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内核开发第二讲:编写Kernel程序注意事项

一、函数多线程的安全问题函数多线程安全指的是,当一个函数在被调用但尚未返回时,如果被其他线程再次调用,其执行结果仍然是可靠的。在用户层编写多线程程序时,我们通常会关注同步问题,以确保线程安全。同样地,在内核中也需要注意以下几点:可能在多线程环境中运行的函数必须保证线程安全。如果运行在单线程环境中,则不需要考虑线程安全性,因为没有其他线程操作。如果函数A调用函数B,函数B调用函数C,且A和B都运行在同一单线程中,那么C也应保证运行在单线程中。如果函数A调用函数B,函数B调用函数C,且B和C可能在多线程环境中

一、函数多线程的安全问题

函数多线程安全指的是,当一个函数在被调用但尚未返回时,如果被其他线程再次调用,其执行结果仍然是可靠的。

在用户层编写多线程程序时,我们通常会关注同步问题,以确保线程安全。同样地,在内核中也需要注意以下几点:

  1. 可能在多线程环境中运行的函数必须保证线程安全。如果运行在单线程环境中,则不需要考虑线程安全性,因为没有其他线程操作。

  2. 如果函数A调用函数B,函数B调用函数C,且A和B都运行在同一单线程中,那么C也应保证运行在单线程中。

  3. 如果函数A调用函数B,函数B调用函数C,且B和C可能在多线程环境中运行,那么A也可能在多线程环境中运行。因为A会调用B和C,所以B和C在多线程环境中运行。

  4. 如果函数A调用函数B,函数B调用函数C,且B运行在多线程环境中,那么需要采取多线程序列化为单线程的强制措施,使得函数B在单线程中运行。

内核中的“多线程序列化为单线程的强制措施”包括互斥体和自旋锁。

  1. 只使用函数内部资源,不使用全局变量、静态变量或其他全局性资源的函数是多线程安全的。

  2. 如果使用全局变量、静态变量等,那么需要使用同步函数来进行同步。

二、中断级别

这篇博客主要讨论了理论和需要注意的问题。在内核中,Kernel API有中断级别之分。

在用户层,代码都是同级别运行,因此不需要关心中断级别,但在Kernel内核中,必须关注中断级别,否则可能会导致持续的问题。

目前,中断级别有两个:

  1. Passive级别。
  2. Dispatch级别。

关于这两种级别,内核博客的前两课有简单介绍其本质。我们只需注意这两种级别的区别即可。

简单的函数运行在Dispatch级别中。因此,在调用任何Kernel API之前,都需要查询一下中断级别。

Dispatch级别比Passive级别高。

如何判断中断级别?

  • 调用路径:A -> B -> C,那么C的调用路径就是A和B,因为是一条线。
  • 调用源:A -> B -> C,那么一次递推到A,那么C的调用源就是A。

判断规则:

  1. 如果调用路径上没有特殊情况(导致中断级别提高或降低的情况),那么函数执行时的中断级别与其调用源级别相同。
  2. 如果调用路径上有获取自旋锁,则中断级别随之提高;如果有释放自旋锁,则中断级别降低。

内核中的中断级别:

调用源级别
DriverEntryPassive级别
DriverUnloadPassive级别
各种分发函数Passive级别
完成函数Dispatch级别
各种NDIS回调函数Dispatch级别

查询Kernel API时,会发现有说明该API在什么级别使用。

例如:

内核开发知识第二讲,编写Kerner 程序中注意的问题.

可以看到中断级别是...

疑问?

如果当前代码运行在DISPATCH级别,但必须调用PASSIVE级别的API,该怎么办?可以利用内核API降低当前中断级别吗?

答:

不可以。Windows代码都是在规范的级别上运行的,任意降低或提高都会影响代码的执行。因此,在需要调用这种API时,可以创建一个专门的线程来执行PASSIVE级别的代码。

解决方法很多,可以在网络上搜索相关资料。博主也是自学,所以暂时还没有接触到更多方法。

三、内核中宏代码代表的意思

在内核中查看API时,可以看到许多宏,这些宏都是空宏,用于说明。

例如:

  • IN:表示这个参数是传递进去的。
  • OUT:表示这个参数是传出参数。

例如:

__in_bcount(StatusBuffsize) IN PVOID statusBuffer;

这里的参数表示statusBuffer的大小依赖于StatusBuffsize这个参数来指定。

四、指定函数位置的预编译指令

这个小主题本来可以放在第三个问题中,但单独说明更重要。

#pragma alloc_text()

这个宏表示我们的函数的可执行代码编译出来之后在.sys文件中的位置。

.sys文件本质上是PE文件,PE文件有段和节,不同的节加载到内存中会有不同的处理情况。我们需要关注的有三种:

  1. INIT节:这个节的特点是初始化完毕后就会释放,不再占用内存空间。
  2. PAGE节:这个节的特点是可以进行分页交换的内存空间,即内存不够时可以临时放到磁盘上。
  3. PAGELK节:这是默认的节,如果不指定代码放在哪里,就会放在这个节中。特点是不能进行内存交换,即不可以和磁盘交互。

我们可以指定我们的代码放到哪个节中。

例如,入口函数只会调用一次,可以放到INIT节中,这样初始化完后就不占用内核内存,因为内核内存是共享的,用完就没了。

例如:

#pragma alloc_text(INIT,DriverEntry)

注意的问题:

如果将函数放入PAGE节中,代表该函数运行中可以放到磁盘上,这样会产生缺页中断。因此,放到PAGE节中的函数不能调用DISPATCH级别的函数。

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