Transcript Win2k_driver_ch_14

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Ch 14. System Thread
Contents
1.
2.
3.
4.
5.
시스템 쓰레드의 정의와 사용
쓰레드 동기화
디스패쳐 객체 사용하기
예제코드 : 쓰레드 기반의 드라이버
Summary
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Ch 14. System Thread
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Made By Povolon
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1. 시스템 쓰레드의 정의와 사용
Thread 란?
• 실행의 단위
• 독립적인 프로그램 카운터와 개별적인 CPU레지스터의 집
합을 가지는 하드웨어 컨텍스트를 유지
• CPU를 점유하기 위해 우선순위 값을 가짐
• 사용자 모드 Thread와 커널 모드 Thread를 가짐
• 시스템 Thread는 커널 모드에서만 접근 가능
=> 사용자모드 context가 없고 사용자주소공간에 접근불가
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Thread를 사용해야 하는 경우
• 디바이스의 동작이 느리고 자주 접근 되지 않는 경우
• 디바이스가 상태변화를 하기 위해서 너무 오랜 시간이 소
요되고 드라이버 상태 변화가 일어나기를 기다려야 하는
경우
• 디바이스가 하나의 작업을 마치기 위해서 여러 번의 상태
변화를 해야 하는 경우
• 디바이스가 상태 변화를 알리기 위한 인터럽트를 발생시
키지 않고 드라이버가 지정된 시간 동안 디바이스를 정기
적으로 폴링 해야 하는 경우
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System Thread의 생성
•
Function Prototype for an PsCreateSystemThread Routine
NTSTATUS
IRQL == PASSIVE_LEVEL
PsCreateSystemThread
Parameter
Description
OUT PHANDLE ThreadHandle
새로운 쓰레드에 대한 핸들
IN ULONG DesiredAccess
드리이버가 만든 쓰레드일 경우 0
IN POBJECT_ATTRIBUTES Attrib
드라이버가 생성했으면 NULL
IN HANDLE ProcessHandle
드라이버가 생성했으면 NULL
OUT PCLIENT_ID ClientId
드라이버가 생성했으면 NULL
IN PKSTART_ROUTINE StartAddr
쓰레드의 진입지점
IN PVOID Context
쓰레드 루틴에 전달할 Context
Return value
• STATUS_SUCCESS : 생성시
• STATUS_XXX
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System Thread의 소멸
• 시스템 쓰레드는 드라이버가 메모리로 부터 없어질 때 반드시 제거해
야함
• 강제적으로 쓰레드를 소멸시킬 수 없음
( Event 객체를 활용)
•
Function Prototype for an PsTerminateSystemThread Routine
NTSTATUS
IRQL == PASSIVE_LEVEL
PsTerminateSystemThread
Parameter
Description
IN NTSTATUS ExitStatus
종료될때의 상태값
Return value
• STATUS_SUCCESS : 제거시
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Thread 우선 순위
• 시스템 쓰레드는 실시간 범위 중에서 낮은 값
( LOW_REALTIME_PRIORITY)를 가져야 함
• 실시간 쓰레드
– 할당된 TimeOut값이 없으므로 자발적으로 block 거나 더 높은
우선순위의 쓰레드에 의해 선점될 경우만 Switching이 일어남
• 드라이버 는 라운드-로빈 스케줄링 방식에 의존하지 않음
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System Worker Threads
•
짧은 작업을 수행하기 위해서 콜백 기법을 통해 사용
1. WORK_QUEUE_ITEM 구조체를 메모리에 할당
2. 드라이버에있는 콜백 함수를 WORK_QUEUE_ITEM과 연
결 ( ExInitializeWorkItem 루틴)
3. 시스템 작업 대기열에 WORK_QUEUE_ITEM을 요청하는
블록을 삽입
•
실행시간이 많이 걸리는 작업은 다른 드라이버의 작업 실
행을 지연 시킬 수 있으므로 독립적인 드라이버 쓰레드를
사용해야 함
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2. 쓰레드 동기화
시간 동기화
•
지정한 시간이 지날때까지 쓰레드의 실행을 멈추는것
(Timer 객체 or KeDelayExecutionThread 함수)
•
Function Prototype for an KeDelayExecutionThread Routine
NTSTATUS
IRQL == PASSIVE_LEVEL
KeDelayExecutionThread
Parameter
Description
IN KPROCESSOR_MODE
WaitMode
드리이버는
Kernel Mode
IN BOOLEAN bAlertable
드라이버는 false
IN PLARGE_INTEGER Interval
절대나 상대적인 시간
Return value
• STATUS_SUCCESS : 대기완료
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일반적인 동기화
•
Dispatcher 객체를 기다림 ( signaling되지 않은 dispatcher객체 )
•
Funtion Prototype for an KeWaitForSingleObject Routine
NTSTATUS KeWaitForSingleObject
Parameter
Description
IN PVOID Object
Pointer to Driver Object
IN KWAIT_REASON Reason
드라이버는 Executive
IN KPROCESSOR_MODE WaitMode
드라이버는 Kernel Mode
IN BOOLEAN Alertable
드라이버는 False
IN PLARGE_INTERGER Timeout
절대 or 상대적인 Timeout값
Return value
• STATUS_SUCCESS
• STATUS_ALERTED
• STATUS_TIMEOUT
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일반적인 동기화 (cont.)
