W2K信號(Signals)的設(shè)備驅(qū)動

     Unix下的信號提供了一個簡單的IPC機制，也就是當進程收到一個信號后會異步(asynchronous) 地調(diào)用你的信號處理函數(shù)(也叫做句柄)，不管你的代碼是否已經(jīng)處在執(zhí)行的過程之中。 而在Windows 2000(譯者注：版本高于W2k的Windows平臺)下就需要用到一個設(shè)備驅(qū)動，以便你能使用異步過程調(diào)用(asynchronous procedure calls , 簡稱APCs或者APC) 來達成同樣的效果.

By Panagiotis E.
August 01, 2001
URL:http://www.ddj.com/windows/184416344

翻譯：Lymons (lymons@gmail.com)

 

      在Windows和基于Unix的操作系統(tǒng)之間的一個重要的不同就是對程序員自定義的信號處理函數(shù)的支持。盡管標準C庫已經(jīng)為信號處理[2]提供了基本的支持，但這些函數(shù)對于那些想主要依靠信號來實現(xiàn)進程間通信(IPC)的程序員來講還不夠。 實際上，在Windows的上下文中缺乏這樣的一個機制，導(dǎo)致了進程(線程)間的異步通信的實現(xiàn)困難，另外還需要運用一些特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如事件，而且還需要創(chuàng)建一個進程，專門用于不斷地去輪巡一些條件[6]，查看其狀態(tài)是否發(fā)生改變。 在本文中，我將向大家介紹SignalsLib庫，它被用于在Win32平臺下進行信號處理。這個庫的核心是一個設(shè)備驅(qū)動，該驅(qū)動提供了一個給目標進程發(fā)送信號并讓其異步執(zhí)行信號處理函數(shù)的機制，即使是目標進程并不處在消息等待的狀態(tài)。

      跟大多文章一樣，本文為信號處理提供了一份概要性的說明，

1．            信號和基本機制

2．           庫和驅(qū)動的設(shè)計與實現(xiàn)

3．           該機制下的性能測量

4．           面向程序員的API接口

5．           以及相關(guān)的擴展和可能用法。

信號的概述

       信號是把異步事件通知給進程的一個機制。它的基本思想是為每一個獨特的信號關(guān)聯(lián)上一個整數(shù)代碼，并且任何進程都能給任何一個信號注冊一個處理函數(shù)(回調(diào)函數(shù))(通過指定該信號的整數(shù)代碼). 當一個進程發(fā)送一個特定的信號給其他的進程(該進程已經(jīng)為這個信號注冊了信號處理函數(shù))的時候，這個目標進程當前正在做的操作將會被中斷，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行這個被注冊的信號處理函數(shù)。

       信號機制有點兒類似于,在一個信號中斷中進行一個中斷處理，不管目標進程是否正在執(zhí)行某一段代碼。跟中斷處理函數(shù)一樣，信號處理函數(shù)需要認真仔細地編碼 --- 普通的代碼一定不能訪問和信號處理函數(shù)中一樣的數(shù)據(jù)，除非它們都是用同步原語(synchronization primitives)來避免相互之間的破壞。信號提供了簡單和方便的進程間通信。通常傳統(tǒng)的應(yīng)用在下面的情況：

1．           通知一個服務(wù)它將輪轉(zhuǎn)(rotate)它的日志文件；

2．           通知一個父進程子進程已經(jīng)完成初始化并已經(jīng)準備開始實行下面的工作；

3．           通知一個進程它將暫時暫停自己的操作；

4．           通知一個進程它將在關(guān)機時盡可能快地執(zhí)行清除操作

5．           等等。

      每個信號都被關(guān)連上一個將被執(zhí)行的動作，通過內(nèi)核調(diào)度來使接收到這個信號的進程來執(zhí)行它的行為。對于大多數(shù)的信號，缺省的動作時終止進程的運行，盡管一個進程能被要求執(zhí)行一些來自系統(tǒng)選擇的動作。這些可能的可選動作無非就是：

