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1、Windows 下的临界区中的代码死锁 1【转MSDN】本文假定您熟悉Win32、C+和多线程处理。下载本文的代码:CriticalSections.exe(415KB)摘要临界区是一种防止多个线程同时执行一个特定代码节的机制，这一主题并没有引起太多关注，因而人们未能对其深刻理解。在需要跟踪代码中的多线程处理的性能时，对Windows中临界区的深刻理解非常有用。本文深入研究临界区的原理，以揭示在查找死锁和确认性能问题过程中的有用信息。它还包含一个便利的实用工具程序，可以显示所有临界区及其当前状态。在我们许多年的编程实践中，对于Win32®临界区没有受到非常多的underthehood关
2、注而感到非常奇怪。当然，您可能了解有关临界区初始化与使用的基础知识，但您是否曾经花费时间来深入研究WINNT.H中所定义的CRITICAL_SECTION结构呢?在这一结构中有一些非常有意义的好东西被长期忽略。我们将对此进行补充，并向您介绍一些很有意义的技巧，这些技巧对于跟踪那些难以察觉的多线程处理错误非常有用。更重要的是，使用我们的MyCriticalSections实用工具，可以明白如何对CRITICAL_SECTION进行微小地扩展，以提供非常有用的特性，这些特性可用于调试和性能调整(要下载完整代码，参见本文顶部的链接)。老实说，作者们经常忽略CRITICAL_SECTION结构的部分原
3、因在于它在以下两个主要Win32代码库中的实现有很大不同:Microsoft®Windows®95和WindowsNT®。人们知道这两种代码库都已经发展出大量后续版本(其最新版本分别为WindowsMe和WindowsXP)，但没有必要在此处将其一一列出。关键在于WindowsXP现在已经发展得非常完善，开发商可能很快就会停止对Windows95系列操作系统的支持。我们在本文中就是这么做的。诚然，当今最受关注的是Microsoft.NETFramework，但是良好的旧式Win32编程不会很快消失。如果您拥有采用了临界区的现有Win32代码，您会发现我们的工具以及对临界
4、区的说明都非常有用。但是请注意，我们只讨论WindowsNT及其后续版本，而没有涉及与.NET相关的任何内容，这一点非常重要。临界区:简述如果您非常熟悉临界区，并可以不假思索地进行应用，那就可以略过本节。否则，请向下阅读，以对这些内容进行快速回顾。如果您不熟悉这些基础内容，则本节之后的内容就没有太大意义。临界区是一种轻量级机制，在某一时间内只允许一个线程执行某个给定代码段。通常在修改全局数据(如集合类)时会使用临界区。事件、多用户终端执行程序和信号量也用于多线程同步，但临界区与它们不同，它并不总是执行向内核模式的控制转换，这一转换成本昂贵。稍后将会看到，要获得一个未占用临界区，事实上只需要对内
5、存做出很少的修改，其速度非常快。只有在尝试获得已占用临界区时，它才会跳至内核模式。这一轻量级特性的缺点在于临界区只能用于对同一进程内的线程进行同步。临界区由WINNT.H中所定义的RTL_CRITICAL_SECTION结构表示。因为您的C+代码通常声明一个CRITICAL_SECTION类型的变量，所以您可能对此并不了解。研究WINBASE.H后您会发现:typedefRTL_CRITICAL_SECTIONCRITICAL_SECTION;我们将在短时间内揭示RTL_CRITICAL_SECTION结构的实质。此时，重要问题在于CRITICAL_SECTION(也称作RTL_CRITICA
6、L_SECTION)只是一个拥有易访问字段的结构，这些字段可以由KERNEL32API操作。在将临界区传递给InitializeCriticalSection时(或者更准确地说，是在传递其地址时)，临界区即开始存在。初始化之后，代码即将临界区传递给EnterCriticalSection和LeaveCriticalSectionAPI。一个线程自EnterCriticalSection中返回后，所有其他调用EnterCriticalSection的线程都将被阻止，直到第一个线程调用LeaveCriticalSection为止。最后，当不再需要该临界区时，一种良好的编码习惯是将其传递给Delet
7、eCriticalSection。在临界区未被使用的理想情况中，对EnterCriticalSection的调用非常快速，因为它只是读取和修改用户模式内存中的内存位置。否则(在后文将会遇到一种例外情况)，阻止于临界区的线程有效地完成这一工作，而不需要消耗额外的CPU周期。所阻止的线程以内核模式等待，在该临界区的所有者将其释放之前，不能对这些线程进行调度。如果有多个线程被阻止于一个临界区中，当另一线程释放该临界区时，只有一个线程获得该临界区。深入研究:RTL_CRITICAL_SECTION结构即使您已经在日常工作中使用过临界区，您也非常可能并没有真正了解超出文档之外的内容。事实上存在着很多非常
8、容易掌握的内容。例如，人们很少知道一个进程的临界区是保存于一个链表中，并且可以对其进行枚举。实际上，WINDBG支持!locks命令，这一命令可以列出目标进程中的所有临界区。我们稍后将要谈到的实用工具也应用了临界区这一鲜为人知的特征。为了真正理解这一实用工具如何工作，有必要真正掌握临界区的内部结构。记着这一点，现在开始研究RTL_CRITICAL_SECTION结构。为方便起见，将此结构列出如下:structRTL_CRITICAL_SECTIONPRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUGDebugInfo;LONGLockCount;LONGRecursionCount;HAND
