驱动开发:内核中自旋锁结构

提到自旋锁那就必须要说链表,在上一篇《内核中的链表与结构体》文章中简单实用链表结构来存储进程信息列表,相信读者应该已经理解了内核链表的基本使用,本篇文章将讲解自旋锁的简单应用,自旋锁是为了解决内核链表读写时存在线程同步问题,解决多线程同步问题必须要用锁,通常使用自旋锁,自旋锁是内核中提供的一种高IRQL锁,用同步以及独占的方式访问某个资源。

在了解自旋锁之前需简单介绍一下内核中如何分配内存,一般而言分配内存有两个函数来实现ExAllocatePool可实现分配不带有任何标签的内存空间,而ExAllocatePoolWithTag则可分配带标签的,两者在使用上没有任何区别与之对应的就是释放ExFreePool用于释放非标签内存,而ExFreePoolWithTag则用于通过传入的标签释放对应的内存。

此处的分页属性常用的有三种,NonPagedPool用于分配非分页内存,PagedPool是分页内存,NonPagedPoolExecute是带有执行权限的非分页内存。

  • NonPagedPool: 用于分配非分页内存,该内存不会被交换到磁盘上,并且可以直接被内核访问。适用于需要快速访问的内存,例如驱动程序的代码、中断处理程序、系统调用等。

  • PagedPool: 用于分配分页内存,该内存可能会被交换到磁盘上,需要通过分页机制进行访问。适用于占用空间较大、访问频率较低的内存,例如缓存、数据结构等。

  • NonPagedPoolExecute: 是带有执行权限的非分页内存,适用于需要执行代码的情况,例如一些特殊的驱动程序。

需要注意的是,使用NonPagedPoolExecute分配内存存在一定的安全风险,因为恶意软件可能会利用该内存进行攻击。因此,建议仅在必要时使用该分页属性。

#include <ntifs.h>

typedef struct _MyStruct
{
ULONG x;
ULONG y;
}MyStruct, *pMyStruct;

VOID UnDriver(PDRIVER_OBJECT driver)
{
DbgPrint("驱动已卸载 \n");
}

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

// 用于分配与释放非标签内存
PVOID buffer = ExAllocatePool(NonPagedPool, 1024);

DbgPrint("[*] 分配内存地址 = %p \n", buffer);

ExFreePool(buffer);

// 用于分配带有标签的内存
pMyStruct ptr_buffer = (pMyStruct)ExAllocatePoolWithTag(NonPagedPoolExecute, sizeof(pMyStruct),"lyshark");

ptr_buffer->x = 100;
ptr_buffer->y = 200;

DbgPrint("[*] 分配内存 x = %d y = %d \n", ptr_buffer->x, ptr_buffer->y);

ExFreePoolWithTag(ptr_buffer, "lyshark");

UNICODE_STRING dst = { 0 };
UNICODE_STRING src = RTL_CONSTANT_STRING(L"hello lyshark");

dst.Buffer = (PWCHAR)ExAllocatePool(NonPagedPool, src.Length);
if (dst.Buffer == NULL)
{
DbgPrint("[-] 分配空间错误 \n");
}

dst.Length = dst.MaximumLength = src.Length;

RtlCopyUnicodeString(&dst, &src);

DbgPrint("[*] 输出拷贝 = %wZ \n", dst);

Driver->DriverUnload = UnDriver;
return STATUS_SUCCESS;
}

代码输出效果如下图所示;

接着步入正题,以简单的链表为案例,链表主要分为单向链表与双向链表,单向链表的链表节点中只有一个链表指针,其指向后一个链表元素,而双向链表节点中有两个链表节点指针,其中Blink指向前一个链表节点Flink指向后一个节点,以双向链表为例。

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

/*
// 链表节点指针
typedef struct _LIST_ENTRY
{
struct _LIST_ENTRY *Flink; // 当前节点的后一个节点
struct _LIST_ENTRY *Blink; // 当前节点的前一个结点
}LIST_ENTRY, *PLIST_ENTRY;
*/

typedef struct _MyStruct
{
ULONG x;
ULONG y;
LIST_ENTRY lpListEntry;
}MyStruct,*pMyStruct;

VOID UnDriver(PDRIVER_OBJECT driver)
{
DbgPrint("驱动卸载成功 \n");
}

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

// 初始化头节点
LIST_ENTRY ListHeader = { 0 };
InitializeListHead(&ListHeader);

// 定义链表元素
MyStruct testA = { 0 };
MyStruct testB = { 0 };
MyStruct testC = { 0 };

testA.x = 100;
testA.y = 200;

testB.x = 1000;
testB.y = 2000;

testC.x = 10000;
testC.y = 20000;