1. 忽略這個信號。 在這種情況下，進程將不會接收到這個信號的通知。

2. 恢復(fù)缺省的信號動作。

3. 執(zhí)行一個指定的信號處理函數(shù)。這種場合下，當希望一個指定的信號到達時，想要某個進程去執(zhí)行一些定制動作，就可以去注冊這個定制函數(shù)。當關(guān)聯(lián)的信號發(fā)生時就可以異步地調(diào)用它了。在這個信號處理函數(shù)返回之后，將在被中斷的代碼的地方繼續(xù)執(zhí)行原來的操作。

Windows支持信號

        Win32為信號支持提供了一個十分特殊的函數(shù) SetConsoleCtrlHandler(). 這個函數(shù)讓一個控制臺的程序能捕獲很多的系統(tǒng)自身的信號(如，用戶按下了Ctrl-C, 用戶注銷, 等)。 但它沒有提供任何的程序員自定義的信號，也沒有提供任何的進程間通信 — 這就很嚴格的意味著操作系統(tǒng)只能把很少的一些特定事件通知給一個進程。

        Windwos提供的僅有的與信號機制類似的是異常處理這種機制。然而，標準C要求給著名的signal()/raise() 的Unix 函數(shù)以及一些受約束的信號[2]提供支持. signal()給指定的信號設(shè)定被調(diào)用的信號處理函數(shù)。raise() 是給當前的進程發(fā)送特定的信號，調(diào)用為這個信號注冊的處理函數(shù)，或者與該信號關(guān)聯(lián)的缺省動作。 另外，這些信號是不可擴展的，并且它們只能在給定的進程內(nèi)部進行傳播。 (標準C并沒有為向其他進程發(fā)送信號而定義標準函數(shù))

        作為信號的替代品，Windows支持異步過程調(diào)用，簡稱為APCs (Asynchronous Procedure Calls). 一個APC 就是一個內(nèi)核定義的控制對象，代表著一個過程/函數(shù)可以被異步的調(diào)用. APCs 有著下列的幾個特征[7]:

1. 一個 APC 總是運行在一個指定的線程的上下文中.

2. 一個 APC 運行在 OS 的預(yù)設(shè)時間內(nèi).

3. APCs 能夠搶占當前正在運行的線程.

4. APC 例程也能被他們自己搶占.

      在內(nèi)核中APCs 有三個不同的類型[2,3]:

     用戶模式(User-mode) APCs. 用戶模式 APCs 默認是被禁止的; 也就是對于用戶模式的線程它們雖然被放置到隊列進行排隊，但它們并不會被執(zhí)行，除了在程序中一些明確定義的點上。具體的就是，它們能夠在下面兩種情況被執(zhí)行：

1. 當一個應(yīng)用調(diào)用等待服務(wù)(wait service)并且觸發(fā)了告警發(fā)生機制的時候；

2. 或者調(diào)用告警測試服務(wù)(test-alert service)的時候.

      常態(tài)內(nèi)核模式(Normal kernel-mode) APCs. 除了默認情況下是可以被執(zhí)行的之外，其他的它們更像用戶模式的APCs。也就是，當線程已經(jīng)開始執(zhí)行一個內(nèi)核模式的APC,或者駐留在一個臨界區(qū)代碼之中時，是不能被執(zhí)行的。除此之外，它們都是可以被執(zhí)行的。

      特殊內(nèi)核模式(Special kernel-mode) APCs. 它們是不能被阻塞的， 除了線程運行在IRQL (interrupt request level)喚起的狀態(tài)下。 特殊內(nèi)核模式的APCs 在內(nèi)核態(tài)中能在IRQL的 APC_LEVEL級別下運行。它們被用來強制讓一個線程在它的上下文中去執(zhí)行一個過程。 特殊內(nèi)核模式的APC 能夠搶占常態(tài)內(nèi)核模式APC的執(zhí)行。

       Win32 API [4] 提供了 QueueUserAPC()這個函數(shù)， 它允許一個應(yīng)用把線程的APC對象放置到隊列中。正在排隊中的APC是讓一個指定的線程去調(diào)用APC函數(shù)的請求。當用戶模式的APC被放到隊列中時，線程則不能直接去調(diào)用這個APC函數(shù)，除非它是處在一個告警使能的狀態(tài)。 不幸的是，一個線程只能使用下列的 Win32 API函數(shù)的之一才能使自己進入到告警使能的狀態(tài)： SleepEx(), SignalObjectAndWait(), WaitForSingleObjectEx(), WaitForMultipleObjectEx(), 或 MsgWaitForMultipleObjectsEx().