•
Funtion Prototype for an KeWaitForMultipleObjects Routine
NTSTATUS KeWaitForMultipleObjects
Parameter
Description
IN ULONG Count
기다릴 객체의 개수
IN PVOID Object[]
디스패쳐 객체에 대한 포인터 배열
IN KWAIT_REASON Reason
드라이버는 Executive
IN KPROCESSOR_MODE WaitMode
드라이버는 Kernel Mode
IN BOOLEAN Alertable
드라이버는 False
IN PLARGE_INTERGER Timeout
절대 or 상대적인 Timeout값
IN PKWAIT_BLOCK WaitBlocks[]
이 동작을 위한 대기 블록의 배열
Return value
• STATUS_SUCCESS
• STATUS_ALERTED
• STATUS_TIMEOUT
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일반적인 동기화 (cont.)
•
•
•
쓰레드는 Timeout값을 지정하여서 다시 깨울 수 있음
Multiple일 경우 쓰레드가 기다릴 수 있는 객체 수 제한
( MAXIMUM_WAIT_OBJECTS )
THREAD_WAIT_OBJECTS 객체 수만큼 기다릴 수 있음
•
PASSIVE_LEVEL 이나 DISPATCH_LEVEL에서 호출
•
DISPATCH_LEVEL에서는 Timeout값이 0
=> 시그널링 된 객체를 정기적으로 확인하기 위한 기법
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4. Dispatcher 객체 사용하기
Dispatcher Object
• 메모리에 지속적으로 상주( Nonpaged space )
• Device Extension or Controller Extension에 공간 할당
• 사용 전 초기화 ( KeInitializeXxx )
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Event Object
• Signaling or Nonsignaling상태로 반드시 설정 되어야 하
는 객체 (KEVENT로 할당)
• Signaling으로 설정해서 다를 쓰레드의 발생을 부추길 수
있다
Thread B
Thread A
설정
EVENT
Thread C
Thread D
• 알림 이벤트
-> Signaling되기를 기다리는 모든 쓰레드를 깨움
• 동기화 이벤트
-> 하나의 쓰레드만 깨움
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Event Object (cont.)
•
사용 시기
이벤트 객체를 조작하는 함수들
호출 함수
IRQL
이벤트 생성 KeInitializeEvent
PASSIVE_LEVEL
이름을 갖는 IoCreateSynchronizationEvent
이벤트 생성 IoCreatNotificationEvent
PASSIVE_LEVEL
KeSetEvent
이벤트 상태
KeClearEvent
수정
KeResetEvent
<=DISPATCH_LEVEL
타이머를 대 KeWaitForSingleObject
기
KeWaitForMultipleObjects
PASSIVE_LEVEL
이벤트 상태
KeReadStateEvent
질의
<=DISPATCH_LEVEL
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드라이버간 이벤트 공유
• 이벤트 공유를 위한 포인터의 전달 과 메모리 상주 문제
• IoCreateSynchronizationEvent 와
IoCreatNotificationEvent 함수를 이용하여 이름을 갖는
Event를 생성
• 동일한 Event name을 가지면 동일한 Event객체의 포인터
를 얻을 수 있음
• CreateEvent 처럼 동작함
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드라이버간 이벤트 공유 (cont.)
