摘要
臨界區(qū)是一種防止多個線程同時執(zhí)行一個特定代碼節(jié)的機制，這一主題并沒有引起太多關(guān)注，因而人們未能對其深刻理解。在需要跟蹤代碼中的多線程處理的性能時，對 Windows 中臨界區(qū)的深刻理解非常有用。 本文深入研究臨界區(qū)的原理，以揭示在查找死鎖和確認(rèn)性能問題過程中的有用信息。它還包含一個便利的實用工具程序，可以顯示所有臨界區(qū)及其當(dāng)前狀態(tài)。
在我們許多年的編程實踐中，對于 Win32® 臨界區(qū)沒有受到非常多的“under the hood”關(guān)注而感到非常奇怪。當(dāng)然，您可能了解有關(guān)臨界區(qū)初始化與使用的基礎(chǔ)知識，但您是否曾經(jīng)花費時間來深入研究 WINNT.H 中所定義的 CRITICAL_SECTION 結(jié)構(gòu)呢？在這一結(jié)構(gòu)中有一些非常有意義的好東西被長期忽略。我們將對此進(jìn)行補充，并向您介紹一些很有意義的技巧，這些技巧對于跟蹤那些難以察覺的多線程處理錯誤非常有用。更重要的是，使用我們的 MyCriticalSections 實用工具，可以明白如何對 CRITICAL_SECTION 進(jìn)行微小地擴展，以提供非常有用的特性，這些特性可用于調(diào)試和性能調(diào)整（要下載完整代碼，參見本文頂部的鏈接）。
老實說，作者們經(jīng)常忽略 CRITICAL_SECTION 結(jié)構(gòu)的部分原因在于它在以下兩個主要 Win32 代碼庫中的實現(xiàn)有很大不同：Microsoft® Windows® 95 和 Windows NT®。人們知道這兩種代碼庫都已經(jīng)發(fā)展出大量后續(xù)版本（其最新版本分別為 Windows Me 和 Windows XP），但沒有必要在此處將其一一列出。關(guān)鍵在于 Windows XP 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展得非常完善，開發(fā)商可能很快就會停止對 Windows 95 系列操作系統(tǒng)的支持。我們在本文中就是這么做的。
誠然，當(dāng)今最受關(guān)注的是 Microsoft .NET Framework，但是良好的舊式 Win32 編程不會很快消失。如果您擁有采用了臨界區(qū)的現(xiàn)有 Win32 代碼，您會發(fā)現(xiàn)我們的工具以及對臨界區(qū)的說明都非常有用。但是請注意，我們只討論 Windows NT 及其后續(xù)版本，而沒有涉及與 .NET 相關(guān)的任何內(nèi)容，這一點非常重要。
臨界區(qū)：簡述
如果您非常熟悉臨界區(qū)，并可以不假思索地進(jìn)行應(yīng)用，那就可以略過本節(jié)。否則，請向下閱讀，以對這些內(nèi)容進(jìn)行快速回顧。如果您不熟悉這些基礎(chǔ)內(nèi)容，則本節(jié)之后的內(nèi)容就沒有太大意義。
臨界區(qū)是一種輕量級機制，在某一時間內(nèi)只允許一個線程執(zhí)行某個給定代碼段。通常在修改全局?jǐn)?shù)據(jù)（如集合類）時會使用臨界區(qū)。事件、多用戶終端執(zhí)行程序和信號量也用于多線程同步，但臨界區(qū)與它們不同，它并不總是執(zhí)行向內(nèi)核模式的控制轉(zhuǎn)換，這一轉(zhuǎn)換成本昂貴。稍后將會看到，要獲得一個未占用臨界區(qū)，事實上只需要對內(nèi)存做出很少的修改，其速度非常快。只有在嘗試獲得已占用臨界區(qū)時，它才會跳至內(nèi)核模式。這一輕量級特性的缺點在于臨界區(qū)只能用于對同一進(jìn)程內(nèi)的線程進(jìn)行同步。
臨界區(qū)由 WINNT.H 中所定義的 RTL_CRITICAL_SECTION 結(jié)構(gòu)表示。因為您的 C++ 代碼通常聲明一個 CRITICAL_SECTION 類型的變量，所以您可能對此并不了解。研究 WINBASE.H 后您會發(fā)現(xiàn)：
typedef RTL_CRITICAL_SECTION CRITICAL_SECTION;
我們將在短時間內(nèi)揭示 RTL_CRITICAL_SECTION 結(jié)構(gòu)的實質(zhì)。此時，重要問題在于 CRITICAL_SECTION（也稱作 RTL_CRITICAL_SECTION）只是一個擁有易訪問字段的結(jié)構(gòu)，這些字段可以由 KERNEL32 API 操作。
在將臨界區(qū)傳遞給 InitializeCriticalSection 時（或者更準(zhǔn)確地說，是在傳遞其地址時），臨界區(qū)即開始存在。初始化之后，代碼即將臨界區(qū)傳遞給 EnterCriticalSection 和 LeaveCriticalSection API。一個線程自 EnterCriticalSection 中返回后，所有其他調(diào)用 EnterCriticalSection 的線程都將被阻止，直到第一個線程調(diào)用 LeaveCriticalSection 為止。最后，當(dāng)不再需要該臨界區(qū)時，一種良好的編碼習(xí)慣是將其傳遞給 DeleteCriticalSection。