    在內(nèi)核態(tài)[1], 程序員可以使用KeInitializeApc()來初始化一個APC對象， 定義目標線程，以及一個內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的回調(diào)函數(shù)， 以及APC (內(nèi)核 或者 用戶)類型, 最后是傳遞給這兩個函數(shù)的參數(shù)。接著， 這個目標線程的 APC 被排隊(KeInsertQueueApc()) 到隊列中，并且在線程沒有進入到告警使能的狀態(tài)時也能夠被執(zhí)行。

SignalsLib 函數(shù)庫的接口

       這個函數(shù)庫給支持信號處理提供了適宜的接口，必要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和機制。在構(gòu)建過程的期間，用戶能夠給每個線程定義選項以及全局信號處理函數(shù)表的用途。

        signals.h (Listing 1) 定義了可用的信號，信號的整形代碼是從零開始直到MAX_SIGNALS-1. 在這個頭文件中為信號函數(shù)庫中的兩個如下的函數(shù)聲明了接口。

1. SetSignalHandler() 給指定的信號設(shè)置一個函數(shù)(handler). 該函數(shù)如果執(zhí)行失敗則返回0， 成功則返回非零值。

2. SendSignalToThread() 給指定的線程發(fā)送一個信號. 你必須給想接收這個信號的線程指定該線程的句柄，以及想要發(fā)送的信號(整形代碼)。該函數(shù)成功則返回0，否則返回非零。

        testapp.c (Listing 2) 描述了如何去使用這個信號函數(shù)庫。 這個應(yīng)用創(chuàng)建了一個設(shè)定信號和對應(yīng)的信號處理函數(shù)的線程，以及發(fā)送這個信號給子線程的主線程，最終導(dǎo)致這個已經(jīng)安裝的信號處理函數(shù)被執(zhí)行。當然，這個驅(qū)動必須事先被安裝到系統(tǒng)里并且已被裝載到內(nèi)存中，否則當函數(shù)庫的DLLMain()函數(shù)被執(zhí)行的時候，會輸出相應(yīng)的錯誤消息。

設(shè)計和實現(xiàn)

      SignalsLib 庫由DLL文件和內(nèi)核態(tài)的設(shè)備驅(qū)動組成。這個 DLL 給應(yīng)用程序提供了一個用戶態(tài)的接口， 當我們想要讓目標線程排隊一個內(nèi)核模式的APC并去調(diào)用關(guān)聯(lián)的內(nèi)核態(tài)的函數(shù)的時候，就需要用到這個設(shè)備驅(qū)動。應(yīng)用程序僅僅是簡單的調(diào)用SetSignalHandler() 和SendSignalToThread()這兩個函數(shù)就可以， 然而 — 這個 DLL 隱藏了所有的與設(shè)備驅(qū)動進行通信的細節(jié)。

       SetSignalHandler() 函數(shù)很簡單 — 它僅僅是存儲了在信號處理函數(shù)的全局數(shù)組中的相應(yīng)位置，也就是一個函數(shù)指針。 當一個信號確實是被觸發(fā)的時候，內(nèi)部函數(shù)SignalsDriverRoutine()將會被調(diào)用，并且訪問這個全局數(shù)組來決定調(diào)用哪個信號處理函數(shù)。這兩個函數(shù)在signals.c (Listing 3)有定義.

       SendSignalToThread() 函數(shù)是DLL與設(shè)備驅(qū)動進行通信的地方。 DllMain() 在DLL第一次被載入的時候會獲得一個設(shè)備驅(qū)動的句柄， 并且在DLL被卸載的時候會釋放這個句柄。 SendSignalToThread() 函數(shù)在調(diào)用DeviceIoControl()函數(shù)(該函數(shù)是傳遞一個SIGINFO結(jié)構(gòu)體給這個設(shè)備驅(qū)動)的時候會使用這個句柄:

 

 

