Тема 3. Объекты ядра и их использование в приложении

Учебные вопросы

• Архитектура и структура объектов ядра
• Таблица дескрипторов и счетчик ссылок
• Наследование и дублирование (DuplicateHandle)
• Системный файловый ввод-вывод WinAPI
• Синхронизация потоков (мьютексы, семафоры)

Цели занятия

• Освоить архитектуру и жизненный цикл объектов ядра
• Изучить устройство таблицы дескрипторов
• Освоить функции CreateFileW, ReadFile, WriteFile
• Разобрать условия Дейкстры для взаимного исключения
• Изучить работу мьютексов, семафоров и функций ожидания

User и GDI объекты

• User Objects (user32.dll):
  • Окна (HWND), меню, курсоры, горячие клавиши
  • Привязаны к оконной станции; без безопасности DACL
• GDI Objects (gdi32.dll):
  • Шрифты (HFONT), кисти, контексты отображения (HDC)
  • Квотируются ОС (до 10 000 объектов на процесс)

Объекты ядра (Kernel Objects)

• Размещаются монопольно в памяти Ring 0
• Управляются диспетчером объектов (Object Manager)
• Защищены дескрипторами безопасности (DACL)
• Доступны пользовательскому коду только через HANDLE
• Типы: файлы, сокеты, процессы, потоки, задания, мьютексы, семафоры, события

Заголовок объекта (Object Header)

• Указатель типа: категория ресурса и допустимые операции
• Usage Count: глобальный счетчик активных ссылок в ОС
• Имя объекта: строковый путь в дереве диспетчера объектов
• Security Descriptor: права доступа (DACL, владелец SID)

Тело объекта (Object Body)

• Файл (File): текущее 64-битное смещение (offset), кэш
• Поток (Thread): контекст регистров, состояние, ID
• Мьютекс (Mutex): ID потока-владельца, счетчик рекурсии
• Семафор (Semaphore): текущий и максимальный счетчик слотов

Жизненный цикл объекта ядра

• Создание: вызов Create* выделяет память в Ring 0, Usage Count = 1, выдает HANDLE
• Разделение: вызов Open* или наследование добавляет запись в таблицу, Usage Count++
• Удаление: память освобождается только когда Usage Count == 0

Закрытие дескриптора (CloseHandle)

• Удаляет запись из таблицы дескрипторов процесса
• Атомарно уменьшает Usage Count объекта ядра
• Важное правило:
  • CloseHandle(pi.hProcess) не останавливает процесс!
  • Освобождается лишь ссылка родительского процесса на объект дочернего процесса

Наследование дескрипторов

1. При создании объекта установить флаг:

SECURITY_ATTRIBUTES sa;
sa.nLength = sizeof(sa);
sa.lpSecurityDescriptor = NULL;
sa.bInheritHandle = TRUE; // Разрешить

HANDLE h = CreateFileW(L"log.txt", 
    GENERIC_WRITE, 0, &sa, 
    CREATE_ALWAYS, 0, NULL);

2. При создании процесса разрешить наследование:

CreateProcessW(NULL, cmd, NULL, NULL, 
    TRUE, 0, NULL, NULL, &si, &pi);

Дублирование: DuplicateHandle

Передача дескриптора в работающий процесс:

DuplicateHandle(
    hSourceProcess, // Источник
    hSourceHandle,  // Исходный дескриптор
    hTargetProcess, // Процесс-получатель
    &hTargetHandle, // Новый дескриптор
    0,              // Желаемый доступ
    FALSE,          // Наследование
    DUPLICATE_SAME_ACCESS
);

• Ядро атомарно вносит запись в таблицу целевого процесса и инкрементирует Usage Count

Имена объектов ядра

• Объекты синхронизации и память могут иметь имена
• Доступны для открытия через OpenMutexW, OpenEventW
• Пространства имен:
  • Global\имя — доступен во всех пользовательских сессиях (требует SeCreateGlobalPrivilege)
  • Local\имя — изолирован в рамках сессии пользователя

Паттерн Single Instance

Запрет запуска второй копии программы через именованный мьютекс:

HANDLE hMutex = CreateMutexW(NULL, FALSE, 
    L"Local\\MyUniqueAppLock");

if (GetLastError() == ERROR_ALREADY_EXISTS) {
    printf("Программа уже запущена!\n");
    CloseHandle(hMutex);
    return 0; // Завершение копии
}

// Выполнение основного приложения...
CloseHandle(hMutex);

Системный вызов SetFilePointerEx

LARGE_INTEGER distance, newPos;
distance.QuadPart = 4096; // 64 бита

BOOL bOk = SetFilePointerEx(
    hFile,          // Дескриптор файла
    distance,       // Смещение (64 бита)
    &newPos,        // Новая позиция
    FILE_BEGIN      // Базовая точка
);

• Файловый объект ядра хранит 64-битный указатель смещения
• Успешный ReadFile или WriteFile автоматически сдвигает указатель

Точки отсчета (dwMoveMethod)

