属性放入申请到的HANDLE_TABLE_ENTRY里.这很容易理解,创建句柄的过程其实就是把传进来的对象放入目标句柄表中,然后计算出它在句柄表中的索引作为句柄返回就可以了.要放置对象,就必须要有一个有效的HANDLE_TABLE_ENTRY,而申请工作就是由ExpAllocateHandleTableEntry完成的.
PHANDLE_TABLE_ENTRY
ExpAllocateHandleTableEntry (
IN PHANDLE_TABLE HandleTable,
OUT PEXHANDLE pHandle
)
/*++
Routine Description:
This routine does a fast allocate of a free handle. It's lock free if
possible.
Only the rare case of handle table expansion is covered by the handle
table lock.
Arguments:
HandleTable - Supplies the handle table being allocated from.
pHandle - Handle returned
Return Value:
PHANDLE_TABLE_ENTRY - The allocated handle table entry pointer or NULL
on failure.
--*/
{
PKTHREAD CurrentThread;
ULONG OldValue, NewValue, NewValue1;
PHANDLE_TABLE_ENTRY Entry;
EXHANDLE Handle;
BOOLEAN RetVal;
ULONG Idx;
CurrentThread = KeGetCurrentThread ();
while () {//这是一个循环过程
OldValue = HandleTable->FirstFree; //取当前FirstFree的值,这是FreeHandleList的队列头
while (OldValue == ) { //判断是否为0.若为0则表示FreeHandleList已经用完了,需要进行一些处理
//
// Lock the handle table for exclusive access as we will be
// allocating a new table level.
//
ExpLockHandleTableExclusive (HandleTable, CurrentThread); //锁定句柄表
//
// If we have multiple threads trying to expand the table at
// the same time then by just acquiring the table lock we
// force those threads to complete their allocations and
// populate the free list. We must check the free list here
// so we don't expand the list twice without needing to.
//
OldValue = HandleTable->FirstFree; //再取FirstFree的值,这里考虑到多个线程访问同一个句柄表的情况,可能我们这次得到的值不为0.因为在这期间可能已经有线程触发了扩充句柄表的操作
if (OldValue != ) { //这时如果FirstFree不为0,说明句柄表已经扩充,有FreeHandle了,那就解锁退出循环
ExpUnlockHandleTableExclusive (HandleTable, CurrentThread);
break;
}
//如果仍然没有可用句柄,继续下面的操作
//
// See if we have any handles on the alternate free list
// These handles need some locking to move them over.
//
OldValue = ExpMoveFreeHandles (HandleTable);//对句柄表进行整理,至于如何整理稍后分析.
if (OldValue != ) {//若不为0,表明整理之后又有了可用句柄,解锁退出循环,进行真正处理
ExpUnlockHandleTableExclusive (HandleTable, CurrentThread);
break;
}
//
// This must be the first thread attempting expansion or all the
// free handles allocated by another thread got used up in the gap.
//
//确实没有可用句柄(句柄表已满)时的处理
RetVal = ExpAllocateHandleTableEntrySlow (HandleTable, TRUE);//扩充句柄表,细节在分析句柄表分配算法时已分析
ExpUnlockHandleTableExclusive (HandleTable, CurrentThread);
OldValue = HandleTable->FirstFree;//再取此时的FirstFree的值,如果上面的扩充是成功的,此时应该有可用句柄
//
// If ExpAllocateHandleTableEntrySlow had a failed allocation
// then we want to fail the call. We check for free entries
// before we exit just in case they got allocated or freed by
// somebody else in the gap.
//
if (!RetVal) { //若此if成立则说明ExpAllocateHandleTableEntrySlow在扩充句柄表时操作失败,那就直接返回失败
if (OldValue == ) {
pHandle->GenericHandleOverlay = NULL;
return NULL;
}
}
}
//OldValue的值来自HandleTable->FirstFree
Handle.Value = (OldValue & FREE_HANDLE_MASK); //给新句柄赋值
Entry = ExpLookupHandleTableEntry (HandleTable, Handle); //查找新句柄对应的HANDLE_TABLE_ENTRY,用来放置对象,至此我们有了一个可用的HANDLE_TABLE_ENTRY
Idx = ((OldValue & FREE_HANDLE_MASK)>>) % HANDLE_TABLE_LOCKS;
ExpLockHandleTableShared (HandleTable, CurrentThread, Idx); //锁定句柄表
if (OldValue != *(volatile ULONG *) &HandleTable->FirstFree) { //再比较一下,若两者不相等,则可能又有线程在此期间进行了句柄申请或释放操作,为避免出错,下一次循环再试
ExpUnlockHandleTableShared (HandleTable, CurrentThread, Idx);
continue;
}
KeMemoryBarrier ();
NewValue = *(volatile ULONG *) &Entry->NextFreeTableEntry; //取新申请到的HANDLE_TABLE_ENTRY中的NextFreeTableEntry.也就是当前申请到的Handle所指向的下一个FreeHandle
NewValue1 = InterlockedCompareExchange ((PLONG)&HandleTable->FirstFree,
NewValue,
OldValue);//修改HandleTable->FirstFree的值为下一个FreeHandle,由前面的操作可知,相当于从FirstFree所指向的FreeHandleList队列头部取走了一个FreeHandle,并且把FirstFree指向新的头部
ExpUnlockHandleTableShared (HandleTable, CurrentThread, Idx); //解锁
if (NewValue1 == OldValue) {//NewValue存放的是原来的FirstFree
EXASSERT ((NewValue & FREE_HANDLE_MASK) < HandleTable->NextHandleNeedingPool);
break;
} else {
//
// We should have eliminated the A-B-A problem so if only the sequence number has
// changed we are broken.