在臨界區(qū)未被使用的理想情況中，對 EnterCriticalSection 的調(diào)用非常快速，因為它只是讀取和修改用戶模式內(nèi)存中的內(nèi)存位置。否則（在后文將會遇到一種例外情況），阻止于臨界區(qū)的線程有效地完成這一工作，而不需要消耗額外的 CPU 周期。所阻止的線程以內(nèi)核模式等待，在該臨界區(qū)的所有者將其釋放之前，不能對這些線程進(jìn)行調(diào)度。如果有多個線程被阻止于一個臨界區(qū)中，當(dāng)另一線程釋放該臨界區(qū)時，只有一個線程獲得該臨界區(qū)。
深入研究：RTL_CRITICAL_SECTION 結(jié)構(gòu)
即使您已經(jīng)在日常工作中使用過臨界區(qū)，您也非常可能并沒有真正了解超出文檔之外的內(nèi)容。事實上存在著很多非常容易掌握的內(nèi)容。例如，人們很少知道一個進(jìn)程的臨界區(qū)是保存于一個鏈表中，并且可以對其進(jìn)行枚舉。實際上，WINDBG 支持 !locks 命令，這一命令可以列出目標(biāo)進(jìn)程中的所有臨界區(qū)。我們稍后將要談到的實用工具也應(yīng)用了臨界區(qū)這一鮮為人知的特征。為了真正理解這一實用工具如何工作，有必要真正掌握臨界區(qū)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。記著這一點，現(xiàn)在開始研究 RTL_CRITICAL_SECTION 結(jié)構(gòu)。為方便起見，將此結(jié)構(gòu)列出如下：
struct RTL_CRITICAL_SECTION
{
PRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG DebugInfo;
LONG LockCount;
LONG RecursionCount;
HANDLE OwningThread;
HANDLE LockSemaphore;
ULONG_PTR SpinCount;
};
以下各段對每個字段進(jìn)行說明。
DebugInfo 此字段包含一個指針，指向系統(tǒng)分配的伴隨結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的類型為 RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG。這一結(jié)構(gòu)中包含更多極有價值的信息，也定義于 WINNT.H 中。我們稍后將對其進(jìn)行更深入地研究。
LockCount 這是臨界區(qū)中最重要的一個字段。它被初始化為數(shù)值 -1；此數(shù)值等于或大于 0 時，表示此臨界區(qū)被占用。當(dāng)其不等于 -1 時，OwningThread 字段（此字段被錯誤地定義于 WINNT.H 中 — 應(yīng)當(dāng)是 DWORD 而不是 HANDLE）包含了擁有此臨界區(qū)的線程 ID。此字段與 (RecursionCount -1) 數(shù)值之間的差值表示有多少個其他線程在等待獲得該臨界區(qū)。
RecursionCount 此字段包含所有者線程已經(jīng)獲得該臨界區(qū)的次數(shù)。如果該數(shù)值為零，下一個嘗試獲取該臨界區(qū)的線程將會成功。
OwningThread 此字段包含當(dāng)前占用此臨界區(qū)的線程的線程標(biāo)識符。此線程 ID 與 GetCurrentThreadId 之類的 API 所返回的 ID 相同。
LockSemaphore 此字段的命名不恰當(dāng)，它實際上是一個自復(fù)位事件，而不是一個信號。它是一個內(nèi)核對象句柄，用于通知操作系統(tǒng)：該臨界區(qū)現(xiàn)在空閑。操作系統(tǒng)在一個線程第一次嘗試獲得該臨界區(qū)，但被另一個已經(jīng)擁有該臨界區(qū)的線程所阻止時，自動創(chuàng)建這樣一個句柄。應(yīng)當(dāng)調(diào)用 DeleteCriticalSection（它將發(fā)出一個調(diào)用該事件的 CloseHandle 調(diào)用，并在必要時釋放該調(diào)試結(jié)構(gòu)），否則將會發(fā)生資源泄漏。
SpinCount 僅用于多處理器系統(tǒng)。MSDN® 文檔對此字段進(jìn)行如下說明：“在多處理器系統(tǒng)中，如果該臨界區(qū)不可用，調(diào)用線程將在對與該臨界區(qū)相關(guān)的信號執(zhí)行等待操作之前，旋轉(zhuǎn) dwSpinCount 次。如果該臨界區(qū)在旋轉(zhuǎn)操作期間變?yōu)榭捎茫撜{(diào)用線程就避免了等待操作。”旋轉(zhuǎn)計數(shù)可以在多處理器計算機上提供更佳性能，其原因在于在一個循環(huán)中旋轉(zhuǎn)通常要快于進(jìn)入內(nèi)核模式等待狀態(tài)。此字段默認(rèn)值為零，但可以用 InitializeCriticalSectionAndSpinCount API 將其設(shè)置為一個不同值。
RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG 結(jié)構(gòu)
前面我們注意到，在 RTL_CRITICAL_SECTION 結(jié)構(gòu)內(nèi)，DebugInfo 字段指向一個 RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)給出如下：
