《C++多线程编程实战》——2.10　在内核实现线程

2.10　在内核实现线程

整个内核就是一个进程，许多系统（内核）线程在其上下文中运行。内核有一个线程表，跟踪该系统中所有的线程。

内核维护这个传统的进程表以跟踪进程。那些可以阻塞线程的函数调用可作为系统调用执行，这比执行系统过程的代价更高。当线程被阻塞时，内核必须运行其他线程。当线程被毁坏时，则被标记为不可运行。但是，它的内核数据结构不会受到影响。然后在创建新的线程时，旧的线程将被再次激活，回收资源以备后用。当然，也可以回收用户级线程，但如果线程管理开销非常小，就没必要这样做。

准备就绪
下面的示例要求安装WinDDK（Driver Development Kit，驱动程序开发工具包），详情请参阅附录。成功安装WinDDK后，运行Visual Studio。

操作步骤
1．创建一个新的Win32应用程序项目，并命名为KernelThread。

2．打开【解决方案资源管理器】，并添加一个新的头文件，命名为ThreadApp.h。打开ThreadApp.h，并输入下面的代码：

#include <windows.h>
#include <tchar.h>

#define DRIVER_NAME TEXT( "TestDriver.sys" )
#define DRIVER_SERVICE_NAME TEXT( "TestDriver" )
#define Message(n) MessageBox(0, TEXT(n), \
TEXT("Test Driver Info"), 0)

BOOL StartDriver(LPTSTR szCurrentDriver);
BOOL StopDriver(void);```
3．现在，打开【解决方案资源管理器】，并添加一个新的源文件，命名为`ThreadApp.cpp`。打开`ThreadApp.cpp`，并输入下面的内容：

include "ThreadApp.h"

int APIENTRY WinMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance,
　　LPSTR szCommandLine, int iCmdShow)
{
　　StartDriver(DRIVER_NAME);
　　ShellAbout(0, DRIVER_SERVICE_NAME, TEXT(""), NULL);
　　StopDriver();
　　return 0;
}

BOOL StartDriver(LPTSTR szCurrentDriver)
{
　　HANDLE hFile = 0;
　　DWORD dwReturn = 0;
　　SC_HANDLE hSCManager = { 0 };
　　SC_HANDLE hService = { 0 };
　　SERVICE_STATUS ServiceStatus = { 0 };
　　TCHAR szDriverPath[MAX_PATH] = { 0 };
　　GetSystemDirectory(szDriverPath, MAX_PATH);
　　TCHAR szDriver[MAX_PATH + 1];

ifdef _UNICODE

　　wsprintf(szDriver, L"\drivers\%ws", DRIVER_NAME);

else

　　sprintf(szDriver, "\drivers\%s", DRIVER_NAME);

endif

　　_tcscat_s(szDriverPath, (_tcslen(szDriver) + 1) * sizeof(TCHAR),
　　　　szDriver);
　　BOOL bSuccess = CopyFile(szCurrentDriver, szDriverPath, FALSE);
　　if (bSuccess == FALSE)
　　{
　　　　Message("copy driver failed");
　　　　return bSuccess;
　　}
　　hSCManager = OpenSCManager(NULL, NULL,
　　　　SC_MANAGER_CREATE_SERVICE);
　　if (hSCManager == 0)
　　{
　　　　Message("open sc manager failed!");
　　　　return FALSE;
　　}
　　hService = CreateService(hSCManager, DRIVER_SERVICE_NAME,
　　　　DRIVER_SERVICE_NAME, SERVICE_START | DELETE | SERVICE_STOP,
　　　　SERVICE_KERNEL_DRIVER, SERVICE_DEMAND_START, SERVICE_ERROR_IGNORE,
　　　　szDriverPath, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL);
　　if (hService == 0)
　　{
　　　　hService = OpenService(hSCManager, DRIVER_SERVICE_NAME,
　　　　　　SERVICE_START | DELETE | SERVICE_STOP);
　　　　Message("create service failed!");
　　}
　　if (hService == 0)
　　{
　　　　Message("open service failed!");
　　　　return FALSE;
　　}
　　BOOL startSuccess = StartService(hService, 0, NULL);
　　if (startSuccess == FALSE)
　　{
　　　　Message("start service failed!");
　　　　return startSuccess;
　　}
　　CloseHandle(hFile);
　　return TRUE;
}