        注意這個 SigFunc 不是一個單獨信號處理函數(shù)的地址，而是SignalsDriverRoutine()函數(shù)的地址，該函數(shù)的功能是查詢和調(diào)用DLL中的正確的信號處理函數(shù)。

        當SendSignalToThread() 函數(shù)傳遞這個信息給DeviceIoControl()的時候, 它將導(dǎo)致這個驅(qū)動的中斷服務(wù)程序被調(diào)用。該驅(qū)動的主要源代碼都在sigdrv.c (Listing 4)文件里面. 然后驅(qū)動中斷服務(wù)例程會調(diào)用SigDriverSendTheSignal()函數(shù)來負責(zé)為目標線程來排隊一個相應(yīng)的內(nèi)核模式的APC. SigDriverSendTheSignal() 中有一個指向這個目標線程的ETHREAD 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體 [2]的指針. 然后調(diào)用 KeInitializeApc() 函數(shù)去初始化一個內(nèi)核模式的APC并且調(diào)用KeInsertQueueApc() 來把目標線程的 APC 插入到隊列中。

         這個被放入到隊列中的 APC 包含一個指向sigdrv.c (Listing 4)文件中的一個函數(shù)UserApcCallBack()的指針. 這個函數(shù)將會在用戶態(tài)中被調(diào)用并且傳遞SIGINFO 結(jié)構(gòu)體. UserApcCallBack() 使用 SIGINFO 中的信息來調(diào)用DLL 函數(shù) SignalsDriverRoutine(), 而它就是那個查詢且調(diào)用與指定信號關(guān)聯(lián)的信號處理函數(shù)的函數(shù)。

性能評估

        編程時到底是選擇常態(tài)還是特殊內(nèi)核模式的APC，是跟你所期望的功能有關(guān)，而跟性能無關(guān)。 如果你認為你的信號處理函數(shù)能被其他的被觸發(fā)的信號所搶占是一件重要的事情的話，那么你應(yīng)該選擇使用特殊內(nèi)核模式的APC而不是常態(tài)內(nèi)核模式APCs.

        這個APC 機制執(zhí)行的相當棒；一旦目標線程被調(diào)度后這個信號處理函數(shù)就會很快的被調(diào)用，一般情況下就是幾微秒之間的事兒。其中值得注意的一個重要的事情就是，內(nèi)核模式APC能立刻完成信號的傳送，這與系統(tǒng)載入的(或者說在系統(tǒng)中運行的)線程數(shù)量無關(guān)。他是通過改變線程的優(yōu)先級來減少這個響應(yīng)時間。例如， SendSignalToThread() 函數(shù)能夠提升目標線程的優(yōu)先級。

結(jié)論

       主要是為了在Win32應(yīng)用中能夠使能相同線程內(nèi)部或者不同線程間的異步通信，我實現(xiàn)了這個用戶自定義信號的基本機制。與Unix系統(tǒng)調(diào)用signal() 和kill() 相似的，最終的,通過DLL和設(shè)備驅(qū)動協(xié)同工作也能提供這兩個重要的信號處理的接口，并且也支持了相似的SIGUSR1 和SIGUSR2這兩個信號.

       作為這個庫的擴展將來很可能會實現(xiàn)一些其他的Unix信號，如SIGSTOP, SIGCONT, 和 SIGTERM, 并且支持POSIX 標準。 也愿意把這個機制集成到標準C庫中去。這個庫也協(xié)助實現(xiàn)了POSIX函數(shù)pthread_kill() ，這就使得應(yīng)用程序在用戶模式下(或者是從內(nèi)核到用戶模式)的POSIX線程間需要通知機制時，就讓開發(fā)工作變的很容易， 僅僅是讓設(shè)備驅(qū)動知道驅(qū)動例程的函數(shù)地址即可。 盡管這個POSIX 標準為應(yīng)用程序的所有的線程定義了全局信號處理函數(shù)，這個庫也能容易的為每個線程提供信號處理的支持，通過使用線程的局部存儲數(shù)據(jù)；為了簡單，在當前這個版本中沒有這么做。

