3.1.5 同步处理_网络分析技术揭秘：原理、实践与WinPcap深入解析

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3.1.5 同步处理

12-08-11 叶孤城

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本书结合著名的开源软件库WinPcap来说明网络分析技术的实现原理及使用方法。其中包括WinPcap内核驱动，编译与使用，数据包的捕获、发送、内核过滤与接收，以及网络流量的统计与网络状态的分析等重要内容，而且作...立即去当当网订购

Windows是多任务抢占式的操作系统，如果多个线程要求操作同一个资源，这时就需要同步处理了。如果没有同步机制的控制，所有的线程将会任意运行。如果驱动程序没有处理好同步问题，会出现程序出错、操作系统性能下降甚至死锁等现象。
下面将简要介绍在WinPcap中所涉及的同步处理机制。
1. 用户模式下的等待
在应用程序中，可以使用WaitForSingleObject函数等待一个同步对象，其原型如下：
DWORD WaitForSingleObject(
    HANDLE hHandle,        //同步对象句柄
    DWORD dwMilliseconds      //等待时间
);
参数dwMilliseconds是等待的超时时间，单位为毫秒（ms）。
同步对象有两种状态，一种是激发状态，一种是未激发状态。如果同步对象处于未激发状态，WaitForSingleObject则进入休眠状态，等待同步对象被激发。如果同步对象在指定的等待时间内，还是没有处于激发状态，则自动停止休眠。dwMilliseconds也可以设定为INFINITE，表示无限期地等待下去，直到等待的同步对象被激发为止。另外，dwMilliseconds也可以为0，其作用是强迫操作系统从当前线程上切换到其他线程上。
2. 用户模式下的事件
事件是一种典型的同步对象。用户模式下的事件和内核模式的事件对象紧密相连。在使用事件之前，需要对事件进行初始化，可使用CreateEvent函数完成这项任务，该函数的原型如下：
HANDLE CreateEvent(
    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes,   //
    BOOL bManualReset,                         // 复位方式
    BOOL bInitialState,                        // 初始化状态
    LPCTSTR lpName                             // 对象名称
);
CreateEvent函数会使操作系统创建一个内核事件对象，此函数返回的句柄就代表了这个内核事件对象。一般情况下，CreateEvent函数的安全属性会设置为NULL。它的第二个参数bManualReset表示创建的事件是否是手动模式。如果是手动模式的事件，事件处于激发状态后，则需要手动设置才能回到未激发状态；如果是自动模式，在事件处于激发状态后，遇到任意一个等待（如WaitForSingleObject）操作，则自动变回未激发状态。
下面为WinPcap中创建一个事件的代码：
HANDLE hEvent;
hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);
3. 用户模式下的互斥体
互斥体是一种常用的同步对象，可以避免多个线程争夺同一个资源。也就是说，多线程环境中只能有一个线程占有互斥体。获得互斥体的线程如果不释放互斥体，其他线程永远不会获得该互斥体。同一个线程可以递归获得互斥体，递归获得互斥体的意思是，得到互斥体的线程还可以再次获得这个互斥体，也就是说互斥体对于已经获得互斥体的线程不产生“互斥”作用。
互斥体也有两种状态，激发态和未激发态。如果线程获得互斥体时的状态是未激发态，当释放互斥体时，互斥体的状态则为激发态。
初始化互斥体的函数是CreateMutex，其原型如下；
HANDLE CreateMutex(
    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,     //
    BOOL bInitialOwner,                          //
    LPCTSTR lpName                               //
);
上述函数中第二个参数bInitialOwner表示互斥体初始化时是否被占有。如果没有被占有，为激发态，否则为未激发态。
获得互斥体的函数是WaitForSingleObject，而释放互斥体的函数是ReleaseMutex。
下面为WinPcap中使用互斥体的代码：
//原型互斥体
HANDLE g_AdaptersInfoMutex = NULL;
?
//
g_AdaptersInfoMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
?
//
WaitForSingleObject(g_AdaptersInfoMutex, INFINITE);
?
//
ReleaseMutex(g_AdaptersInfoMutex);
4. 自旋锁
自旋锁是一种同步处理机制，它能保证某个资源只能被一个线程所拥有，可用于驱动程序的同步处理。自旋锁的作用一般是使各个派遣函数之间同步。
初始化的自旋锁处于解锁状态时，它可以被程序获取。获取后的自旋锁处于锁住状态，不能被再次获取。锁住的自旋锁必须被释放后，才能再次被获取。如果自旋锁已被锁住，这时有程序申请获取这个自旋锁，则程序会处于“自旋”状态。所谓自旋状态，就是不停地询问是否可以获取自旋锁。
自旋锁不同于线程中的等待事件。在线程中如果等待某个事件，操作系统会使这个线程进入休眠状态，CPU会运行其他的线程。自旋锁则不同，CPU不会切换到别的线程，而是让这个线程一直“自旋”等待。因此，对自旋锁的占用时间不宜过长，否则会导致申请自旋锁的其他线程长时间处于自旋，浪费CPU的处理时间。
NDIS库使用NDIS_SPIN_LOCK数据结构表示自旋锁。使用自旋锁前，首先要对其初始化，可使用NdisAllocateSpinLock函数进行。申请获得自旋锁可使用NdisAcquireSpinLock函数，释放自旋锁可使用NdisReleaseSpinLock函数。这些函数的原型如下：
VOID NdisAllocateSpinLock( IN PNDIS_SPIN_LOCK SpinLock );
VOID NdisAcquireSpinLock( IN PNDIS_SPIN_LOCK SpinLock );
VOID NdisReleaseSpinLock(IN PNDIS_SPIN_LOCK SpinLock );
下面为WinPcap驱动程序中使用自旋锁的代码：
NDIS_SPIN_LOCK       WriteLock;   //_OPEN_INSTANCE结构体中的自旋锁字段

