2011年2月28日 星期一

[ Windows DDP ] IRP 的同步 : 插斷服務常式 & DPC 常式

前言 : 
插斷服務常式是裝置觸發插斷後進入的常式. 當進入插斷服務常式後, IRQL 會提升到裝置對應的 IRQL 層級. 這裡將介紹插斷服務常式的概念和編寫方法做簡單介紹. 

插斷操作的必要性 : 
在介紹插斷服務常式之前, 先討論一下插斷操作的必要性. 在早期的 PC 中, 很多裝置都是 "輪詢(Polling)" 裝置. CPU 發出指令去操作裝置時, 操作一般不能迅速完成, 因此 CPU 需要不停地讀取裝置狀態, 從而判斷操作是否結束. 後來出現了 "插斷" 裝置. CPU 發出一個指令操做裝置後, CPU 並不急於知道操作是否已經完畢. 這時候 CPU 可以去做別的事. 當裝置完成操作後, 裝置會向 CPU 發出插斷要求. 插斷要求相當於通知裝置的操作已經完畢. "插斷" 裝置比 "輪詢" 裝置的效率高, 不會浪費太多的 CPU 時間. 
另外插斷要求可以巢狀嵌套. 當 CPU 處理一個低優先順序的插斷時, 它可以被更高優先順序的插斷打斷, 轉而執行優先順序高的插斷處理常式. 當執行完高優先順序的插斷服務常式後, 轉而讓剛被打斷的低優先順序的插斷恢復執行. 

插斷優先順序 : 
傳統 PC 用兩片插斷控制器 (8259A) 晶片層疊, 可以連接 16 個插斷信號. 給個插斷信號分配一個插斷號, 依次從 0~15. 多個裝置可以共用一個插斷號. 新一代的 PC 中使用新的插斷控制器, 並將插斷信號擴充到 24 個. 底下從裝置管理員可以看到插斷編號 : 
 
Windows 將插斷的概念進行了擴充, 擴充為 32 個插斷層級 (IRQL). 其中 0~2 層級, 即 PASSIVE_LEVEL 到 DISPATCH_LEVEL 層級為軟體插斷. 從 3~31 層級為硬體插斷. 優先順序從 0 到 31, 層級逐次升高. 
一般執行緒執行在 PASSIVE_LEVEL 層級, 而負責調度執行緒的內核程式碼執行在 DISPATCH_LEVEL 層級. 如果執行緒希望不要被切換到別的執行緒, 可以將執行緒從 PASSIVE_LEVEL 提升到 DISPATCH_LEVEL 層級. 硬體裝置發出的插斷訊號都是硬體插斷. 硬體插斷的優先順序都高於軟體優先順序, 也就是說執行的執行緒會隨時被硬體插斷打斷. DDK 把硬體插斷稱為 DIRQL. 

插斷服務常式 (ISR) : 
當硬體裝置的插斷信號發生後, IRQL 會提升到對應的 DIRQL 層級, 作業系統會呼叫對應的插斷服務常式 (ISR). 在驅動程式中使用 ISR 首先要獲得插斷物件, 該插斷物件是一個名為 INTERRUPT 的資料結構. 對於 NT 式 DDK 驅動和 WDM 驅動, 得到插斷物件使用不同的方法, 在後面章節會進行介紹. 
DDK 提供內合核函式 IoConnecInterrupt 將插斷物件和 ISR 聯繫起來, 這樣當插斷信號來臨時就會進入 ISR 處理. ISR 執行在 DIRQL 層級, 要高於普通執行緒的優先順序. 自旋鎖只能對 DISPATCH_LEVEL 以下的程式進行同步, 所以這時自旋鎖無法滿足同步的需求. 派遣函式, StartIO 常式隨時會被插斷程式所打斷. 為了不讓 ISR 打斷, 只需將 IRQL 提升到對應的 IRQL 即可. DDK 提供了與 ISR 函式同步的內核函式 KeSynchronizeExecution, 其宣告如下 : 

- Syntax :
  1. BOOLEAN KeSynchronizeExecution(  
  2.   __inout   PKINTERRUPT Interrupt,  
  3.   __in      PKSYNCHRONIZE_ROUTINE SynchronizeRoutine,  
  4.   __in_opt  PVOID SynchronizeContext  
  5. );  

- 參數說明 :
* 參數 Interrupt : 這個參數是插斷物件指標, ISR 和這個物件關聯.
* 參數 SynchronizeRoutine : 將當前 IRQL 提升至插斷物件對應的 DIRQL, 並執行 SynchronizeRoutine 函式.
* 參數 SynchronizeContext : 為 SynchronizeRoutine 提供的參數.