       為了發(fā)表這篇文章我盡量讓代碼編寫的簡潔， 代碼的實現(xiàn)是假設(shè)所有參與進來的進程都共享同一個signals.dll的實例(也就是它們之間是父子進程的關(guān)系). 更明確的說， SendSignalToThread() 函數(shù)總是傳遞SignalsDriverRoutine() 的函數(shù)地址(調(diào)用進程的上下文中)給設(shè)備驅(qū)動，但是設(shè)備驅(qū)動則會嘗試使用目標進程(很可能是另外一個進程)上下文中的那個地址. 如果目標進程已經(jīng)把signals.dll 載入到了一個不同的地址而不是調(diào)用進程載入進來的地址，這將會導(dǎo)致一個災(zāi)難發(fā)生。如果一個特別的進程不能把signals.dll 載入到一個缺省的地址，你可以選擇另外一個地址，直到你找到與已經(jīng)載入的DLL地址沒有沖突的另外一個地址。 你能更優(yōu)雅地解決這個問題通過修訂這個接口以便讓設(shè)備驅(qū)動能夠有足夠的信息來定位指定線程中的正確的回調(diào)函數(shù)的地址。

      最后，另外一個基于用戶模式APC的實現(xiàn)在這里沒有描述。不過SendSignalToThread() 可以調(diào)用 Win32的 QueueUserAPC() 函數(shù)然后通過內(nèi)核模式的設(shè)備驅(qū)動，來設(shè)置目標線程成告警使能狀態(tài)。 你可以對與ETHREAD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[2]的基地址相偏移0x4a 個字節(jié)的一個內(nèi)存地址進行設(shè)定來實現(xiàn)的。

References

[1] E. N. Dekker and J. M. Newcomer. Developing Windows NT Device Drivers: A Programmer’s Handbook (Addison-Wesley, 1999).

[2] Microsoft Corporation. Microsoft Developer Network Library, msdn.microsoft.com/library.

[3] D. A. Solomon. Inside Windows NT, Second Edition (Microsoft Press, 1998).

[4] J. Ritcher. Advanced Windows: The Professional Developer’s Guide to the Win32 API for Windows NT 4.0 and Windows 95 (Microsoft Press, 1995).

[5] www.cmkrnl.com/arc-userapc.html

[6] www.microsoft.com/msj/0799/nerd/nerd0709.html

[7] www.osr.com/insider/1998/apc.html

[8] Microsoft Visual Studio\VC98\CRT\SRC\WINSIG.C

Panagiotis Hadjidoukas is a postgraduate student at High Performance Information Systems Laboratory, Department of Computer Engineering & Informatics, at the University of Patras in Greece. You can reach him by email at peh@hpclab.ceid.upatras.gr or at the web page of his laboratory at http://www.hpclab.ceid.upatras.gr.

Listing 1: signals.h — Interface to signal library

/**//* Number of supported signals */

#define MAX_SIGNALS     4

 

/**//* Signal names */

#define SIGNAL0 0

#define SIGNAL1 1

#define SIGNAL2 2

#define SIGNAL3 3

 

#ifndef SIGNALSLIBAPI

#define SIGNALSLIBAPI __declspec(dllimport)

#endif

 

/**//* Set a signal handler */

SIGNALSLIBAPI DWORD SetSignalHandler(DWORD, PVOID);

 

/**//* Send a signal to a thread */

SIGNALSLIBAPI DWORD SendSignalToThread(HANDLE, DWORD);

/**//* End of File */

Listing 2: testapp.c — Source for signal demonstration program

 

#define STRICT 1

#include <windows.h>

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <stdlib.h>

 

#include "..\dll\signals.h"

 

/**//* Global variables to avoid any optimization by the compiler */

long sum1 = 0, sum2 = 0;

 

volatile unsigned long WaitFlag = 0;

 

VOID __stdcall fSignal0(VOID)

{

   printf("Thread (%ld):Inside the handler \

of signal SIGNAL0!!!\n", GetCurrentThreadId());

   return;

}

 

DWORD WINAPI ThreadRoutine(LPVOID Param)

{

   long i;

 

   /**//* Set a hanndler for SIGNAL0 */

   SetSignalHandler(SIGNAL0, fSignal0);

 

   /**//* Do some stuff. */

   for (i = 0; i < 10000000; i++) sum1++;

 