struct _RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG
{
WORD Type;
WORD CreatorBackTraceIndex;
RTL_CRITICAL_SECTION *CriticalSection;
LIST_ENTRY ProcessLocksList;
DWORD EntryCount;
DWORD ContentionCount;
DWORD Spare[ 2 ];
}
這一結(jié)構(gòu)由 InitializeCriticalSection 分配和初始化。它既可以由 NTDLL 內(nèi)的預(yù)分配數(shù)組分配，也可以由進(jìn)程堆分配。RTL_CRITICAL_SECTION 的這一伴隨結(jié)構(gòu)包含一組匹配字段，具有迥然不同的角色：有兩個難以理解，隨后兩個提供了理解這一臨界區(qū)鏈結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，兩個是重復(fù)設(shè)置的，最后兩個未使用。
下面是對 RTL_CRITICAL_SECTION 字段的說明。
Type 此字段未使用，被初始化為數(shù)值 0。
CreatorBackTraceIndex 此字段僅用于診斷情形中。在注冊表項 HKLM\Software\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\Image File Execution Options\YourProgram 之下是 keyfield、GlobalFlag 和 StackTraceDatabaseSizeInMb 值。注意，只有在運行稍后說明的 Gflags 命令時才會顯示這些值。這些注冊表值的設(shè)置正確時，CreatorBackTraceIndex 字段將由堆棧跟蹤中所用的一個索引值填充。在 MSDN 中搜索 GFlags 文檔中的短語“create user mode stack trace database”和“enlarging the user-mode stack trace database”，可以找到有關(guān)這一內(nèi)容的更多信息。
CriticalSection 指向與此結(jié)構(gòu)相關(guān)的 RTL_CRITICAL_SECTION。圖 1 說明該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及 RTL_CRITICAL_SECTION、RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG 和事件鏈中其他參與者之間的關(guān)系。
圖 1 臨界區(qū)處理流程
ProcessLocksList LIST_ENTRY 是用于表示雙向鏈表中節(jié)點的標(biāo)準(zhǔn) Windows 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG 包含了鏈表的一部分，允許向前和向后遍歷該臨界區(qū)。本文后面給出的實用工具說明如何使用 Flink（前向鏈接）和 Blink（后向鏈接）字段在鏈表中的成員之間移動。任何從事過設(shè)備驅(qū)動程序或者研究過 Windows 內(nèi)核的人都會非常熟悉這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
EntryCount/ContentionCount 這些字段在相同的時間、出于相同的原因被遞增。這是那些因為不能馬上獲得臨界區(qū)而進(jìn)入等待狀態(tài)的線程的數(shù)目。與 LockCount 和 RecursionCount 字段不同，這些字段永遠(yuǎn)都不會遞減。
Spares 這兩個字段未使用，甚至未被初始化（盡管在刪除臨界區(qū)結(jié)構(gòu)時將這些字段進(jìn)行了清零）。后面將會說明，可以用這些未被使用的字段來保存有用的診斷值。
即使 RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG 中包含多個字段，它也是常規(guī)臨界區(qū)結(jié)構(gòu)的必要成分。事實上，如果系統(tǒng)恰巧不能由進(jìn)程堆中獲得這一結(jié)構(gòu)的存儲區(qū)，InitializeCriticalSection 將返回為 STATUS_NO_MEMORY 的 LastError 結(jié)果，然后返回處于不完整狀態(tài)的臨界區(qū)結(jié)構(gòu)。
臨界區(qū)狀態(tài)
當(dāng)程序執(zhí)行、進(jìn)入與離開臨界區(qū)時，RTL_CRITICAL_SECTION 和 RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG 結(jié)構(gòu)中的字段會根據(jù)臨界區(qū)所處的狀態(tài)變化。這些字段由臨界區(qū) API 中的簿記代碼更新，在后面將會看到這一點。如果程序為多線程，并且其線程訪問是由臨界區(qū)保護的公用資源，則這些狀態(tài)就更有意義。
