自旋鎖

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自旋鎖

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IRQL概念僅能解決單CPU上的同步問題，在多處理器平臺上，它不能保證你的代碼不被運行在其它處理器上的代碼所幹擾。一個稱爲自旋鎖(spin lock)的原始對象可以解決這個問題。爲了獲得一個自旋鎖，在某CPU上運行的代碼需先執行一個原子操作，該操作測試並設置(test-and-set)某個內存變量，由於它是原子操作，所以在該操作完成之前其它CPU不可能訪問這個內存變量。如果測試結果表明鎖已經空閒，則程序獲得這個自旋鎖並繼續執行。如果測試結果表明鎖仍被佔用，程序將在一個小的循環內重複這個“測試並設置(test-and-set)”操作，即開始“自旋”。最後，鎖的所有者通過重置該變量釋放這個自旋鎖，於是，某個等待的test-and-set操作向其調用者報告鎖已釋放。

關於自旋鎖有兩個明顯的事實。第一，如果一個已經擁有某個自旋鎖的CPU想第二次獲得這個自旋鎖，則該CPU將死鎖(deadlock)。自旋鎖沒有與其關聯的“使用計數器”或“所有者標識”；鎖或者被佔用或者空閒。如果你在鎖被佔用時獲取它，你將等待到該鎖被釋放。如果碰巧你的CPU已經擁有了該鎖，那麼用於釋放鎖的代碼將得不到運行，因爲你使CPU永遠處於“測試並設置”某個內存變量的自旋狀態。

關於自旋鎖的另一個事實是，CPU在等待自旋鎖時不做任何有用的工作，僅僅是等待。所以，爲了避免影響性能，你應該在擁有自旋鎖時做盡量少的操作，因爲此時某個CPU可能正在等待這個自旋鎖。

關於自旋鎖還存在着一個不太明顯但很重要的事實：你僅能在低於或等於DISPATCH_LEVEL級上請求自旋鎖，在你擁有自旋鎖期間，內核將把你的代碼提升到DISPATCH_LEVEL級上運行。在內部，內核能在高於DISPATCH_LEVEL的級上獲取自旋鎖，但你和我都做不到這一點。

 

使用自旋鎖

爲了明確地使用一個自旋鎖，首先要在非分頁內存中爲一個KSPIN_LOCK對象分配存儲。然後調用KeInitializeSpinLock初始化這個對象。接着，當代碼運行在低於或等於DISPATCH_LEVEL級上時獲取這個鎖，並執行需要保護的代碼，最後釋放自旋鎖。例如，假設你的設備擴展中有一個名爲QLock的自旋鎖，你用它來保護你專用IRP隊列的訪問。你應該在AddDevice函數中初始化這個鎖：

typedef struct _DEVICE_EXTENSION {
  ...
  KSPIN_LOCK QLock;
} DEVICE_EXTENSION, *PDEVICE_EXTENSION;

...

NTSTATUS AddDevice(...)
{
  ...
  PDEVICE_EXTENSION pdx = ...;
  KeInitializeSpinLock(&pdx->QLock);
  ...
}

在驅動程序的其它地方，假定就在某種IRP的派遣函數中，你在某些必須的隊列操作代碼周圍獲取了(並很快釋放)該自旋鎖。注意這個函數必須存在於非分頁內存中，因爲在某個時期它會執行在提升的IRQL上。

NTSTATUS DispatchSomething(...)
{
  KIRQL oldirql;
  PDEVICE_EXTENSION pdx = ...;
  KeAcquireSpinLock(&pdx->QLock, &oldirql);				<--1
  ...
  KeReleaseSpinLock(&pdx->QLock, oldirql);				<--2
}

1. 當KeAcquireSpinLock獲取自旋鎖時，它也把IRQL提升到DISPATCH_LEVEL級上。
2. 當KeReleaseSpinLock釋放自旋鎖時，它也把IRQL降低到原來的IRQL級上。

如果你知道代碼已經處在DISPATCH_LEVEL級上，你可以調用兩個專用函數來獲取自旋鎖。這個技術適合於DPC、StartIo，和其它執行在DISPATCH_LEVEL級上的驅動程序例程：

KeAcquireSpinLockAtDpcLevel(&pdx->QLock);
...
KeReleaseSpinLockFromDpcLevel(&pdx->QLock);