   /**//* Wait until the main thread sets the flag */

   while (WaitFlag == 0);

   return 0;

}

 

HANDLE hThread;

DWORD ThreadId;

 

int main()

{

   ULONG   i = 0;

   DWORD   Data = 1;   /**//* Not actually used */

 

   /**//* Create the target thread */

   hThread = CreateThread(NULL,0,ThreadRoutine,&Data,0,&ThreadId);

 

   /**//* Let the target thread to run for a while */

   Sleep(1000);

 

   /**//* Send a signal to the target thread */

   printf("Thread (%ld): Sends a signal to the \

target thread\n", GetCurrentThreadId());

   SendSignalToThread(hThread, SIGNAL0);

 

   /**//* Do some stuff and wait for a while */

   for (i = 0; i < 10000000; i++) sum2++;

   Sleep(1000); 

 

   /**//* Set the flag. The handler must have been executed by now */

   WaitFlag = 1;

 

   /**//* Wait for the thread's termination */

  WaitForSingleObject(hThread, INFINITE);

 

   return 0;

}

/**//* End of File */

Listing 3: signals.c — Source for signal DLL

 

#define STRICT 1

#include <windows.h>

#include <stdio.h>

#include <winioctl.h>

#include <string.h>

#include <stdlib.h>

 

#include "..\driver\sigdrv.h"

#define SIGNALSLIBAPI __declspec(dllexport)

#include "signals.h"

 

/**//* Global array of signal handler */

VOID (__stdcall *functable[MAX_SIGNALS])(VOID);

 

/**//* Handle to the device driver */

HANDLE hDevice;

 

/**//* Set a signal thread */

DWORD SetSignalHandler(DWORD SignalNumber, PVOID f)

{

   if (SignalNumber < MAX_SIGNALS)

   {

      functable[SignalNumber] = f;

      return 0;

   }

   return 1;

}

 

/**//* Call the appropriate signal handler */

DWORD WINAPI SignalsDriverRoutine(DWORD SignalNumber)

{

   if (functable[SignalNumber] != NULL)

      (functable[SignalNumber])();

   else

      printf("NULL signal function!\n");

 

   return 0;

}

 

 

/**//* this information is sent to the device driver */

typedef struct _SIGINFO

{

   HANDLE   hThread;   /**//* target thread */

   ULONG    SigNo;     /**//* signal number */

   ULONG    SigFunc;   /**//* address of DriverRoutine */

} SIGINFO, *PSIGINFO;

 

SIGINFO     siginfo;

 

/**//* Send a signal to the targer thread */

DWORD SendSignalToThread(HANDLE hThread, DWORD SignalNumber)

{

   DWORD   cbReturned;

 

   /**//* Initialize a SIGINFO structure */

   siginfo.hThread = hThread;

   siginfo.SigNo = SignalNumber;

   siginfo.SigFunc = (unsigned long)SignalsDriverRoutine;

 

   /**//* Send the information to the driver */

   if (!DeviceIoControl (hDevice,

                         (DWORD)IOCTL_SIGDRV_SEND_SIGNAL,

                         (PSIGINFO) &siginfo,

                         sizeof(SIGINFO),

                         NULL,

                         0,

                         &cbReturned,

                         0

                         ) )

   {

      return 1;

   }

    return 0;

}

 

BOOL WINAPI DllMain(HINSTANCE hDllInst, DWORD fdwReason,

                    LPVOID lpvReserved)

{

   switch (fdwReason)

   {

      case DLL_PROCESS_ATTACH:

         if ((hDevice =

                CreateFile(

                  "\\\\.\\Global\\SIGDRV",

                  GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,

                  FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE,

                  NULL,

                  OPEN_EXISTING,

                  FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,

                  NULL

             )) == INVALID_HANDLE_VALUE)

         {

             printf ("Can't get a handle to the driver\n");

             return FALSE;

         }

 

         break;

      case DLL_PROCESS_DETACH:

           CloseHandle(hDevice);

         break;

      case DLL_THREAD_ATTACH:

         break;

      case DLL_THREAD_DETACH:

         break;

   }

   return TRUE;

}

 

/**//* End of File */

Listing 4: sigdrv.c — Kernel-mode driver for signal library