但是，不管代碼的線程使用情況如何，有兩種狀態(tài)都會出現(xiàn)。第一種情況，如果 LockCount 字段有一個不等于 -1 的數(shù)值，此臨界區(qū)被占用，OwningThread 字段包含擁有該臨界區(qū)的線程的線程標(biāo)識符。在多線程程序中，LockCount 與 RecursionCount 聯(lián)合表明當(dāng)前有多少線程被阻止于該臨界區(qū)。第二種情況，如果 RecursionCount 是一個大于 1 的數(shù)值，其告知您所有者線程已經(jīng)重新獲得該臨界區(qū)多少次（也許不必要），該臨界區(qū)既可以通過調(diào)用 EnterCriticalSection、也可以通過調(diào)用 TryEnterCriticalSection 獲得。大于 1 的任何數(shù)值都表示代碼的效率可能較低或者可能在以后發(fā)生錯誤。例如，訪問公共資源的任何 C++ 類方法可能會不必要地重新進(jìn)入該臨界區(qū)。
注意，在大多數(shù)時間里，LockCount 與 RecursionCount 字段中分別包含其初始值 -1 和 0，這一點非常重要。事實上，對于單線程程序，不能僅通過檢查這些字段來判斷是否曾獲得過臨界區(qū)。但是，多線程程序留下了一些標(biāo)記，可以用來判斷是否有兩個或多個線程試圖同時擁有同一臨界區(qū)。
您可以找到的標(biāo)記之一是即使在該臨界區(qū)未被占用時 LockSemaphore 字段中仍包含一個非零值。這表示：在某一時間，此臨界區(qū)阻止了一個或多個線程 — 事件句柄用于通知該臨界區(qū)已被釋放，等待該臨界區(qū)的線程之一現(xiàn)在可以獲得該臨界區(qū)并繼續(xù)執(zhí)行。因為 OS 在臨界區(qū)阻止另一個線程時自動分配事件句柄，所以如果您在不再需要臨界區(qū)時忘記將其刪除，LockSemaphore 字段可能會導(dǎo)致程序中發(fā)生資源泄漏。
在多線程程序中可能遇到的另一狀態(tài)是 EntryCount 和 ContentionCount 字段包含一個大于零的數(shù)值。這兩個字段保存有臨界區(qū)對一個線程進(jìn)行阻止的次數(shù)。在每次發(fā)生這一事件時，這兩個字段被遞增，但在臨界區(qū)存在期間不會被遞減。這些字段可用于間接確定程序的執(zhí)行路徑和特性。例如，EntryCount 非常高時則意味著該臨界區(qū)經(jīng)歷著大量爭用，可能會成為代碼執(zhí)行過程中的一個潛在瓶頸。
在研究一個死鎖程序時，還會發(fā)現(xiàn)一種似乎無法進(jìn)行邏輯解釋的狀態(tài)。一個使用非常頻繁的臨界區(qū)的 LockCount 字段中包含一個大于 -1 的數(shù)值，也就是說它被線程所擁有，但是 OwningThread 字段為零（這樣就無法找出是哪個線程導(dǎo)致問題）。測試程序是多線程的，在單處理器計算機和多處理器計算機中都會出現(xiàn)這種情況。盡管 LockCount 和其他值在每次運行中都不同，但此程序總是死鎖于同一臨界區(qū)。我們非常希望知道是否有任何其他開發(fā)人員也遇到了導(dǎo)致這一狀態(tài)的 API 調(diào)用序列。
構(gòu)建一個更好的捕鼠器
在我們學(xué)習(xí)臨界區(qū)的工作方式時，非常偶然地得到一些重要發(fā)現(xiàn)，利用這些發(fā)現(xiàn)可以得到一個非常好的實用工具。第一個發(fā)現(xiàn)是 ProcessLocksList LIST_ENTRY 字段的出現(xiàn)，這使我們想到進(jìn)程的臨界區(qū)可能是可枚舉的。另一個重大發(fā)現(xiàn)是我們知道了如何找出臨界區(qū)列表的頭。還有一個重要發(fā)現(xiàn)是可以在沒有任何損失的情況下寫 RTL_CRITICAL_SECTION 的 Spare 字段（至少在我們的所有測試中如此）。我們還發(fā)現(xiàn)可以很容易地重寫系統(tǒng)的一些臨界區(qū)例程，而不需要對源文件進(jìn)行任何修改。
最初，我們由一個簡單的程序開始，其檢查一個進(jìn)程中的所有臨界區(qū)，并列出其當(dāng)前狀態(tài)，以查看是否擁有這些臨界區(qū)。如果擁有，則找出由哪個線程擁有，以及該臨界區(qū)阻止了多少個線程？這種做法對于 OS 的狂熱者們比較適合，但對于只是希望有助于理解其程序的典型的程序員就不是非常有用了。
即使是在最簡單的控制臺模式“Hello World”程序中也存在許多臨界區(qū)。其中大部分是由 USER32 或 GDI32 之類的系統(tǒng) DLL 創(chuàng)建，而這些 DLL 很少會導(dǎo)致死鎖或性能問題。我們希望有一種方法能濾除這些臨界區(qū)，而只留下代碼中所關(guān)心的那些臨界區(qū)。RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG 結(jié)構(gòu)中的 Spare 字段可以很好地完成這一工作。可以使用其中的一個或兩個來指示：這些臨界區(qū)是來自用戶編寫的代碼，而不是來自 OS。
于是，下一個邏輯問題就變?yōu)槿绾未_定哪些臨界區(qū)是來自您編寫的代碼。有些讀者可能還記得 Matt Pietrek 2001 年 1 月的 Under The Hood 專欄中的 LIBCTINY.LIB。LIBCTINY 所采用的一個技巧是一個 LIB 文件，它重寫了關(guān)鍵 Visual C++ 運行時例程的標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)。將 LIBCTINY.LIB 文件置于鏈接器行的其他 LIB 之前，鏈接器將使用這一實現(xiàn)，而不是使用 Microsoft 所提供的導(dǎo)入庫中的同名后續(xù)版本。