當執行到 KeSynchronizeExecution 的時候, ISR 不會打斷 KeSynchronizeExecution 提供的同步函式, 這需要將同步程式碼放入 KeSynchronizeExecution 提供的同步函式中. 

DPC 常式 : 
DPC 常式一般和插斷服務常式配合使用. 由於插斷服務常式處於很高的 IRQL, 會打斷正常執行的執行緒. 而 DPC 常式執行於相對低的 DISPATCH_LEVEL 層級, 因此一般將不需要緊急處理的程式碼放在 DPC 常式中, 而將需要緊急處理的程式碼放在插斷服務常式中. 
- 延遲程式呼叫常式 (DPC) 
延遲程式呼叫 (DPC) 廣泛應用於驅動程式開發中, 它執行在 DISPATCH_LEVEL 的 IRQL 層級, 因此除了 ISR, 其他的常式是不會將其打斷. 一般來說 ISR 執行時間不宜過長. 如果過長, 插度層級低的程式就無法得到回應, 例如滑鼠, 鍵盤的插斷就不能及時回應. 為了能回應更多的插斷, 應該讓 ISR 程式碼儘量少. 故 DDK 建議將一些不重要的回應程式碼從 ISR 移到 DPC 常式中. 
ISR 會將 DPC 插入一個內部佇列, 這樣當 IRQL 從高恢復到 DISPATCH_LEVEL 時, DPC 會依次從佇列中彈出, 並執行對應的 DPC 常式. 總結就是 ISR 的程式碼應該盡量少, 而將不重要的程式碼放入 DPC 常式中. 

- DpcForISR 
使用 DPC 常式, 首先要初始化 DPC 物件, 該動作使用內核函式 KeInitializeDpc, 其宣告如下 : 

- Syntax :
  1. VOID KeInitializeDpc(  
  2.   __out     PRKDPC Dpc,  
  3.   __in      PKDEFERRED_ROUTINE DeferredRoutine,  
  4.   __in_opt  PVOID DeferredContext  
  5. );  

- 參數說明 :
* 參數 Dpc : 需要初始化的 DPC 物件指標
* 參數 DeferredRoutine : 與 DPC 關聯的 DPC 常式
* 參數 DeferredContext : 傳入 DPC 常式的參數

更多的 DPC 常式使用會在後面章節進行說明. 

補充說明 : 
* [ Windows DDP ] 驅動程式的同步處理 : 插斷要求層級

2011年2月27日 星期日

[ Java Essence ] 眼見不為憑 : 不偷工反加料 (那些字串二三事)


