驱动开发：内核使用IO/DPC定时器

发表于 2023-03-22 更新于 2023-07-04 分类于《Windows 内核安全编程技术实践》

本章将继续探索驱动开发中的基础部分，定时器在内核中同样很常用，在内核中定时器可以使用两种，即IO定时器，以及DPC定时器，一般来说IO定时器是DDK中提供的一种，该定时器可以为间隔为N秒做定时，但如果要实现毫秒级别间隔，微秒级别间隔，就需要用到DPC定时器，如果是秒级定时其两者基本上无任何差异，本章将简单介绍`IO/DPC`这两种定时器的使用技巧。

首先来看IO定时器是如何使用的，IO定时器在使用上需要调用IoInitializeTimer函数对定时器进行初始化，但需要注意的是此函数每个设备对象只能调用一次，当初始化完成后用户可调用IoStartTimer让这个定时器运行，相反的调用IoStopTimer则用于关闭定时。

// 初始化定时器
NTSTATUS IoInitializeTimer(
  [in]           PDEVICE_OBJECT         DeviceObject,  // 设备对象
  [in]           PIO_TIMER_ROUTINE      TimerRoutine,  // 回调例程
  [in, optional] __drv_aliasesMem PVOID Context        // 回调例程参数
);
// 启动定时器
VOID IoStartTimer(
  [in] PDEVICE_OBJECT DeviceObject             // 设备对象
);
// 关闭定时器
VOID IoStopTimer(
  [in] PDEVICE_OBJECT DeviceObject             // 设备对象
);

这里我们最关心的其实是IoInitializeTimer函数中的第二个参数TimerRoutine该参数用于传递一个自定义回调函数地址，其次由于定时器需要依附于一个设备，所以我们还需要调用IoCreateDevice创建一个新设备来让定时器线程使用，实现定时器代码如下所示。

#include <ntifs.h>
#include <wdm.h>
#include <ntstrsafe.h>

LONG count = 0;

// 自定义定时器函数
VOID MyTimerProcess( __in struct _DEVICE_OBJECT *DeviceObject, __in_opt PVOID Context)
{
	InterlockedIncrement(&count);
	DbgPrint("定时器计数 = %d", count);
}

VOID UnDriver(PDRIVER_OBJECT driver)
{
	// 关闭定时器
	IoStopTimer(driver->DeviceObject);

	// 删除设备
	IoDeleteDevice(driver->DeviceObject);

	DbgPrint(("Uninstall Driver Is OK \n"));
}

NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT Driver, PUNICODE_STRING RegistryPath)
{
	DbgPrint("hello lyshark \n");

	NTSTATUS status = STATUS_UNSUCCESSFUL;

	// 定义设备名以及定时器
	UNICODE_STRING dev_name = RTL_CONSTANT_STRING(L"");
	PDEVICE_OBJECT dev;
	status = IoCreateDevice(Driver, 0, &dev_name, FILE_DEVICE_UNKNOWN, FILE_DEVICE_SECURE_OPEN, FALSE, &dev);
	if (!NT_SUCCESS(status))
	{
		return STATUS_UNSUCCESSFUL;
	}
	else
	{
		// 初始化定时器并开启
		IoInitializeTimer(dev, MyTimerProcess, NULL);
		IoStartTimer(dev);
	}

	Driver->DriverUnload = UnDriver;
	return STATUS_SUCCESS;
}

编译并运行这段代码，那么系统会每隔1秒执行一次MyTimerProcess这个自定义函数。

那么如何让其每隔三秒执行一次呢，其实很简单，通过InterlockedDecrement函数实现递减（每次调用递减1）当计数器变为0时InterlockedCompareExchange会让其继续变为3，以此循环即可完成三秒输出一次的效果。

LONG count = 3;

// 自定义定时器函数
VOID MyTimerProcess(__in struct _DEVICE_OBJECT *DeviceObject, __in_opt PVOID Context)
{
	// 递减计数
	InterlockedDecrement(&count);

	// 当计数减到0之后继续变为3
	LONG preCount = InterlockedCompareExchange(&count, 3, 0);

	//每隔3秒计数器一个循环输出如下信息
	if (preCount == 0)
	{
		DbgPrint("[LyShark] 三秒过去了 \n");
	}
}

程序运行后，你会看到如下输出效果；

相比于IO定时器来说，DPC定时器则更加灵活，其可对任意间隔时间进行定时，DPC定时器内部使用定时器对象KTIMER，当对定时器设定一个时间间隔后，每隔这段时间操作系统会将一个DPC例程插入DPC队列。当操作系统读取DPC队列时，对应的DPC例程会被执行，此处所说的DPC例程同样表示回调函数。

DPC定时器中我们所需要使用的函数声明部分如下所示；

// 初始化定时器对象 PKTIMER 指向调用方为其提供存储的计时器对象的指针
void KeInitializeTimer(
  [out] PKTIMER Timer    // 定时器指针
);