//
EXASSERT ((NewValue1 & FREE_HANDLE_MASK) != (OldValue & FREE_HANDLE_MASK));
}
}
InterlockedIncrement (&HandleTable->HandleCount); //当前句柄表的计数增加一
*pHandle = Handle; //把当前新句柄返回 return Entry;
}
现在对句柄的分配应该有了一个大致的了解.每次分配句柄时总是从FreeHandleList队列头取走第一个FreeHandle,依次类推
再来看句柄销毁的过程:
句柄的销毁由ExDestroyHandle来完成.
NTKERNELAPI
BOOLEAN
ExDestroyHandle (
__inout PHANDLE_TABLE HandleTable,
__in HANDLE Handle,
__inout_opt PHANDLE_TABLE_ENTRY HandleTableEntry
);
该函数的内部关键操作如下:
HandleTableEntry = ExpLookupHandleTableEntry( HandleTable, LocalHandle ); //根据传入句柄找到对应的HANDLE_TABLE_ENTRY
Object = InterlockedExchangePointer (&HandleTableEntry->Object, NULL);//把Object清零
ExpFreeHandleTableEntry( HandleTable,
LocalHandle,
HandleTableEntry ); //在指定的句柄表中释放指定的Handle对应的HANDLE_TABLE_ENTRY
这里的释放并不是释放空间的意思,而是使该HANDLE_TABLE_ENTRY重新变得可用,下面重点分析ExpFreeHandleTableEntry. VOID
ExpFreeHandleTableEntry (
IN PHANDLE_TABLE HandleTable,
IN EXHANDLE Handle,
IN PHANDLE_TABLE_ENTRY HandleTableEntry
)
/*++
Routine Description:
This worker routine returns the specified handle table entry to the free
list for the handle table.
Note: The caller must have already locked the handle table
Arguments:
HandleTable - Supplies the parent handle table being modified
Handle - Supplies the handle of the entry being freed
HandleTableEntry - Supplies the table entry being freed
Return Value:
None.
--*/
{
PHANDLE_TABLE_ENTRY_INFO EntryInfo;
ULONG OldFree, NewFree, *Free;
PKTHREAD CurrentThread;
ULONG Idx;
ULONG SeqInc;
PAGED_CODE();
//一些断言和检测
EXASSERT (HandleTableEntry->Object == NULL);
EXASSERT (HandleTableEntry == ExpLookupHandleTableEntry (HandleTable, Handle));
//
// Clear the AuditMask flags if these are present into the table
//
EntryInfo = ExGetHandleInfo(HandleTable, Handle.GenericHandleOverlay, TRUE);
if (EntryInfo) {
EntryInfo->AuditMask = ;
}
//
// A free is simply a push onto the free table entry stack, or in the
// debug case we'll sometimes just float the entry to catch apps who
// reuse a recycled handle value.
//
InterlockedDecrement (&HandleTable->HandleCount); //释放时,句柄表中句柄计数减一
CurrentThread = KeGetCurrentThread ();
NewFree = (ULONG) Handle.Value & ~(HANDLE_VALUE_INC - ); //计算要销毁的句柄的值(掩去了低两位)
#if DBG
if (ExReuseHandles) {
#endif //DBG
if (!HandleTable->StrictFIFO) { //判断StrictFIFO标记,该标记直接影响到句柄的分配算法
//
// We are pushing potentially old entries onto the free list.
// Prevent the A-B-A problem by shifting to an alternate list
// read this element has the list head out of the loop.
//
//这里是StrictFIFO=0的处理方法,普通进程的句柄表的StrictFIFO是等于0的
Idx = (NewFree>>) % HANDLE_TABLE_LOCKS;
if (ExTryAcquireReleasePushLockExclusive (&HandleTable->HandleTableLock[Idx])) { //锁定
SeqInc = GetNextSeq();
Free = &HandleTable->FirstFree; //Free指向了FirstFree
} else {
SeqInc = ;
Free = &HandleTable->LastFree; //若锁定失败,则Free指向LastFree.实际上,上面的操作通常是成功的
}
} else {//这里是StrictFIFO=1的处理方法,PspCidTable设置了此标志
SeqInc = ; //增量为0
Free = &HandleTable->LastFree; //Free指向LastFree
}
while () {//这是一个循环尝试操作
OldFree = ReadForWriteAccess (Free); //读取Free所指向的值,即当前FreeHandleList的队列头
HandleTableEntry->NextFreeTableEntry = OldFree; //把目标HANDLE_TABLE_ENTRY的NextFreeTableEntry指向原来的队列头
if ((ULONG)InterlockedCompareExchange ((PLONG)Free,
NewFree + SeqInc,
OldFree) == OldFree) {//Free指向队列头,设置新的队列头为刚释放的句柄.这个操作相当于在FreeHandleList队列头部插入了一个新元素
EXASSERT ((OldFree & FREE_HANDLE_MASK) < HandleTable->NextHandleNeedingPool);
break;
}
}
#if DBG
} else {
HandleTableEntry->NextFreeTableEntry = ;
}
#endif //DBG
return;
}
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