Win32 核心 DPC 设计思想和实现思路浅析

http://flier_lu.blogone.net/?id=1397656

    x86架构设计在上是基于中断思想的，因而从DOS到Win32，操作系统中大量使用中断的概念来表达异步操作的行为。但与DOS下独占的情况不同，Win32下需要由系统对多任务进行调度，因此中断响应代码必须尽可能地简单，并且尽快的将控制权交还给系统。虽然这样一来系统调度的响应速度和实现过程方便了，但还是有很多功能需要在中断响应中完成。为此，Win32核心提供了DPC(Deferred Procedure Call)和APC(Asynchronous Procedure Call)两个IRQL特殊的软件中断级别，用于实现延迟和异步的过程调用。
    从IRQL分层来说，DPC和APC是介于较高级别的设备中断和最低级别的Passive中断之间，由操作系统用于完成特殊方法调用的中断级别。与处理硬件操作的设备中断和更高级别的时钟、处理器中断不同，这两级中断纯粹是为了实现功能调用异步性而设计实现的，因此操作系统本身也对它们具有很强的依赖型。APC这里暂且不讨论，以后有机会再写篇文章专门讨论 :)

    DPC在功能上可以理解为ISR(Interrupt Service Routine)的一部分。只是因为ISR为了尽量简单和返回控制权给操作系统，而将一部分功能剥离出来放入相应DPC中，延迟调用。因为DPC的IRQL仅在APC和Passive中断之上，所以系统可以从容地处理完高级别的中断后，再在DPC一级慢慢处理积累起来的相对并不那么紧急功能。
    DPC在使用上可以理解为一个回调函数的封装对象。系统本身或者设备驱动程序，在合适的地方如设备驱动程序的AddDevice函数或DispatchPnP函数处理IRP_MN_START_DEVICE请求时，初始化一个DPC对象；在ISR中判断是否需要进一步处理中断，是则请求将DPC对象插入到系统DPC队列中；系统处理完高IRQL后，会在IRQL DISPATCH_LEVEL级别慢慢处理DPC队列中的DPC对象；每个DPC对象封装的回调函数，会使用同时封装的调用参数，被系统调用，完成在ISR中来不及完成的工作；如果需要进一步的工作，还可以继续请求插入DPC对象到DPC队列中。

    DPC对象从最终用户角度有两种：DpcForIsr和CustomDPC。前者是与设备驱动对象(Device Object)绑定的；后者则由驱动自行维护。但从实现上来说，只有一种DPC对象存在，DpcForIsr所涉及的维护函数，实际上都是对CustomDPC的一个封装而已。

    我们首先来看看初始化DPC对象的实现。KeInitializeDpc函数(ntos\ke\dpcobj.c:39)完成具体的DPC对象的初始化，实际上就是填充一个内存结构KDPC(ntos\inc\ntosdef.h:331)。

以下为引用：
//
// Deferred Procedure Call (DPC) object
//

typedef struct _KDPC {
    CSHORT Type;
    UCHAR Number;
    UCHAR Importance;
    LIST_ENTRY DpcListEntry;
    PKDEFERRED_ROUTINE DeferredRoutine;
    PVOID DeferredContext;
    PVOID SystemArgument1;
    PVOID SystemArgument2;
    PULONG_PTR Lock;
} KDPC, *PKDPC, *RESTRICTED_POINTER PRKDPC;