9、LEOwningThread;HANDLELockSemaphore;ULONG_PTRSpinCount;以下各段对每个字段进行说明。DebugInfo此字段包含一个指针，指向系统分配的伴随结构，该结构的类型为RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG。这一结构中包含更多极有价值的信息，也定义于WINNT.H中。我们稍后将对其进行更深入地研究。LockCount这是临界区中最重要的一个字段。它被初始化为数值-1;此数值等于或大于0时，表示此临界区被占用。当其不等于-1时，OwningThread字段(此字段被错误地定义于WINNT.H中-应当是DWORD而不是HANDLE)包含了拥
10、有此临界区的线程ID。此字段与(RecursionCount-1)数值之间的差值表示有多少个其他线程在等待获得该临界区。RecursionCount此字段包含所有者线程已经获得该临界区的次数。如果该数值为零，下一个尝试获取该临界区的线程将会成功。OwningThread此字段包含当前占用此临界区的线程的线程标识符。此线程ID与GetCurrentThreadId之类的API所返回的ID相同。LockSemaphore此字段的命名不恰当，它实际上是一个自复位事件，而不是一个信号。它是一个内核对象句柄，用于通知操作系统:该临界区现在空闲。操作系统在一个线程第一次尝试获得该临界区，但被另一个已经拥有
11、该临界区的线程所阻止时，自动创建这样一个句柄。应当调用DeleteCriticalSection(它将发出一个调用该事件的CloseHandle调用，并在必要时释放该调试结构)，否则将会发生资源泄漏。SpinCount仅用于多处理器系统。MSDN®文档对此字段进行如下说明:在多处理器系统中，如果该临界区不可用，调用线程将在对与该临界区相关的信号执行等待操作之前，旋转dwSpinCount次。如果该临界区在旋转操作期间变为可用，该调用线程就避免了等待操作。旋转计数可以在多处理器计算机上提供更佳性能，其原因在于在一个循环中旋转通常要快于进入内核模式等待状态。此字段默认值为零，但可以用Ini
12、tializeCriticalSectionAndSpinCountAPI将其设置为一个不同值。RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG结构前面我们注意到，在RTL_CRITICAL_SECTION结构内，DebugInfo字段指向一个RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG结构，该结构给出如下:struct_RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUGWORDType;WORDCreatorBackTraceIndex;RTL_CRITICAL_SECTION*CriticalSection;LIST_ENTRYProcessLocksList;DWORDEn
13、tryCount;DWORDContentionCount;DWORDSpare2;这一结构由InitializeCriticalSection分配和初始化。它既可以由NTDLL内的预分配数组分配，也可以由进程堆分配。RTL_CRITICAL_SECTION的这一伴随结构包含一组匹配字段，具有迥然不同的角色:有两个难以理解，随后两个提供了理解这一临界区链结构的关键，两个是重复设置的，最后两个未使用。下面是对RTL_CRITICAL_SECTION字段的说明。Type此字段未使用，被初始化为数值0。CreatorBackTraceIndex此字段仅用于诊断情形中。在注册表项HKLMSoftwar
14、eMicrosoftWindowsNTCurrentVersionImageFileExecutionOptionsYourProgram之下是keyfield、GlobalFlag和StackTraceDatabaseSizeInMb值。注意，只有在运行稍后说明的Gflags命令时才会显示这些值。这些注册表值的设置正确时，CreatorBackTraceIndex字段将由堆栈跟踪中所用的一个索引值填充。在MSDN中搜索GFlags文档中的短语createusermodestacktracedatabase和enlargingtheuser-modestacktracedatabase，可以找
15、到有关这一内容的更多信息。CriticalSection指向与此结构相关的RTL_CRITICAL_SECTION。图1说明该基础结构以及RTL_CRITICAL_SECTION、RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG和事件链中其他参与者之间的关系。图1临界区处理流程ProcessLocksListLIST_ENTRY是用于表示双向链表中节点的标准Windows数据结构。RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG包含了链表的一部分，允许向前和向后遍历该临界区。本文后面给出的实用工具说明如何使用Flink(前向链接)和Blink(后向链接)字段在链表中的成员之间移动。任何
16、从事过设备驱动程序或者研究过Windows内核的人都会非常熟悉这一数据结构。EntryCount/ContentionCount这些字段在相同的时间、出于相同的原因被递增。这是那些因为不能马上获得临界区而进入等待状态的线程的数目。与LockCount和RecursionCount字段不同，这些字段永远都不会递减。Spares这两个字段未使用，甚至未被初始化(尽管在删除临界区结构时将这些字段进行了清零)。后面将会说明，可以用这些未被使用的字段来保存有用的诊断值。即使RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG中包含多个字段，它也是常规临界区结构的必要成分。事实上，如果系统恰巧不能由进程堆中获得这一结构的存储区，InitializeCriticalSection将返回为STATUS_NO_MEMORY的LastError结果，然后返回处于不完整状态的临界区结构。临界区状态当程序执行、
