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基于Windows 操作系统内核驱动的多核CPU 线程管理
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2017-10-31
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1 引言
本文分析了Windows 系统的进程调度机制，并设计了一种基于Windows 操作系统内核驱动的多核CPU 线程管理方法，实现了一个基于Windows 内核驱动的线程管理服务系统，它能让用户根据每一个任务线程对CPU 资源的需要程度和对实时性的要求，在多核CPU上合理为线程分配CPU 核。
图1 Windows 内核调度结构体关系图
2 Windows 系统的进程调度方法分析
Windows NT 中的每一个进程都是EPROCESS 结构体。此结构体中除了进程的属性之外还引用了其它一些与实现进程紧密相关的结构体。例如，每个进程都有一个或几个线程，线程在系统中就是ETHREAD 结构体。简要描述一下存在于这个结构体中的主要的信息，这些信息都是由对内核函数的研究而得知的。首先，结构体中有KPROCESS 结构体，这个结构体中又有指向这些进程的内核线程（KTHREAD）链表的指针（分配地址空间），基优先级，在内核模式或是用户模式执行进程的线程的时间，处理器affini ty（掩码，定义了哪个处理器能执行进程的线程），时间片值。在ETHREAD 结构体中还存在着这样的信息：进程ID、父进程ID、进程映象名。
在E P R O C E S S 结构体中还有指向P E B 的指针。
ETHREAD 结构体还包含有创建时间和退出时间、进程ID 和指向EPROCESS 的指针，启动地址，I/O 请求链表和KTHREAD 结构体。在KTHREAD 中包含有以下信息：内核模式和用户模式线程的创建时间，指向内核堆栈基址和顶点的指针、指向服务表的指针、基优先级与当前优先级、指向APC 的指针和指向T E B 的指针。
KTHREAD 中包含有许多其它的数据，通过观察这些数据可以分析出KTHREAD 的结构。图1 描述了这些结构体之间的关系。
通过遍历KPROCESS 结构体中的ETHREAD，找到系统中当前所有的KTHREAD 结构，这个结构中的偏移量为0x124 处的Affinity 域（Windows XP sp3）即为设置CPU 亲缘性掩码的内存地址。在此重点解释CPU 亲缘性的概念，CPU 亲缘性就是指在系统中能够将一个或多个进程或线程绑定到一个或多个处理器上运行，这是期待已久的特性。也就是说：＂ 在1号处理器上一直运行该程序＂或者是＂在所有的处理器上运行这些程序，而不是在0 号处理器上运行＂。然后， 调度器将遵循该规则，程序仅仅运行在允许的处理器上。在Windows 操作系统上，给程序员设定CPU 亲缘性的接口是用一个32 位的双字型数表示的， 它被称为亲缘性掩码（Affinity bitMask）。亲缘性掩码是一系列的二进制位，每一位代表一个CPU 单元是否可执行当前任务。例如一个在具有四个CPU 的PC 机上（ 或四核CPU） ，亲缘性掩码的形式的二进制数如下式所示：
0000000000000000000000000000XXXXB
其中自右向左，每一位代表0 到31 号CPU是否可用，由于本机只有四个CPU， 所以只有前四个位可用，X 为1则代表当前任务可执行在此位代表的CPU 上，X 为0 则代表当前任务不可执行在此位代表的CPU 上， 例如：
00000000000000000000000000000010B
代表当前任务只能执行在1 号 CPU 上（CPU 下标记数从0 开始），又如0x00000004 代表当前任务只能执行在2 号CPU 上，0x00000003 代表当前任务可以运行在0号和1 号CPU 上。
Windows 的进程调度代码是在它的SySTem 进程下的，所以它不属于任何用户进程上下文。调度代码在适当的时机会切换进程上下文，这里的切换进程上下文是指进程环境的切换， 包括内存中的可执行程序， 提供程序运行的各种资源。进程拥有虚拟的地址空间，可执行代码， 数据， 对象句柄集， 环境变量， 基础优先级， 以及最大最小工作集等的切换。而Windows 最小的调度单位是线程， 只有线程才是真正的执行体，进程只是线程的容器。Windows 的调度程序在时间片到期，或有切换线程指令执行（如Sleep，KeWaitForSingleObject 等函数）时， 将会从进程线程队列中找到下一个要调度的线程执行体，并装入到KPCR（Kernel ＇ s Processor CONtr ol Re g i o n ， 内核进程控制区域） 结构中，CPU 根据KPCR 结构中的KPRCB 结构执行线程执行体代码。而在多核CPU 下，当Windows 调度代码执行时，从当前要调度执行的KTHREAD 结构中取出Affinity，并与当前PC 机上的硬件配置数据中的CPU 掩码作与操作，结果写入到指定的CPU，例如双核CPU 的设备掩码为0x03，如果当前KTHREAD 里的Affinity 为0x01，那么0x01&0x03=0x01，这样执行体线程会被装入CPU1的KPRCB 结构中得以执行，调度程序不会把这个线程交给CPU2 去执行。此过程如图2 所示。这就是为线程选择指定CPU 核的原理。