    Type 表示此内核对象的类型，在KOBJECTS枚举类型(ntos\inc\ke.h:122)中定义，缺省为 DpcObject = 0x13。此外WinXP/2003新增了一种ThreadedDpcObject = 0x18
    Number 在多处理器环境下用于指定此DPC对象加入到哪个处理器的DPC队列中，我们等会讨论多处理器时详细描述。缺省为 0
    Importance 表示此DPC对象的重要性，在KDPC_IMPORTANCE枚举类型(ntos\inc\ntosdef.h:321)中定义，缺省为 MediumImportance = 1
    DpcListEntry 是用于维护DPC队列的链表指针
    DeferredRoutine 是此DPC对象绑定的回调函数，后面DeferredContext、SystemArgument1和SystemArgument2分别是此回调函数被调用时的参数。如ISR中调用IoRequestDpc时，后面两个参数就用于传递Irp和Context参数给DPC的回调函数。
    Lock 保存此DPC对象所在DPC队列的自旋锁，用于锁定DPC队列，同时也用于判断此DPC对象是否被加入到一个DPC队列中。

    了解了KDPC对象的结构，实际上维护代码就非常简单了。KeInitializeDpc函数将KDPC对象结构初始化为初值；IoInitializeDpcRequest函数则只是对KeInitializeDpc函数的一个简单包装，如下

以下为引用：
#define IoInitializeDpcRequest( DeviceObject, DpcRoutine ) (\
    KeInitializeDpc( &(DeviceObject)->Dpc,                  \
                     (PKDEFERRED_ROUTINE) (DpcRoutine),     \
                     (DeviceObject) ) )

    注意WinXP/2003下实际上KeInitializeDpc函数和KeInitializeThreadedDpc函数都是由一个KiInitializeDpc函数完成具体工作的，只是传递的最后一个参数定义的对象类型不同。

    KeInsertQueueDpc函数(ntos\ke\dpcobj.c:89)实际上是系统对DPC队列维护的核心函数，其伪代码如下：

以下为引用：
BOOLEAN KeInsertQueueDpc (IN PRKDPC Dpc, IN PVOID SystemArgument1,IN PVOID SystemArgument2)
{
  PKSPIN_LOCK Lock;
  KIRQL OldIrql;

  KeRaiseIrql(HIGH_LEVEL, &OldIrql);  // 提升当前IRQL到最高，屏蔽其它中断

  PKPRCB = KeGetCurrentPrcb();        // 获取当前处理器控制块

  // 通过比较Dpc->Lock是否为空，来判断此DPC对象是否已经被加入到DPC队列；
  // 如果DPC对象可以被加入到队列，则将当前处理器控制块的DPC自旋锁复制到Dpc->Lock中
  if ((Lock = InterlockedCompareExchangePointer(&Dpc->Lock, &Prcb->DpcLock, NULL)) == NULL)
  {
    // 更新当前处理器控制块的统计信息
    Prcb->DpcCount += 1;
    Prcb->DpcQueueDepth += 1;

    // 更新DPC对象的参数信息
    Dpc->SystemArgument1 = SystemArgument1;
    Dpc->SystemArgument2 = SystemArgument2;

    // 根据DPC对象优先级，决定将之加入到DPC队列的头部或尾部
    if (Dpc->Importance == HighImportance)
        InsertHeadList(&Prcb->DpcListHead, &Dpc->DpcListEntry);
    else
        InsertTailList(&Prcb->DpcListHead, &Dpc->DpcListEntry);

    // 如果当前处理器没有DPC对象活动或DPC中断请求，则进一步判断是否发出DPC中断请求
    if (Prcb->DpcRoutineActive == FALSE && Prcb->DpcInterruptRequested == FALSE)
    {
      // 如果DPC对象优先级为中高；
      // 或者DPC队列长度超过阈值MaximumDpcQueueDepth；
      // 或者DPC请求速率小于阈值MinimumDpcRate
      if ((Dpc->Importance != LowImportance) ||
          (Prcb->DpcQueueDepth >= Prcb->MaximumDpcQueueDepth) ||
          (Prcb->DpcRequestRate < Prcb->MinimumDpcRate))
      {
        // 满足触发条件，则发出DPC中断请求
        Prcb->DpcInterruptRequested = TRUE;
        KiRequestSoftwareInterrupt(DISPATCH_LEVEL);
      }
    }
  }
  KeLowerIrql(OldIrql);
  return (Lock == NULL);
}