為對臨界區(qū)應(yīng)用類似技巧，我們創(chuàng)建 InitializeCriticalSection 的一個替代版本及其相關(guān)導(dǎo)入庫。將此 LIB 文件置于 KERNEL32.LIB 之前，鏈接器將鏈接我們的版本，而不是 KERNEL32 中的版本。對 InitializeCriticalSection 的實現(xiàn)顯示在圖 2 中。此代碼在概念上非常簡單。它首先調(diào)用 KERNEL32.DLL 中的實際 InitializeCriticalSection。接下來，它獲得調(diào)用 InitializeCriticalSection 的代碼地址，并將其貼至 RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG 結(jié)構(gòu)的備用字段之一。我們的代碼如何確定調(diào)用代碼的地址呢？x86 CALL 指令將返回地址置于堆棧中。CriticalSectionHelper 代碼知道該返回地址位于堆棧幀中一個已知的固定位置。
實際結(jié)果是：與 CriticalSectionHelper.lib 正確鏈接的任何 EXE 或 DLL 都將導(dǎo)入我們的 DLL (CriticalSectionHelper.DLL)，并占用應(yīng)用了備用字段的臨界區(qū)。這樣就使事情簡單了許多。現(xiàn)在我們的實用工具可以簡單地遍歷進(jìn)程中的所有臨界區(qū)，并且只顯示具有正確填充的備用字段的臨界區(qū)信息。那么需要為這一實用工具付出什么代價呢？請稍等，還有更多的內(nèi)容！
因為您的所有臨界區(qū)現(xiàn)在都包含對其進(jìn)行初始化時的地址，實用工具可以通過提供其初始化地址來識別各個臨界區(qū)。原始代碼地址本身沒有那么有用。幸運的是，DBGHELP.DLL 使代碼地址向源文件、行號和函數(shù)名稱的轉(zhuǎn)換變得非常容易。即使一個臨界區(qū)中沒有您在其中的簽名，也可以將其地址提交給 DBGHELP.DLL。如果將其聲明為一個全局變量，并且如果符號可用，則您就可以在原始源代碼中確定臨界區(qū)的名稱。順便說明一下，如果通過設(shè)置 _NT_SYMBOL_PATH 環(huán)境變量，并設(shè)置 DbgHelp 以使用其 Symbol Server 下載功能，從而使 DbgHelp 發(fā)揮其效用，則會得到非常好的結(jié)果。
MyCriticalSections 實用工具
我們將所有這些思想結(jié)合起來，提出了 MyCriticalSections 程序。MyCriticalSections 是一個命令行程序，在不使用參數(shù)運行該程序時可以看到一些選項：
Syntax: MyCriticalSections <PID> [options]
Options:
/a = all critical sections
/e = show only entered critical sections
/v = verbose
唯一需要的參數(shù)是 Program ID 或 PID（十進(jìn)制形式）。可以用多種方法獲得 PID，但最簡單的方法可能就是通過 Task Manager。在沒有其他選項時，MyCriticalSections 列出了來自代碼模塊的所有臨界區(qū)狀態(tài)，您已經(jīng)將 CriticalSectionHelper.DLL 鏈接至這些代碼模塊。如果有可用于這一（些）模塊的符號，代碼將嘗試提供該臨界區(qū)的名稱，以及對其進(jìn)行初始化的位置。
要查看 MyCriticalSections 是如何起作用的，請運行 Demo.EXE 程序，該程序包含在下載文件中。Demo.EXE 只是初始化兩個臨界區(qū)，并由一對線程進(jìn)入這兩個臨界區(qū)。圖 3 顯示運行“MyCriticalSections 2040”的結(jié)果（其中 2040 為 Demo.EXE 的 PID）。
在該圖中，列出了兩個臨界區(qū)。在本例中，它們被命名為 csMain 和 yetAnotherCriticalSection。每個“Address:”行顯示了 CRITICAL_SECTION 的地址及其名稱。“Initialized in”行包含了在其中初始化 CRITICAL_SECTION 的函數(shù)名。代碼的“Initialized at”行顯示了源文件和初始化函數(shù)中的行號。
對于 csMain 臨界區(qū)，您將看到鎖定數(shù)為 0、遞歸數(shù)為 1，表示一個已經(jīng)被一線程獲得的臨界區(qū)，并且沒有其他線程在等待該臨界區(qū)。因為從來沒有線程被阻止于該臨界區(qū)，所以 Entry Count 字段為 0。
現(xiàn)在來看 yetAnotherCriticalSection，會發(fā)現(xiàn)其遞歸數(shù)為 3。快速瀏覽 Demo 代碼可以看出：主線程調(diào)用 EnterCriticalSection 三次，所以事情的發(fā)生與預(yù)期一致。但是，還有一個第二線程試圖獲得該臨界區(qū)，并且已經(jīng)被阻止。同樣，LockCount 字段也為 3。此輸出顯示有一個等待線程。