本文分析了Windows 系统的进程调度机制，并设计了一种基于Windows 操作系统内核驱动的多核CPU 线程管理方法，实现了一个基于Windows 内核驱动的线程管理服务系统，它能让用户根据每一个任务线程对CPU 资源的需要程度和对实时性的要求，在多核CPU上合理为线程分配CPU 核。
图1 Windows 内核调度结构体关系图
2 Windows 系统的进程调度方法分析
Windows NT 中的每一个进程都是EPROCESS 结构体。此结构体中除了进程的属性之外还引用了其它一些与实现进程紧密相关的结构体。例如，每个进程都有一个或几个线程，线程在系统中就是ETHREAD 结构体。简要描述一下存在于这个结构体中的主要的信息，这些信息都是由对内核函数的研究而得知的。首先，结构体中有KPROCESS 结构体，这个结构体中又有指向这些进程的内核线程（KTHREAD）链表的指针（分配地址空间），基优先级，在内核模式或是用户模式执行进程的线程的时间，处理器affini ty（掩码，定义了哪个处理器能执行进程的线程），时间片值。在ETHREAD 结构体中还存在着这样的信息：进程ID、父进程ID、进程映象名。
在E P R O C E S S 结构体中还有指向P E B 的指针。
ETHREAD 结构体还包含有创建时间和退出时间、进程ID 和指向EPROCESS 的指针，启动地址，I/O 请求链表和KTHREAD 结构体。在KTHREAD 中包含有以下信息：内核模式和用户模式线程的创建时间，指向内核堆栈基址和顶点的指针、指向服务表的指针、基优先级与当前优先级、指向APC 的指针和指向T E B 的指针。
KTHREAD 中包含有许多其它的数据，通过观察这些数据可以分析出KTHREAD 的结构。图1 描述了这些结构体之间的关系。
通过遍历KPROCESS 结构体中的ETHREAD，找到系统中当前所有的KTHREAD 结构，这个结构中的偏移量为0x124 处的Affinity 域（Windows XP sp3）即为设置CPU 亲缘性掩码的内存地址。在此重点解释CPU 亲缘性的概念，CPU 亲缘性就是指在系统中能够将一个或多个进程或线程绑定到一个或多个处理器上运行，这是期待已久的特性。也就是说：＂ 在1号处理器上一直运行该程序＂或者是＂在所有的处理器上运行这些程序，而不是在0 号处理器上运行＂。然后， 调度器将遵循该规则，程序仅仅运行在允许的处理器上。在Windows 操作系统上，给程序员设定CPU 亲缘性的接口是用一个32 位的双字型数表示的， 它被称为亲缘性掩码（Affinity bitMask）。亲缘性掩码是一系列的二进制位，每一位代表一个CPU 单元是否可执行当前任务。例如一个在具有四个CPU 的PC 机上（ 或四核CPU） ，亲缘性掩码的形式的二进制数如下式所示：
0000000000000000000000000000XXXXB
其中自右向左，每一位代表0 到31 号CPU是否可用，由于本机只有四个CPU， 所以只有前四个位可用，X 为1则代表当前任务可执行在此位代表的CPU 上，X 为0 则代表当前任务不可执行在此位代表的CPU 上， 例如：
00000000000000000000000000000010B
代表当前任务只能执行在1 号 CPU 上（CPU 下标记数从0 开始），又如0x00000004 代表当前任务只能执行在2 号CPU 上，0x00000003 代表当前任务可以运行在0号和1 号CPU 上。
Windows 的进程调度代码是在它的SySTem 进程下的，所以它不属于任何用户进程上下文。调度代码在适当的时机会切换进程上下文，这里的切换进程上下文是指进程环境的切换， 包括内存中的可执行程序， 提供程序运行的各种资源。进程拥有虚拟的地址空间，可执行代码， 数据， 对象句柄集， 环境变量， 基础优先级， 以及最大最小工作集等的切换。而Windows 最小的调度单位是线程， 只有线程才是真正的执行体，进程只是线程的容器。Windows 的调度程序在时间片到期，或有切换线程指令执行（如Sleep，KeWaitForSingleObject 等函数）时， 将会从进程线程队列中找到下一个要调度的线程执行体，并装入到KPCR（Kernel ＇ s Processor CONtr ol Re g i o n ， 内核进程控制区域） 结构中，CPU 根据KPCR 结构中的KPRCB 结构执行线程执行体代码。而在多核CPU 下，当Windows 调度代码执行时，从当前要调度执行的KTHREAD 结构中取出Affinity，并与当前PC 机上的硬件配置数据中的CPU 掩码作与操作，结果写入到指定的CPU，例如双核CPU 的设备掩码为0x03，如果当前KTHREAD 里的Affinity 为0x01，那么0x01&0x03=0x01，这样执行体线程会被装入CPU1的KPRCB 结构中得以执行，调度程序不会把这个线程交给CPU2 去执行。此过程如图2 所示。这就是为线程选择指定CPU 核的原理。
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