•
IoCreateXxxEvent
– KEVENT 객체의 메모리 할당은 시스템에서 함
– 할당된 메모리의 핸들이 return됨
-> 핸들에서 포인터를 얻어내야함
1. ObReferenceObjectByHandle 함수를 호출
-> 객체 포인터를 얻고, 참조 카운트를 증가
2. 핸들이 필요하지 않게 되면 핸들을 해제( ZwClose 함수)
3. 이벤트 객체가 필요하지 않게 되면 ObDereferenceObject 함수
를 호출하여 참조 카운트를 감소, 이벤트 객체를 삭제
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Mutex Object (Mutual Exclusion)
•
•
•
•
오직 하나의 쓰레드에서만 소유될 수 있음
소유하면 Nonsignaling -> 사용가능 하면 Signaling
공유 자원에 대한 상호 배타적인 접근을 조절
KMUTEX 객체는 Nonpaged space에 할당
0
counter 1
소유 요청
사용가능 소유 소유 요청
Thread A
종료
or
Block
해제
counter 1
소유 요청 소유
사용가능 Thread B
Mutex
Thread C
counter 0
1
소유 요청
Blocked
Blocked counter 1
Thread D
Blocked
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Mutex Object (cont.)
•
뮤텍스를 초기화하면 초기 상태는 signaling
•
사용 시기
Mutex 객체를 조작하는 함수들
호출 함수
IRQL
뮤텍스 생성
KeInitializeMutex
PASSIVE_LEVEL
뮤텍스 소유권 요구
KeWaitForSingleObject
KeWaitForMultipleObjects
PASSIVE_LEVEL
뮤텍스 소유권 포기
KeReleaseMutex
PASSIVE_LEVEL
뮤텍스 상태 질의
KeReadStateMutex
<=DISPATCH_LEVEL
•
뮤텍스를 모두 해제를 하고 드라이버는 커널모드에서 사용자 모드로
이동
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Semaphore Object
•
•
•
•
카운트를 관리하는 디스패쳐 객체
Count가 0보다 크면 Signaling
0이면 Nonsignaling
KSEMAPHORE객체를 메모리에 할당
대기
대기
수행
Thread A
종료
or
Block
해제
대기
수행
Semaphore
count
수행
Thread C
2
0
1
대기
Thread B
Blocked
Blocked
Thread D
Blocked
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Semaphore Object (cont.)
•
사용 시기
Semaphore 객체를 조작하는 함수들
호출 함수
IRQL
세마포어 생성
KeInitializeSemaphore
PASSIVE_LEVEL
세마포어 감소
KeWaitForSingleObject
KeWaitForMultipleObjects
PASSIVE_LEVEL
세마포어 증가
KeReleaseSemaphore
<=DISPATCH_LEVEL
세마포어 상태 질의
KeReadStateSemaphore
Any
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Timer Object
•
•
•
•
타임 아웃 값을 가지는 디스패쳐 객체
타이머가 시작된 후 타임아웃이 될때까지 Nonsignaling
타임아웃이 되면 Signaling
KTIMER객체를 메모리에 할당
Thread A
Clock
SetTimer
Wait
Timer
Blocked
Continue
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Timer Object (cont.)