MyCriticalSections 擁有一些選項，使其對于更為勇敢的探索者非常有用。/v 開關(guān)顯示每個臨界區(qū)的更多信息。旋轉(zhuǎn)數(shù)與鎖定信號字段尤為重要。您經(jīng)常會看到 NTDLL 和其他 DLL 擁有一些旋轉(zhuǎn)數(shù)非零的臨界區(qū)。如果一個線程在獲得臨界區(qū)的過程中曾被鎖定，則鎖定信號字段為非零值。/v 開關(guān)還顯示了 RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG 結(jié)構(gòu)中備用字段的內(nèi)容。
/a 開關(guān)顯示進(jìn)程中的所有臨界區(qū)，即使其中沒有 CriticalSectionHelper.DLL 簽名也會顯示。如果使用 /a，則請做好有大量輸出的準(zhǔn)備。真正的黑客希望同時使用 /a 和 /v，以顯示進(jìn)程中全部內(nèi)容的最多細(xì)節(jié)。使用 /a 的一個小小的好處是會看到 NTDLL 中的LdrpLoaderLock 臨界區(qū)。此臨界區(qū)在 DllMain 調(diào)用和其他一些重要時間內(nèi)被占用。LdrpLoaderLock 是許多不太明顯、表面上難以解釋的死鎖的形成原因之一。（為使 MyCriticalSection 能夠正確標(biāo)記 LdrpLoaderLock 實例，需要用于 NTDLL 的 PDB 文件可供使用。）
/e 開關(guān)使程序僅顯示當(dāng)前被占用的臨界區(qū)。未使用 /a 開關(guān)時，只顯示代碼中被占用的臨界區(qū)（如備用字段中的簽名所指示）。采用 /a 開關(guān)時，將顯示進(jìn)程中的全部被占用臨界區(qū)，而不考慮其來源。
那么，希望什么時候運行 MyCriticalSections 呢？一個很明確的時間是在程序被死鎖時。檢查被占用的臨界區(qū)，以查看是否有什么使您驚訝的事情。即使被死鎖的程序正運行于調(diào)試器的控制之下，也可以使用 MyCriticalSections。
另一種使用 MyCriticalSections 的時機是在對有大量多線程的程序進(jìn)行性能調(diào)整時。在阻塞于調(diào)試器中的一個使用頻繁、非重入函數(shù)時，運行 MyCriticalSections，查看在該時刻占用了哪些臨界區(qū)。如果有很多線程都執(zhí)行相同任務(wù)，就非常容易導(dǎo)致一種情形：一個線程的大部分時間被消耗在等待獲得一個使用頻繁的臨界區(qū)上。如果有多個使用頻繁的臨界區(qū)，這造成的后果就像花園的澆水軟管打了結(jié)一樣。解決一個爭用問題只是將問題轉(zhuǎn)移到下一個容易造成阻塞的臨界區(qū)。
一個查看哪些臨界區(qū)最容易導(dǎo)致爭用的好方法是在接近程序結(jié)尾處設(shè)置一個斷點。在遇到斷點時，運行 MyCriticalSections 并查找具有最大 Entry Count 值的臨界區(qū)。正是這些臨界區(qū)導(dǎo)致了大多數(shù)阻塞和線程轉(zhuǎn)換。
盡管 MyCriticalSections 運行于 Windows 2000 及更新版本，但您仍需要一個比較新的 DbgHelp.DLL 版本 － 5.1 版或更新版本。Windows XP 中提供這一版本。也可以由其他使用 DbgHelp 的工具中獲得該版本。例如，Debugging Tools For Windows 下載中通常擁有最新的 DbgHelp.DLL。
深入研究重要的臨界區(qū)例程
此最后一節(jié)是為那些希望理解臨界區(qū)實現(xiàn)內(nèi)幕的勇敢讀者提供的。對 NTDLL 進(jìn)行仔細(xì)研究后可以為這些例程及其支持子例程創(chuàng)建偽碼（見下載中的 NTDLL(CriticalSections).cpp）。以下 KERNEL32 API 組成臨界區(qū)的公共接口：
InitializeCriticalSection
InitializeCriticalSectionAndSpinCount
DeleteCriticalSection
TryEnterCriticalSection
EnterCriticalSection
LeaveCriticalSection
前兩個 API 只是分別圍繞 NTDLL API RtlInitializeCriticalSection 和 RtlInitializeCriticalSectionAndSpinCount 的瘦包裝。所有剩余例程都被提交給 NTDLL 中的函數(shù)。另外，對 RtlInitializeCriticalSection 的調(diào)用是另一個圍繞 RtlInitializeCriticalSectionAndSpinCount 調(diào)用的瘦包裝，其旋轉(zhuǎn)數(shù)的值為 0。使用臨界區(qū)的時候?qū)嶋H上是在幕后使用以下 NTDLL API：
RtlInitializeCriticalSectionAndSpinCount
RtlEnterCriticalSection
RtlTryEnterCriticalSection
RtlLeaveCriticalSection
RtlDeleteCriticalSection
在這一討論中，我們采用 Kernel32 名稱，因為大多數(shù) Win32 程序員對它們更為熟悉。