BOOL StopDriver(void)
{
　　SC_HANDLE hSCManager = { 0 };
　　SC_HANDLE hService = { 0 };
　　SERVICE_STATUS ServiceStatus = { 0 };
　　TCHAR szDriverPath[MAX_PATH] = { 0 };
　　GetSystemDirectory(szDriverPath, MAX_PATH);
　　TCHAR szDriver[MAX_PATH + 1];

ifdef _UNICODE

　　wsprintf(szDriver, L"\drivers\%ws", DRIVER_NAME);

else

　　sprintf(szDriver, "\drivers\%s", DRIVER_NAME);

endif

　　_tcscat_s(szDriverPath, (_tcslen(szDriver) + 1) * sizeof(TCHAR),
　　　　szDriver);
　　hSCManager = OpenSCManager(NULL, NULL,
　　　　SC_MANAGER_CREATE_SERVICE);
　　if (hSCManager == 0)
　　{
　　　　return FALSE;
　　}
　　hService = OpenService(hSCManager, DRIVER_SERVICE_NAME,
　　　　SERVICE_START | DELETE | SERVICE_STOP);
　　if (hService)
　　{
　　　　ControlService(hService, SERVICE_CONTROL_STOP,
　　　　　　&ServiceStatus);
　　　　DeleteService(hService);
　　　　CloseServiceHandle(hService);
　　　　BOOL ifSuccess = DeleteFile(szDriverPath);
　　　　return TRUE;
　　}
　　return FALSE;
}`
4．现在，打开【解决方案资源管理器】，创建一个新的空Win32控制台项目，并命名为DriverApp。

5．添加一个新的头文件，命名为DriverApp.h，并输入以下代码：

#include <ntddk.h> 

DRIVER_INITIALIZE DriverEntry;
DRIVER_UNLOAD OnUnload;```
6．打开【解决方案资源管理器】，在`DriverApp`项目下，添加一个新的源文件，命名为`DriverApp.cpp`。打开`DriverApp.cpp`，并输入以下代码：

include "DriverApp.h"

VOID ThreadStart(PVOID lpStartContext)
{
　　PKEVENT pEvent = (PKEVENT)lpStartContext;
　　DbgPrint("Hello! I am kernel thread. My ID is %u. Regards..",
　　　　(ULONG)PsGetCurrentThreadId());
　　KeSetEvent(pEvent, 0, 0);
　　PsTerminateSystemThread(STATUS_SUCCESS);
}

NTSTATUS DriverEntry(PDRIVER_OBJECT theDriverObject, PUNICODE_STRING
　 theRegistryPath)
{
　　HANDLE hThread = NULL;
　　NTSTATUS ntStatus = 0;
　　OBJECT_ATTRIBUTES ThreadAttributes;
　　KEVENT kEvent = { 0 };
　　PETHREAD pThread = 0;
　　theDriverObject->DriverUnload = OnUnload;
　　DbgPrint("Entering KERNEL mode..");
　　InitializeObjectAttributes(&ThreadAttributes, NULL, OBJ_KERNEL_HANDLE,
　　　　NULL, NULL);
　　__try
　　{
　　　　KeInitializeEvent(&kEvent, SynchronizationEvent, 0);
　　　　ntStatus = PsCreateSystemThread(&hThread, GENERIC_ALL,
　　　　　　&ThreadAttributes, NULL, NULL, (PKSTART_ROUTINE)&ThreadStart,
　　　　　　&kEvent);
　　　　if (NT_SUCCESS(ntStatus))
　　　　{
　　　　　　KeWaitForSingleObject(&kEvent, Executive, KernelMode, FALSE,
　　　　　　　　NULL);
　　　　　　ZwClose(hThread);
　　　　}
　　　　else
　　　　{
　　　　　　DbgPrint("Could not create system thread!");
　　　　}
　　}
　　__except (EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER)
　　{
　　　　DbgPrint("Error while creating system thread!");
　　}
　　return STATUS_SUCCESS;
}