•
사용 시기
Timer 객체를 조작하는 함수들
호출 함수
IRQL
타이머 생성
KeInitializeTimerEx
PASSIVE_LEVEL
타이머를 한번 시작
KeSetTimer
<= DISPATCH_LEVEL
타이머를 반복 시작
KeSetTimerEx
<= DISPATCH_LEVEL
타이머 정지
KeCancelTimer
<= DISPATCH_LEVEL
타이머를 기다림
KeWaitForSingleObject
KeWaitForMultipleObjects
PASSIVE_LEVEL
세마포어 상태 질의
KeReadTimerState
<= DISPATCH_LEVEL
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Thread Object
•
•
시스템 쓰레드도 디스패쳐 객체
쓰레드가 소멸되면 Signaling
– 드라이버가 종료 될 때 쓰레드 객체를 기다림
1. ObReferenceObjectByHandle 함수를 호출
-> 객체 포인터를 얻고, 포인터 참조 카운트를 증가
2. 핸들이 필요하지 않게 되면 핸들을 해제( ZwClose 함수)
-> 객체의 핸들 참조 카운트를 감소
3. 이벤트 객체가 필요하지 않게 되면 ObDereferenceObject 함수
를 호출하여 포인터 참조 카운트를 감소, 쓰레드 객체를 삭제
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뮤텍스의 변형 (1)
•
고속 뮤텍스 ( Fast Mutex )
– 반복적인 소유권 요청을 불가
– 보호를 요하는 한 개 이상의 데이터 항목과 연관된
FAST_MUTEX 타입의 객체
– 데이터 항목에 접근하려면 FAST_MUTEX의 소유권을 얻어야함
•
고속 뮤텍스를 조작하는 함수들
사용 시기
호출 함수
IRQL
뮤텍스 생성
ExInitializeFastMutex <= DISPATCH_LEVEL
고속 뮤택스 소유권 요구
ExAcquireFastMutex
<= DISPATCH_LEVEL
고속 뮤텍스 소유권 포기
ExReleaseFastMutex
<= DISPATCH_LEVEL
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•
뮤텍스의 변형 (2)
실행부 자원 ( Executive resources )
– 하나의 쓰레드에 의해 독점적으로 소유 가능
– 여러 쓰레드가 읽기 접근을 공유 가능
• 실행부 자원을 조작하는 함수들
사용시기
호출 함수
IRQL
생성
ExInitializeResourceLite
PASSIVE_LEVEL
획득
ExAcquireResourceExclusiveLite
ExAcquireResourceSharedLite
ExTryToAcquireResourceExclusiveLite
ExConvertExclusiveToSharedLite
<= DISPATCH_LEVEL
해제
ExReleaseResourceforThreadLite
<= DISPATCH_LEVEL
질의
ExIsResourceAcquiredSharedLite
ExIsResourceAcquiredExclusiveLite
<= DISPATCH_LEVEL
삭제
ExDeleteResourceLite
<= DISPATCH_LEVEL
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Deadlock
•
뮤텍스나 세마포어를 사용하여 발생
1. 타임아웃 인자를 사용하여 기다리는 시간을 제한
2. 동일한 순서로 자원을 요청함
할당
Resource X
대기
Thread A
Thread B
대기
Resource Y
할당
Acquire X
Acquire X
Y
Acquire Y
Acquire Y
X
…
…
Release X
Release Y
Release Y
Release X
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4. 예제 코드 : 쓰레드 기반의 드라이버
샘플 드라이버의 구조
PsCreateSystemThread
I/O request
KeReleaseS
emaphore
Dispatch 루틴
Semaphore
Count
Thread
0
1
Wake up
IRP
ISR 루틴
KeWaitFor
Singleobject
Wait
IRP
Queue
Wait
Wake up
DPC 루틴
Event
Signaling
Nonsignaling
KeWaitFor
Singleobject
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샘플 드라이버의 객체 및 함수
•
DEVICE_EXTENSION
– 드라이버에서 정의된 모든 데이터 구조체를 포함
– 드라이버가 시스템 쓰레드와 작업 대기열을 관리하기 위해
•
•
필요한 작업자 쓰레드 객체
•
어댑터 객체를 얻었을 때 알릴 이벤트 객체
•
IRP 큐를 관리하는 세미포어와 스핀락 객체
AddDevice routine
– I/O 요청을 처리 하기 위해 사용 되는 쓰레드 객체, 작업 대기열
객체 및 동기화 객체를 초기화