InitializeCriticalSectionAndSpinCount 對臨界區(qū)的初始化非常簡單。RTL_CRITICAL_SECTION 結(jié)構(gòu)中的字段被賦予其起始值。與此類似，分配 RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG 結(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行初始化，將 RtlLogStackBackTraces 調(diào)用中的返回值賦予 CreatorBackTraceIndex，并建立到前面臨界區(qū)的鏈接。
順便說一聲，CreatorBackTraceIndex 一般接收到的值為 0。但是，如果有 Gflags 和 Umdh 實用工具，可以輸入以下命令：
Gflags /i MyProgram.exe +ust
Gflags /i MyProgram.exe /tracedb 24
這些命令使得 MyProgram 的“Image File Execution Options”下添加了注冊表項。在下一次執(zhí)行 MyProgram 時會看到此字段接收到一個非 0 數(shù)值。有關(guān)更多信息，參閱知識庫文章 Q268343“Umdhtools.exe:How to Use Umdh.exe to Find Memory Leaks”。臨界區(qū)初始化中另一個需要注意的問題是：前 64 個 RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG 結(jié)構(gòu)不是由進(jìn)程堆中分配，而是來自位于 NTDLL 內(nèi)的 .data 節(jié)的一個數(shù)組。
在完成臨界區(qū)的使用之后，對 DeleteCriticalSection（其命名不當(dāng)，因為它只刪除 RTL_CRITICAL_SECTION_ DEBUG）的調(diào)用遍歷一個同樣可理解的路徑。如果由于線程在嘗試獲得臨界區(qū)時被阻止而創(chuàng)建了一個事件，將通過調(diào)用 ZwClose 來銷毀該事件。接下來，在通過 RtlCriticalSectionLock 獲得保護之后（NTDLL 以一個臨界區(qū)保護它自己的內(nèi)部臨界區(qū)列表 — 您猜對了），將調(diào)試信息從鏈中清除，對該臨界區(qū)鏈表進(jìn)行更新，以反映對該信息的清除操作。該內(nèi)存由空值填充，并且如果其存儲區(qū)是由進(jìn)程堆中獲得，則調(diào)用 RtlFreeHeap 將使得其內(nèi)存被釋放。最后，以零填充 RTL_CRITICAL_SECTION。
有兩個 API 要獲得受臨界區(qū)保護的資源 — TryEnterCriticalSection 和 EnterCriticalSection。如果一個線程需要進(jìn)入一個臨界區(qū)，但在等待被阻止資源變?yōu)榭捎玫耐瑫r，可執(zhí)行有用的工作，那么 TryEnterCriticalSection 正是您需要的 API。此例程測試此臨界區(qū)是否可用；如果該臨界區(qū)被占用，該代碼將返回值 FALSE，為該線程提供繼續(xù)執(zhí)行另一任務(wù)的機會。否則，其作用只是相當(dāng)于 EnterCriticalSection。
如果該線程在繼續(xù)進(jìn)行之前確實需要擁有該資源，則使用 EnterCriticalSection。此時，取消用于多處理器計算機的 SpinCount 測試。這一例程與 TryEnterCriticalSection 類似，無論該臨界區(qū)是空閑的或已經(jīng)被該線程所擁有，都調(diào)整對該臨界區(qū)的簿記。注意，最重要的 LockCount 遞增是由 x86“lock”前綴完成的，這一點非常重要。這確保了在某一時間內(nèi)只有一個 CPU 可以修改該 LockCount 字段。（事實上，Win32 InterlockedIncrement API 只是一個具有相同鎖定前綴的 ADD 指令。）
如果調(diào)用線程無法立即獲得該臨界區(qū)，則調(diào)用 RtlpWaitForCriticalSection 將該線程置于等待狀態(tài)。在多處理器系統(tǒng)中，EnterCriticalSection 旋轉(zhuǎn) SpinCount 所指定的次數(shù)，并在每次循環(huán)訪問中測試該臨界區(qū)的可用性。如果此臨界區(qū)在循環(huán)期間變?yōu)榭臻e，該線程獲得該臨界區(qū)，并繼續(xù)執(zhí)行。
RtlpWaitForCriticalSection 可能是這里所給的所有過程中最為復(fù)雜、最為重要的一個。這并不值得大驚小怪，因為如果存在一個死鎖并涉及臨界區(qū)，則利用調(diào)試器進(jìn)入該進(jìn)程就可能顯示出 RtlpWaitForCriticalSection 內(nèi) ZwWaitForSingleObject 調(diào)用中的至少一個線程。