NdisAllocateSpinLock(&Open->WriteLock); //初始化自旋锁
NdisAcquireSpinLock(&Open->WriteLock); //申请获得自旋锁
if(Open->WriteInProgress)
{
    NdisAcquireSpinLock(&Open->WriteLock); //释放自旋锁
    SET_FAILURE_UNSUCCESSFUL();
    break;
}
else
{
    Open->WriteInProgress = TRUE;
}
NdisAcquireSpinLock(&Open->WriteLock); //释放自旋锁
5. NDIS库提供的事件
NDIS库提供的事件用NDIS_EVENT数据结构表示。使用事件前，首先要对其初始化，可使用NdisInitializeEvent函数完成。另外，可以使用NdisWaitEvent函数把调用者置为等待状态，直到给定事件为激发态或等待超时；也可使用NdisSetEvent函数把一个给定的事件设为激发态；还可使用NdisResetEvent函数清除一个给定事件的状态。各函数的原型如下：
VOID NdisInitializeEvent(IN PNDIS_EVENT Event);
BOOLEAN NdisWaitEvent(IN PNDIS_EVENT Event,IN UINT MsToWait);
VOID NdisSetEvent(IN PNDIS_EVENT Event);
VOID NdisResetEvent(IN PNDIS_EVENT Event);
下面为WinPcap中使用NDIS库事件的代码：
//_OPEN_INSTANCE结构体中的事件字段
NDIS_EVENT NdisWriteCompleteEvent;

NTSTATUS NPF_Open(IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject, IN PIRP Irp)
{
    ?
  //
    NdisInitializeEvent(&Open->NdisWriteCompleteEvent);
    ?
}

NTSTATUS NPF_Write(IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject,IN PIRP Irp)
{
    ?
    //
    NdisResetEvent(&Open->NdisWriteCompleteEvent);
    ?
    //
    NdisWaitEvent(&Open->NdisWriteCompleteEvent, 0);
    ?
}
VOID NPF_SendComplete(IN NDIS_HANDLE   ProtocolBindingContext,
    IN PNDIS_PACKET pPacket,IN NDIS_STATUS   Status)
{
    ?
    //
    NdisSetEvent(&Open->NdisWriteCompleteEvent);
    ?
}
6. 变量的原子操作
内核提供了对一个变量进行原子操作的函数，诸如对变量原子进行递增、递减操作，或者设置指定的值。
对一个变量进行原子递增操作时，可使用InterlockedIncrement函数，其原型如下：
LONG InterlockedIncrement(IN PLONG Addend);
上述函数中，参数Addend指向一个LONG型变量，函数返回递增后的值。
对一个变量进行原子递减操作时，可使用InterlockedDecrement函数，函数原型如下：
LONG InterlockedDecrement(IN PLONG Addend);
上述函数中，参数Addend指向一个LONG型变量，函数返回递减后的值。
对一个变量进行原子设置指定值的操作时，可使用InterlockedExchange函数，其原型如下：
LONG InterlockedExchange(IN OUT PLONG Target,IN LONG Value);
上述函数中，参数Target指向一个需要进行设置的LONG型变量；参数Value为需要设置的值。InterlockedExchange函数返回参数Target所指的初始值。
下面为WinPcap中使用原子操作的代码：
//申明需要原子操作的变量
ULONG g_NumOpenedInstances = 0;

NTSTATUS NPF_Open(IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject,
    IN PIRP Irp)
{
    ?
    //
    localNumOpenedInstances =
        InterlockedIncrement(&g_NumOpenedInstances);
    ?
}

NTSTATUS NPF_Cleanup(IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject,
   IN PIRP Irp)
{
    ?
    //
    localNumOpenInstances =
        InterlockedDecrement(&g_NumOpenedInstances);
    ?
}

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