    这里的几个阈值，在KiInitializeKernel函数(ntos\ke\i386\kernlini.c:246)中，根据全局变量KiMaximumDpcQueueDepth、KiMinimumDpcRate和KiAdjustDpcThreshold确定。而这几个全局变量可以通过注册表项(HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager\kernel\)下的DpcQueueDepth、MinimumDpcRate和AdjustDpcThreshold三个键值来设置。具体的设置方法，请参考MSDN以及性能计数器的Processor\% DPC Time等动态指数。

    而处理与驱动绑定的DPC对象的IoRequestDpc函数只是KeInsertQueueDpc函数的一个简单包装。

以下为引用：
#define IoRequestDpc( DeviceObject, Irp, Context ) ( \
    KeInsertQueueDpc( &(DeviceObject)->Dpc, (Irp), (Context) ) )

    与KeInsertQueueDpc函数对应的KeRemoveQueueDpc函数(ntos\ke\dpcobj.c:272)实际上只是完成简单的将DPC对象从DPC队列中删除的功能。

    最后对DPC对象属性进行修改的KeSetImportanceDpc函数(ntos\ke\dpcobj.c:367)和KeSetTargetProcessorDpc函数(ntos\ke\dpcobj.c:401)实际上都是直接修改DPC对象结构的相应域。KDPC::Number大于MAXIMUM_PROCESSORS = 32时，用于指定DPC对象的目标CPU。如调用KeSetTargetProcessorDpc(pKDpc, 2)后，pKDpc = MAXIMUM_PROCESSORS + 2。

    在了解了DPC对象和DPC队列的大致维护函数功能后，我们来看看稍微复杂一些的在多处理器下DPC队列的维护流程。

    前面提到KDPC::Number指定了DPC对象所用的处理器号，因此在KeInsertQueueDpc函数开始获取处理器控制块时，需要判断Number是否指向一个处理器，并从全局处理器控制块列表中获取相应的处理器控制块，为代码如下：

以下为引用：
if (Dpc->Number >= MAXIMUM_PROCESSORS)  // Number大于MAXIMUM_PROCESSORS时用于指定处理器
{
  Processor = Dpc->Number - MAXIMUM_PROCESSORS;
  Prcb = KiProcessorBlock[Processor];   // 全局唯一的处理器控制块列表

}
else
{
  Prcb = KeGetCurrentPrcb();
}

KiAcquireSpinLock(&Prcb->DpcLock);      // 使用自旋锁保护处理器控制块中的DPC队列

    而在KeInsertQueueDpc函数中判断是否发出DPC中断请求时，也需要做更复杂的逻辑判断。
    对DPC对象目标处理器就是当前处理器的情况，可以和前面单处理器时一样处理，直接发送DPC中断请求；但对于DPC对象目标处理器是其他处理器的情况，就必须使用KiIpiSend函数发送IPI(InterProcessor Interrupt)中断，通知目标处理器执行动作。此IPI中断是介于系统掉电中断(POWER_LEVEL)和时钟中断之间的特殊IRQL，专门用于在多处理器情况下协调多个处理器的工作。
    此外就是在多处理器情况下，各种对DPC队列的操作都需要用此处理器控制块的DPC队列自旋锁保护起来，避免同步问题。

    由此我们可以看到，实际上DPC队列是每个处理器一个的，我们完全可以将某个DPC对象绑定到某个处理器上，实现类似线程亲缘性(Thread Affinity)的效果，优化在多处理器环境下的性能。但这同时也带来一个问题，就是ISR程序可以和DPC回调函数同时被调用，某种程度上也造成了开发复杂度的增加，具体处理方法请参考DDK中相关文档。

    Kernel-Mode Driver Architecture\Design Guide\Servicing Interrupts\DPC Objects and DPCs

本文地址：http://com.8s8s.com/it/it1072.htm