• FILE_BEGIN: смещение относительно начала файла (аналог POSIX SEEK_SET)
• FILE_CURRENT: смещение относительно текущего положения указателя (SEEK_CUR)
• FILE_END: смещение относительно конца файла (SEEK_END, для дозаписи или вычисления размера)

Итерационный обход каталогов

WIN32_FIND_DATAW fd;
HANDLE hFind = FindFirstFileW(
    L"C:\\data\\*.*", &fd);

if (hFind != INVALID_HANDLE_VALUE) {
    do {
        if (fd.dwFileAttributes & 
            FILE_ATTRIBUTE_DIRECTORY) {
            wprintf(L"[DIR]  %s\n", fd.cFileName);
        } else {
            ULARGE_INTEGER sz;
            sz.LowPart = fd.nFileSizeLow;
            sz.HighPart = fd.nFileSizeHigh;
            wprintf(L"[FILE] %s (%llu B)\n", 
                    fd.cFileName, sz.QuadPart);
        }
    } while (FindNextFileW(hFind, &fd));
    FindClose(hFind); // Обязательно!
}

Важность вызова FindClose

• hFind — дескриптор поиска ядра, удерживающий контекст сканирования директории
• Удерживает внутренние буферы драйвера файловой системы
• Пропуск FindClose приводит к утечке дескрипторов ядра и блокировке каталога от удаления

Понятие критической секции

• Участок кода, обращающийся к разделяемому ресурсу (памяти, файлу, очереди)
• Одновременный доступ искажает данные (Race Condition)
• Требует алгоритмической синхронизации

Три условия Дейкстры

1. Взаимное исключение: внутри секции не более одного потока
2. Прогресс: свободная секция немедленно доступна ждущему потоку
3. Ограниченное ожидание: конечное время ожидания (без голодания Starvation)

Особенности мьютекса

• Владение (Ownership): захватывается и освобождается одним и тем же потоком (TID)
• Рекурсивность: повторный захват тем же потоком безопасен (счетчик рекурсии)
• WAIT_ABANDONED: при падении владельца ядро автоматически сигнализирует объект ждущему потоку

Использование мьютекса

HANDLE hMutex = CreateMutexW(NULL, FALSE, NULL);

DWORD dw = WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
if (dw == WAIT_OBJECT_0) {
    shared_counter++; // Критическая секция
    ReleaseMutex(hMutex);
} else if (dw == WAIT_ABANDONED) {
    // Владелец завершился аварийно!
    ReleaseMutex(hMutex);
}

Принцип работы семафора

• Поддерживает целочисленный счетчик свободных ресурсов от 0 до максимума $N$
• Счетчик > 0: объект сигнален
• Счетчик == 0: объект несигнален
• WaitForSingleObject уменьшает счетчик на 1
• ReleaseSemaphore увеличивает счетчик на указанное число слотов

Сравнение с мьютексом

Характеристика	Мьютекс	Семафор
Назначение	Взаимное исключение	Пул из $N$ ресурсов
Владение	Есть (TID)	Отсутствует
Освобождение	Только владелец	Любой поток
Рекурсивность	Поддерживается	Не поддерживается
При аварии	WAIT_ABANDONED	Нет защиты

Использование в коде

HANDLE h[2] = {hWorker, hShutdown};

DWORD dw = WaitForMultipleObjects(
    2,        // Число объектов (до 64)
    h,        // Массив дескрипторов
    FALSE,    // bWaitAll: FALSE=любой
    INFINITE  // Таймаут ожидания
);

if (dw == WAIT_OBJECT_0) {
    printf("Поток вычислений завершен\n");
} else if (dw == WAIT_OBJECT_0 + 1) {
    printf("Экстренная остановка!\n");
}

Правила ожидания

• Лимит: до MAXIMUM_WAIT_OBJECTS (64 дескриптора)
• bWaitAll = TRUE: ждет готовности всех объектов одновременно
• bWaitAll = FALSE: ждет готовности любого объекта; индекс = dw - WAIT_OBJECT_0
• При одновременной готовности возвращается наименьший индекс

Опасность TerminateThread

• Мгновенно обрывает поток на текущей машинной инструкции
• Оставляет заблокированными мьютексы, критические секции и системную кучу
• Приводит к дедлокам и фатальному зависанию приложения

Кооперативная отмена (Event)

1. Создание: CreateEventW(NULL, TRUE, FALSE, NULL)
2. Опрос: if (WaitForSingleObject(hStop, 0) == 0) break;
3. Сигнал: главный поток вызывает SetEvent(hStop)
4. Ожидание: WaitForSingleObject(hThread, INFINITE)

Объекты ядра и дескрипторы

• Память Ring 0, защита через DACL
• Таблица дескрипторов локальна для каждого процесса
• Usage Count удаляет объект строго при нуле ссылок
• Имена в Global\ и Local\ обеспечивают IPC

Синхронизация и ввод-вывод

• Прямой ввод-вывод CreateFileW без буферов CRT
• Защита критических секций от состояния гонки
• Мьютекс: взаимное исключение, владение и WAIT_ABANDONED
• Семафор ($N$ ресурсов) и мультиплексор WaitForMultipleObjects