如偽碼中所顯示，在 RtlpWaitForCriticalSection 中有一點簿記工作，如遞增 EntryCount 和 ContentionCount 字段。但更重要的是：發(fā)出對 LockSemaphore 的等待，以及對等待結(jié)果的處理。默認(rèn)情況是將一個空指針作為第三個參數(shù)傳遞給 ZwWaitForSingleObject 調(diào)用，請求該等待永遠(yuǎn)不要超時。如果允許超時，將生成調(diào)試消息字符串，并再次開始等待。如果不能從等待中成功返回，就會產(chǎn)生中止該進(jìn)程的錯誤。最后，在從 ZwWaitForSingleObject 調(diào)用中成功返回時，則執(zhí)行從 RtlpWaitForCriticalSection 返回，該線程現(xiàn)在擁有該臨界區(qū)。
RtlpWaitForCriticalSection 必須認(rèn)識到的一個臨界條件是該進(jìn)程正在被關(guān)閉，并且正在等待加載程序鎖定 (LdrpLoaderLock) 臨界區(qū)。RtlpWaitForCriticalSection 一定不能 允許該線程被阻止，但是必須跳過該等待，并允許繼續(xù)進(jìn)行關(guān)閉操作。
LeaveCriticalSection 不像 EnterCriticalSection 那樣復(fù)雜。如果在遞減 RecursionCount 之后，結(jié)果不為 0（意味著該線程仍然擁有該臨界區(qū)），則該例程將以 ERROR_SUCCESS 狀態(tài)返回。這就是為什么需要用適當(dāng)數(shù)目的 Leave 調(diào)用來平衡 Enter 調(diào)用。如果該計數(shù)為 0，則 OwningThread 字段被清零，LockCount 被遞減。如果還有其他線程在等待，例如 LockCount 大于或等于 0，則調(diào)用 RtlpUnWaitCriticalSection。此幫助器例程創(chuàng)建 LockSemaphore（如果其尚未存在），并發(fā)出該信號提醒操作系統(tǒng)：該線程已經(jīng)釋放該臨界區(qū)。作為通知的一部分，等待線程之一退出等待狀態(tài)，為運行做好準(zhǔn)備。
最后要說明的一點是，MyCriticalSections 程序如何確定臨界區(qū)鏈的起始呢？如果有權(quán)訪問 NTDLL 的正確調(diào)試符號，則對該列表的查找和遍歷非常簡單。首先，定位符號 RtlCriticalSectionList，清空其內(nèi)容（它指向第一個 RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG 結(jié)構(gòu)），并開始遍歷。但是，并不是所有的系統(tǒng)都有調(diào)試符號，RtlCriticalSectionList 變量的地址會隨 Windows 的各個版本而發(fā)生變化。為了提供一種對所有版本都能正常工作的解決方案，我們設(shè)計了以下試探性方案。觀察啟動一個進(jìn)程時所采取的步驟，會看到是以以下順序?qū)?NTDLL 中的臨界區(qū)進(jìn)行初始化的（這些名稱取自 NTDLL 的調(diào)試符號）：
RtlCriticalSectionLock
DeferedCriticalSection (this is the actual spelling!)
LoaderLock
FastPebLock
RtlpCalloutEntryLock
PMCritSect
UMLogCritSect
RtlpProcessHeapsListLock
因為檢查進(jìn)程環(huán)境塊 (PEB) 中偏移量 0xA0 處的地址就可以找到加載程序鎖，所以對該鏈起始位置的定位就變得比較簡單。我們讀取有關(guān)加載程序鎖的調(diào)試信息，然后沿著鏈向后遍歷兩個鏈接，使我們定位于 RtlCriticalSectionLock 項，在該點得到該鏈的第一個臨界區(qū)。有關(guān)其方法的說明，請參見圖 4。
圖 4 初始化順序
小結(jié)
幾乎所有的多線程程序均使用臨界區(qū)。您遲早都會遇到一個使代碼死鎖的臨界區(qū)，并且會難以確定是如何進(jìn)入當(dāng)前狀態(tài)的。如果能夠更深入地了解臨界區(qū)的工作原理，則這一情形的出現(xiàn)就不會像首次出現(xiàn)時那樣的令人沮喪。您可以研究一個看來非常含糊的臨界區(qū)，并確定是誰擁有它，以及其他有用細(xì)節(jié)。如果您愿意將我們的庫加入您的鏈接器行，則可以容易地獲得有關(guān)您程序臨界區(qū)使用的大量信息。通過利用臨界區(qū)結(jié)構(gòu)中的一些未用字段，我們的代碼可以僅隔離并命名您的模塊所用的臨界區(qū)，并告知其準(zhǔn)確狀態(tài)。
有魄力的讀者可以很容易地對我們的代碼進(jìn)行擴展，以完成更為異乎尋常的工作。例如，采用與 InitializeCriticalSection 掛鉤相類似的方式截獲 EnterCriticalSection 和 LeaveCriticalSection，可以存儲最后一次成功獲得和釋放該臨界區(qū)的位置。與此類似，CritSect DLL 擁有一個易于調(diào)用的 API，用于枚舉您自己的代碼中的臨界區(qū)。利用 .NET Framework 中的 Windows 窗體，可以相對容易地創(chuàng)建一個 GUI 版本的 MyCriticalSections。對我們代碼進(jìn)行擴展的可能性非常大，我們非常樂意看到其他人員所發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造的創(chuàng)新性辦法。