– 드라이브를 load할때 한번 호출됨
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샘플 드라이버의 객체 및 함수
•
DispatchReadWrite routine
–
–
–
–
디바이스에 대해 읽거나 쓰고자 하는 사용자 요청에 응답
전송할 데이터가 있는 지 확인
IRP를 종료되지 않았다는 표시를 한 뒤 작업 대기열에 삽입
세마포어가 쓰레드를 동작 할 수 있게 count를 증가
(KeReleaseSemaphore)
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Thread.cpp 모듈
•
주 쓰레드 함수와 쓰레드를 관리 하기 위해 필요한 루틴
포함
•
WorkerThreadMaine 함수
– IRP를 처리하는 엔진
– 드라이버의 Context를 받아서 DEVICE_EXTENSION의 작업 대
기열에서 I/O 요청을 가지고 오고 데이터 전송 작업을 수행
1. 자신 ( 쓰레드 ) 는 사용자 보다 높은 우선순위로 설정
2. RemoveDevice함수에서 멈추라는 지시가 있을 때까지 리턴이
없이 무한 루프로 동작
3. IRP처리를 위해서 semaphore가 유효할때까지 대기
( KeWaitForSingleObject )
4. 실제 IRP처리를 실시(PerformDataTransfer)하고, IRP를 해지한
뒤, 다른 IRP요청을 처리하기 위해 루프를 돔
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Thread.cpp 모듈
•
KillThread 함수
– 특정 디바이스 객체와 관련된 쓰레드를 중지 하라는 통보역활
– 목적 쓰레드가 정지 할때 까지 멈추어서 기다림
1. 정지 플래그를 설정
2. 쓰레드가 살아 있는 지 확인( KeReleaseSemaphore )
3. 쓰레드가 끝나기를 기다림 ( KeWaitForSingleObject )
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Thread.c 모듈
•
I/O작업을 수행하는 루틴을 포함
•
쓰레드의 데이터 전송 루틴이 시작할 수 있도록 이벤트
객체를 설정
•
PerformDataTransfer 함수
– DMAC의 역할을 수행함
– 한번에 데이터를 다 처리 할 수 없다면 데이터 전송을 나눔
– 작업이 완료 될때까지 계속 수행
1. I/O 방향을 설정 , 예약 값을 설정, CPU캐쉬를 플러쉬
2. 데이터 분할 전송의 크기를 계산 해서 분할 전송 처리
( PerformSynchromousTransfer ) 처리후 예약 정보를 수정
3. 분할 전송이 끝날때까지 I/O동작을 수행
4. 처리량을 조절하면서 수행 후 IRP를 반환
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Thread.c 모듈
•
AcquirAdapterObject 와 AdapterControl
– 어댑터 객체의 소유권을 얻기 위한 동기화 기법을 쓰레드에 제
공
•
AcquireAdapterObject
– 시스템 쓰레드의 컨텍스트에서 실행 되기 때문에 일정한 시간
간격을 멈추고 기다릴 수 있게 구현
1. 어댑터 객체를 요청하기 위해 DISPATCH_LEVEL에서 수행
2. 이벤트 객체를 세팅하는 AdapterControl 루틴을 위해 정지하고
기다림, 어댑터 객체를 다른 디바이스에서 사용 못하도록 어댑
터에 대한 이벤트 객체를 기다림 ( KeWaitForSingleObject )
•
AdapterControl
– 맵핑 레지스터에 대한 핸들을 저장하고 데이터 전송을 설정
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Thread.c 모듈
•
PerformSynchronousTransfer 함수
– 한번의 데이터 전송 작업을 수행
– 전송이 끝날때까지 리턴 되지 않음
– 디바이스 인터럽트 발생 여부를 확인 하기 위해 이벤트를 사용
1. DMA컨트롤러를 설정하고 디바이스를 구동
2. I/O 처리 완료 인터럽트에 대한 이벤트를 기다림
( KeWaitForSingleObject )
3. 어댑터 객체 캐쉬의 데이터를 플러쉬, 디바이스의 에러 체크
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Thread.c 모듈
•
DpcForIsr
– 디바이스가 인터럽트를 발생 시키면 인터럽트 처리 루틴은 하드
웨어 상태값을 저장하고 DPC를 요청
– 이벤트 객체를 시그널링 상태로 변경
– PerforSynchronousTransfer 함수가 실행됨
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Summary
Summary
• 다른 작업 들과 병렬로 특정 작업을 수행
• 드라이버 내에 시스템 쓰레드를 사용 하는 방법
• 다중 쓰레드 기법을 적절하게 활용 할 것
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