// 初始化DPC对象
void KeInitializeDpc(
  [out]          __drv_aliasesMem PRKDPC Dpc,
  [in]           PKDEFERRED_ROUTINE      DeferredRoutine,
  [in, optional] __drv_aliasesMem PVOID  DeferredContext
);

// 设置定时器
BOOLEAN KeSetTimer(
  [in, out]      PKTIMER       Timer,     // 定时器对象的指针
  [in]           LARGE_INTEGER DueTime,   // 时间间隔
  [in, optional] PKDPC         Dpc        // DPC对象
);

// 取消定时器
BOOLEAN KeCancelTimer(
  [in, out] PKTIMER unnamedParam1         // 定时器指针
);

注意；在调用KeSetTimer后，只会触发一次DPC例程。如果想周期的触发DPC例程，需要在DPC例程被触发后，再次调用KeSetTimer函数，应用DPC定时代码如下所示。

#include <ntifs.h>
#include <wdm.h>
#include <ntstrsafe.h>

LONG count = 0;
KTIMER g_ktimer;
KDPC g_kdpc;

// 自定义定时器函数
VOID MyTimerProcess(__in struct _KDPC *Dpc,__in_opt PVOID DeferredContext,__in_opt PVOID SystemArgument1,__in_opt PVOID SystemArgument2)
{
	LARGE_INTEGER la_dutime = { 0 };
	la_dutime.QuadPart = 1000 * 1000 * -10;

	// 递增计数器
	InterlockedIncrement(&count);

	DbgPrint("DPC 定时执行 = %d", count);

	// 再次设置定时
	KeSetTimer(&g_ktimer, la_dutime, &g_kdpc);
}

VOID UnDriver(PDRIVER_OBJECT driver)
{
	// 取消计数器
	KeCancelTimer(&g_ktimer);

	DbgPrint(("Uninstall Driver Is OK \n"));
}

NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT Driver, PUNICODE_STRING RegistryPath)
{
	DbgPrint("hello lyshark \n");

	LARGE_INTEGER la_dutime = { 0 };

	// 每隔1秒执行一次
	la_dutime.QuadPart = 1000 * 1000 * -10;

	// 1.初始化定时器对象
	KeInitializeTimer(&g_ktimer);

	// 2.初始化DPC定时器
	KeInitializeDpc(&g_kdpc, MyTimerProcess, NULL);

	// 3.设置定时器,开始计时
	KeSetTimer(&g_ktimer, la_dutime, &g_kdpc);

	Driver->DriverUnload = UnDriver;
	return STATUS_SUCCESS;
}

编译并运行这段程序，会发现其运行后的定时效果与IO定时器并无太大区别，但是DPC可以控制更精细，通过la_dutime.QuadPart = 1000 * 1000 * -10毫秒级别都可被控制。

最后扩展一个知识点，如何得到系统的当前详细时间，获得系统时间。在内核里通过KeQuerySystemTime获取的系统时间是标准时间（GMT+0），转换成本地时间还需使用RtlTimeToTimeFields函数将其转换为TIME_FIELDS结构体格式。

#include <ntifs.h>
#include <wdm.h>
#include <ntstrsafe.h>

/*
	typedef struct TIME_FIELDS
	{
	CSHORT Year;
	CSHORT Month;
	CSHORT Day;
	CSHORT Hour;
	CSHORT Minute;
	CSHORT Second;
	CSHORT Milliseconds;
	CSHORT Weekday;
	} TIME_FIELDS;
*/

// 内核中获取时间
VOID MyGetCurrentTime()
{
	LARGE_INTEGER CurrentTime;
	LARGE_INTEGER LocalTime;
	TIME_FIELDS   TimeFiled;
	
	// 得到格林威治时间
	KeQuerySystemTime(&CurrentTime);
	
	// 转成本地时间
	ExSystemTimeToLocalTime(&CurrentTime, &LocalTime);
	
	// 转换为TIME_FIELDS格式
	RtlTimeToTimeFields(&LocalTime, &TimeFiled);

	DbgPrint("[时间与日期] %4d年%2d月%2d日 %2d时%2d分%2d秒",
		TimeFiled.Year, TimeFiled.Month, TimeFiled.Day,
		TimeFiled.Hour, TimeFiled.Minute, TimeFiled.Second);
}

VOID UnDriver(PDRIVER_OBJECT driver)
{
	DbgPrint(("Uninstall Driver Is OK \n"));
}

NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT Driver, PUNICODE_STRING RegistryPath)
{
	MyGetCurrentTime();

	DbgPrint("hello lyshark \n");

	Driver->DriverUnload = UnDriver;
	return STATUS_SUCCESS;
}

运行后即可在内核中得到当前系统的具体时间；