Win32 临界区实现原理浅析

http://www.blogcn.com/user8/flier_lu/index.html?id=1205525&run=.0748049

    去年11月的MSDN杂志曾刊登过一篇文章 Break Free of Code Deadlocks in Critical Sections Under Windows ，Matt Pietrek 和 Russ Osterlund 两位对临界区(Critical Section)的内部实现做了一次简短的介绍，但点到为止，没有继续深入下去，当时给我的感觉就是痒痒的，呵呵，于是用IDA和SoftIce大致分析了一下临界区的实现，大致弄明白了原理后也就没有深究。现在乘着Win2k源码的东风，重新分析一下这块的内容，做个小小的总结吧 :P
     临界区(Critical Section)是Win32中提供的一种轻量级的同步机制，与互斥(Mutex)和事件(Event)等内核同步对象相比，临界区是完全在用户态维护的，所以仅能在同一进程内供线程同步使用，但也因此无需在使用时进行用户态和核心态之间的切换，工作效率大大高于其它同步机制。
     临界区的使用方法非常简单，使用 InitializeCriticalSection 或 InitializeCriticalSectionAndSpinCount 函数初始化一个 CRITICAL_SECTION 结构；使用 SetCriticalSectionSpinCount 函数设置临界区的Spin计数器；然后使用 EnterCriticalSection 或 TryEnterCriticalSection 获取临界区的所有权；完成需要同步的操作后，使用 LeaveCriticalSection 函数释放临界区；最后使用 DeleteCriticalSection 函数析构临界区结构。
     以下是MSDN中提供的一个简单的例子：

 

 

以下为引用：  // Global variable  CRITICAL_SECTION CriticalSection;    void main()  {      ...      // Initialize the critical section one time only.      if (!InitializeCriticalSectionAndSpinCount(&CriticalSection, 0x80000400) )          return;      ...      // Release resources used by the critical section object.      DeleteCriticalSection(&CriticalSection)  }  DWORD WINAPI ThreadProc( LPVOID lpParameter )  {      ...      // Request ownership of the critical section.      EnterCriticalSection(&CriticalSection);      // Access the shared resource.      // Release ownership of the critical section.      LeaveCriticalSection(&CriticalSection);      ...  }

 

     首先看看构造和析构临界区结构的函数。
     InitializeCriticalSection 函数(ntosdll esource.c:1210)实际上是调用 InitializeCriticalSectionAndSpinCount 函数(resource.c:1266)完成功能的，只不过传入一个值为0的初始Spin计数器；InitializeCriticalSectionAndSpinCount 函数主要完成两部分工作：初始化 RTL_CRITICAL_SECTION 结构和 RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG 结构。前者是临界区的核心结构，下面将着重讨论；后者是调试用结构，Matt 那篇文章里面分析的很清楚了，我这儿就不罗嗦了 :P
     RTL_CRITICAL_SECTION结构在winnt.h中定义如下：

 

以下为引用：  typedef struct _RTL_CRITICAL_SECTION {      PRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG DebugInfo;        //      //  The following three fields control entering and exiting the critical      //  section for the resource      //      LONG LockCount;      LONG RecursionCount;      HANDLE OwningThread;        // from the thread''s ClientId->UniqueThread      HANDLE LockSemaphore;      ULONG_PTR SpinCount;        // force size on 64-bit systems when packed  } RTL_CRITICAL_SECTION, *PRTL_CRITICAL_SECTION;

 

     InitializeCriticalSectionAndSpinCount 函数中首先对临界区结构进行了初始化

     DebugInfo 字段指向初始化临界区时分配的RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG结构；
     LockCount 字段是临界区中最重要的字段，初始值为-1，当临界区被获取(Hold)时此字段大于等于0；
     RecursionCount 字段保存当前临界区所有者线程的获取缓冲区嵌套层数，初始值为0；
     OwningThread 字段保存当前临界区所有者线程的句柄，初始值为0；
     LockSemaphore 字段实际上是一个auto-reset的事件句柄，用于唤醒等待获取临界区的阻塞线程，初始值为0；
     SpinCount 字段用于在多处理器环境下完成轻量级的CPU见同步，单处理器时没有使用（初始值为0），多处理器时设置为SpinCount参数值（最大为MAX_SPIN_COUNT=0x00ffffff）。此外 RtlSetCriticalSectionSpinCount 函数(resource.c:1374)的代码与这儿设置SpinCount的代码完全一样。