轉載自 這裡
前言 :
在Java中,要建立字串很方便 :
  1. String str = "Java";  
依Java命名慣例而言,String這個名稱首字大寫,無疑地應該是個類別,這代表了,str是參考至一個String的實例。有些書會說,這個寫法其實等同於以下的寫法,而且這樣有建立物件的明確語義 :
  1. String str = new String("Java");  
這並不是全部的事實。這句話比較像是 :
  1. String str1 = "Java";  
  2. String str2 = new String(str1);  
也就是先前的那行程式碼,其實JVM建立了兩個String實例。這意謂著,直接使用雙引號包括字元來建立字串,以及自行用new關鍵字建立字字串是不同的,這可以由以下的程式碼來驗證 :
  1. String str1 = "Java";  
  2. String str2 = new String(str1);  
  3. System.out.println(str1 == str2);  
==運算子會比較兩個參考名稱是否參考至同一物件,上面的程式片段會印出false,也就是str1與str2是參考至不同物件。直接使用雙引號包括字元來建立字串,JVM會自行在記憶體中使用一個字串池(String pool)來維護,只要雙引號含括的字元內容相同(序列相同,大小寫相同),無論在程式碼中出現幾次,在字串池中都只有一個實例! 下面這段程式碼可以驗證 :
  1. String str1 = "Java";  
  2. String str2 = "Java";  
  3. System.out.println(str1 == str2);  
這個程式碼片段會印出true,因為雙引號含括的內容都是Java這個字元序列,雖然程式碼中出現了兩次"Java",但在字串池中卻只有一個實例,只不過依程式碼所定義的,被str1與str2所參考著. 一般書籍都會說,要比較字串是否相等要使用equals()方法而不是==,這個意思是指比較字串所含字元序列的相等性,而非參考名稱所參考的記憶體位置相等性。下面這個程式碼會顯示true,因為str1與str2所參考之物件,其所含字元序列都相等 :
  1. String str1 = "Java";  
  2. String str2 = new String(str1);  
  3. System.out.println(str1.equals(str2)); // 結果為 true  
每個字串都是不可變動的,這表示你一旦建立字串,就不可以修改它的字元內容。字串的字元內容,是維護在String中的字元陣列中 :
  1. public final class String  
  2.     implements java.io.Serializable, Comparable, CharSequence {  
  3.     /** The value is used for character storage. */  
  4.     private final char value[];  
下面這段程式碼,只不過是將字串內含字元陣列給另一個字串在內部複製或參考 :
  1. public String(String original) {  
  2.         int size = original.count;  
  3.         char[] originalValue = original.value;  
  4.         char[] v;  
  5.         if (originalValue.length > size) {  
  6.             v = Arrays.copyOfRange(originalValue, off, off+size);  
  7.         } else {  
  8.             v = originalValue;  
  9.         }  
  10.         this.offset = 0;  
  11.         this.count = size;  
  12.         this.value = v;  
  13.     }  
其它的字串建構式也是類似的。String上還有個intern()方法,可以讓你將字串放入字串池,或者是從字串池中取得JVM所維護的字串。如果你呼叫它,則會使用equals()方法,比較字串池中是否有字元序列相同的字串,如果有則傳回,如果無則將該字串置入字串池. 所以下面這個程式碼執行結果會是true :
  1. String str1 = "Java";  
  2. String str2 = new String(str1);  
  3. System.out.println(str1 == str2.intern());  
在Java中,可以使用+串接字串,例如 :
  1. String str1 = "Java";  
  2. String str2 = "Cool";  
  3. String str3 = str1 + str2;  
  4. System.out.println(str3);  
最後顯示的是JavaCool. 用+串接字串很方便,但要小心+會產生新的字串。這也不是全部的事實,因為它產生的更多,如果使用的是JDK5以上,可以實際反組譯看看 :
  1. String s = "Java";  
  2. String s1 = "Cool";  
  3. String s2 = (new StringBuilder()).append(s).append(s1).toString();  
  4. System.out.println(s2);  
如果是JDK1.4以下,則會在JVM內部產生StringBuffer完成類似的字串附加動作。StringBuilder或StringBuffer, 內部也是使用自動增加的字元陣列來維護,若長度不夠,則會產生新的更長的字元陣列,然後作字元陣列複製的動作。所以若是有頻繁串接字串的動作,例如在迴圈 中串接SQL之類的,會有效能上的隱憂,應當避免! 不過下面這個稍微有點不同 :
  1. String str = "Java" + "Cool";  
  2. System.out.println(str);  
執行結果一樣顯示JavaCool,不過反組譯它,你會發現編譯器很聰明 :
  1. String s = "JavaCool";  
  2. System.out.println(s);  
既然兩個都是雙引號括著,又直接使用+串接,那你要的不就是"JavaCool" ? 附帶一提的是,字串與物件之間也是可以使用+串接的!例如 :
  1. Map map = new HashMap();  
  2. map.put("key""value");  
  3. System.out.println("Map: " + map);  
這沒什麼!如果字串與物件使用+串接,其實最後會呼叫物件的toString()取得物件的字串描述,也就是說類似於 :
  1. Map map = new HashMap();  
  2. map.put("key""value");  
  3. System.out.println("Map: " + map.toString());  
這也不完全是事實,上面只是比喻!編譯器(或JVM)作的更多:
  1. HashMap hashmap = new HashMap();  
  2. hashmap.put("key""value");  
  3. System.out.println(  
  4.         (new StringBuilder()).append("Map: ").append(hashmap).toString());  
至於StringBuilder的append()作了什麼,留待你自行去探索一下它的原始碼吧!

補充說明 :
延伸閱讀 String and memory leaks
Probably most of the Java users is aware that String object is more complex than just an array of char. To make the usage of strings in Java more robust additional measures were taken – for instance the String pool was created to save memory by reusing the same String objects instead of allocating new ones. Another optimization that I want to talk about today is adding the offset and count fields to the String object instances...

[ Java 小學堂 ] Java 世界裡 equals 與 == 的差別
測試物件參考時,唯有當兩個參考指向同一物件時,==運算子的結果才為true,同樣的,唯有當兩個參考指向不同物件時,!=運算子的結果才為true,這兩個運算子的處理與物件的內容無關。需要特別注意的是,在String中使用==,因為Java為節省記憶體,會在某一輪調區中維護唯一的String物件,所以如果在類別裡使用同一字串,Java只會建立一個唯一的字串而已...
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[ Python 常見問題 ] How to shift a datetime object by 12 hours in python

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