VOID OnUnload(PDRIVER_OBJECT DriverObject)
{
　　DbgPrint("Leaving KERNEL mode..");
}`
示例分析
首先，创建了一个Win32应用程序，仅作为演示用。我们只想把驱动程序加载至内核中，还没有UI，甚至没有消息循环。然后，程序将显示ShellAbout对话框，这仅仅是为了让用户有时间阅读DbgView输出（欲详细了解DbgView，请参阅附录）。在用户关闭ShellAbout对话框后，程序将卸载驱动程序，应用程序结束。

我们创建的Win32应用程序只能加载和卸载驱动程序，所以不做进一步解释了。现在，来看DriverApp项目。为编译驱动程序设置好Visual Studio后（请查阅附录了解详细的Visual Studio的编译设置），我们声明了下面两个主例程，每个驱动程序都必须在DriverApp.h头文件中：

DRIVER_INITIALIZE DriverEntry;
DRIVER_UNLOAD OnUnload;```
这两个例程是驱动程序入口点和驱动程序的卸载例程。我们将使用驱动程序入口点初始化一个线程对象，并启动内核线程。新创建的线程将只写入一条显示它唯一标识符的消息，然后立刻返回。要说明的是，深入探讨和开发内核超出了本书讨论的范围，我们在这里浅尝辄止。因为驱动程序被编译为/TC2，我们必须确保在执行第一条命令之前已经声明了所有变量。如下代码所示：

HANDLE hThread = NULL;
NTSTATUS ntStatus = 0;
OBJECT_ATTRIBUTES ThreadAttributes;
KEVENT kEvent = { 0 };
PETHREAD pThread = 0;`
然后，还必须设置卸载例程：
`
theDriverObject->DriverUnload = OnUnload;`
另外，在创建内核线程之前，要用InitializeObjectAttributes例程初始化ThreadAttribute对象：
`
InitializeObjectAttributes(&ThreadAttributes, NULL, OBJ_KERNEL_HANDLE, NULL, NULL);`
内核开发必须执行得非常谨慎，哪怕是一丁点儿错误都会导致蓝屏死机BSOD）或机器崩溃。为此，我们使用_ try - _except块，它与我们熟悉的try-catch块稍有不同。

在内核中创建句柄和在用户空间中创建句柄不同。KeWaitForSingleObject例程无法使用PsCreateSystemThread返回的句柄。我们要在KeWaitForSingleObject返回时在线程中初始化一个触发的事件（事件将在第3章中详细介绍）。PsCreateSystemThread例程必须与ZwClose例程成对调用。调用ZwClose关闭内核句柄和防止内存泄漏。

最后，我们要实现PKSTART_ROUTINE或线程的开始地址，线程的指令从这里开始执行。下面是一个示例：
`
VOID (__stdcall* KSTART_ROUTINE)( PVOID StartContext );`
我们已经通过PsCreateSystemThread的最后一个参数传递了一个指向KEVENT的指针。现在，使用DbgPrint把相应的线程ID写入消息供用户阅读。然后，设置一个事件，以便相应的KeWaitForSingleObject调用可以返回并安全地退出驱动程序。确保PsTerminateSystemThread没有返回。内核将在卸载驱动程序时清理线程对象。

更多讨论
虽然内核线程能解决一些问题，但也不是万能的。例如，当多线程进程创建其他多线程进程时会发生什么情况？应该创建与旧进程的线程一样多的新进程，还是创建只有一个线程的新进程？在多数情况下，这取决于你下一步打算用进程做什么。如果要启动一个新程序，也许应该创建只有一个线程的进程。但如果是继续执行，也许应该创建具有同样数量线程的进程才对。

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时间： 2024-09-11 15:54:24

《C++多线程编程实战》——2.10　在内核实现线程

2.10　在内核实现线程

include "ThreadApp.h"

ifdef _UNICODE

else

endif

ifdef _UNICODE

else

endif

include "DriverApp.h"