// 分别插入节点到头部和尾部
InsertHeadList(&ListHeader, &testA.lpListEntry);
InsertTailList(&ListHeader, &testB.lpListEntry);
InsertTailList(&ListHeader, &testC.lpListEntry);

// 节点不为空 则 移除一个节点
if (IsListEmpty(&ListHeader) == FALSE)
{
RemoveEntryList(&testA.lpListEntry);
}

// 输出链表数据
PLIST_ENTRY pListEntry = NULL;
pListEntry = ListHeader.Flink;

while (pListEntry != &ListHeader)
{
// 计算出成员距离结构体顶部内存距离
pMyStruct ptr = CONTAINING_RECORD(pListEntry, MyStruct, lpListEntry);
DbgPrint("节点元素X = %d 节点元素Y = %d \n", ptr->x, ptr->y);

// 得到下一个元素地址
pListEntry = pListEntry->Flink;
}

Driver->DriverUnload = UnDriver;
return STATUS_SUCCESS;
}

链表输出效果如下图所示;

如上所述,在内核开发中,多线程访问同一数据结构时会存在线程同步问题,为了解决这种问题,可以使用锁机制进行同步。自旋锁是一种常用的锁机制,它是一种高IRQL锁,用于同步和独占地访问某个资源。

  • 自旋锁的基本思想是:当一个线程尝试获取锁时,如果锁已经被占用,则该线程不断循环(即自旋),直到锁被释放。自旋锁适用于锁的持有时间较短,且竞争者较少的情况下,可以避免进程上下文的切换和调度开销。

Windows内核提供了多种类型的自旋锁,例如KSPIN_LOCK、KIRQL等。其中,KSPIN_LOCK是最常用的自旋锁类型,可以通过KeInitializeSpinLock函数初始化一个自旋锁,并通过KeAcquireSpinLockKeReleaseSpinLock函数进行加锁和解锁操作。

需要注意的是,使用自旋锁要注意死锁和优先级反转等问题,因此在实际应用中需要谨慎使用。

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

/*
// 链表节点指针
typedef struct _LIST_ENTRY
{
struct _LIST_ENTRY *Flink; // 当前节点的后一个节点
struct _LIST_ENTRY *Blink; // 当前节点的前一个结点
}LIST_ENTRY, *PLIST_ENTRY;
*/

typedef struct _MyStruct
{
ULONG x;
ULONG y;
LIST_ENTRY lpListEntry;
}MyStruct, *pMyStruct;

// 定义全局链表和全局锁
LIST_ENTRY my_list_header;
KSPIN_LOCK my_list_lock;

// 初始化
void Init()
{
InitializeListHead(&my_list_header);
KeInitializeSpinLock(&my_list_lock);
}

// 函数内使用锁
void function_ins()
{
KIRQL Irql;

// 加锁
KeAcquireSpinLock(&my_list_lock, &Irql);

DbgPrint("锁内部执行 \n");

// 释放锁
KeReleaseSpinLock(&my_list_lock, Irql);
}

VOID UnDriver(PDRIVER_OBJECT driver)
{
DbgPrint("驱动卸载成功 \n");
}

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

// 初始化链表
Init();

// 分配链表空间
pMyStruct testA = (pMyStruct)ExAllocatePool(NonPagedPoolExecute, sizeof(pMyStruct));
pMyStruct testB = (pMyStruct)ExAllocatePool(NonPagedPoolExecute, sizeof(pMyStruct));

// 赋值
testA->x = 100;
testA->y = 200;

testB->x = 1000;
testB->y = 2000;

// 向全局链表中插入数据
if (NULL != testA && NULL != testB)
{
ExInterlockedInsertHeadList(&my_list_header, (PLIST_ENTRY)&testA->lpListEntry, &my_list_lock);
ExInterlockedInsertTailList(&my_list_header, (PLIST_ENTRY)&testB->lpListEntry, &my_list_lock);
}

function_ins();

// 移除节点A并放入到remove_entry中
PLIST_ENTRY remove_entry = ExInterlockedRemoveHeadList(&testA->lpListEntry, &my_list_lock);

// 输出链表数据
while (remove_entry != &my_list_header)
{
// 计算出成员距离结构体顶部内存距离
pMyStruct ptr = CONTAINING_RECORD(remove_entry, MyStruct, lpListEntry);
DbgPrint("节点元素X = %d 节点元素Y = %d \n", ptr->x, ptr->y);

// 得到下一个元素地址
remove_entry = remove_entry->Flink;
}

Driver->DriverUnload = UnDriver;
return STATUS_SUCCESS;
}

加锁后执行效果如下图所示;