浅议APC

0x01  APC中断请求级别

　　   在Intel x86体系结构中，外部硬件中断是通过处理器上的"中断管脚"或者一个称为"本地APIC(local APIC)"的内置模块来发生的。本地APIC可以接收的中断源包括:　　

　　

　　　　1处理器管脚(LINT0和LINT1)

　　　　2本地APIC定时器(timer)

　　　　3性能监视计数器中断

　　　　4热传感器中断

　　　　5 APIC内部错误中断

 　　

　　APIC这个硬件中断设备是有优先级的，它使用了一个可编程阵列硬件来实现，并且在系统初始化的时候就完成了，Intel x86定义了256个中断向量号(Interrupt Vector Number)，也称为中断向量，从0~255。这就对应了IDT中断描述符表，IDT的表项数目就是256，也就是说，APIC定义的是IDT中的中断例程的优先级

 　　对于一个处理器，它一旦被中断(可能来自内部，可能来自外部，可能是硬中断，可能是软中断)，则某个预设的"中断服务例程"便被执行。而系统软件(操作系统)要做的事情就是，提供这些例程，并将它们设定到处理器的硬件中断向量表(即IDT)中。

　　然而尽管APIC中断控制器已经提供了中断优先级支持，windows还是自己定义了一套优先级方案，称为"中断请求级别(IRPL Interrupt Request Level)"。在Intel x86系统中，windows使用了0~31来表示优先级，数值越大，优先级越高。内核为软件中断定义了一组标准的IRQL，而HAL则将硬件中断号映射为IRQL。

　　IRQL的宏定义：

#define PASSIVE_LEVEL 0        //Passive release level(被动级别)
#define LOW_LEVEL 0        //Lowest interrupt level
#define APC_LEVEL 1        //APC interrupt level
#define DISPATCH_LEVEL 2    //Dispatcher level
#define PROFILE_LEVEL 27    //Timer used for profiling
#define CLOCK1_LEVEL 28        //Interval clock 1 level
#define CLOCK2_LEVEL 28        //Interval clock 2 level
#define IPI_LEVEL 29        //Interprocessor interrupt level
#define POWER_LEVEL 30        //Power failure level
#define HIGH_LEVEL 31        //Highest interrupt level

　　对于IRQL，PASSIVE_LEVEL(被动级别)代表了最低的IRQL，那既然你最低，运行在PASSIVE_LEVEL的线程可以被任何更高的IRQL(从LOW_LEVEL开始都可以)的事情打断，所有的的用户模式代码都运行在PASSIVE_LEVEL(被动模式)上。而APC_LEVEL(APC级别)比PASSIVE_LEVEL高，这也正是在一个线程中插入一个APC可以打断该线程(如果被插入的这个线程正在PASSIVE_LEVEL上运行)的原因（APC注入的原理）。

　　

　　

　　APC_LEVEL位于PASSIVE_LEVEL和DISPATCH_LEVEL之间，这是"专门"为另一种称为APC(异步过程调用 Asynchronous Procedure Call)的"软件中断"而保留的IRQL。每个APC都是在特定的线程环境中执行的，从而也一定在特定的进程环境中执行。APC是针对线程的，每个线程都有自己特有的APC链表。同一个线程的APC也是被排队执行的(思考线程的IRP对清队列，我们的IO请求要被排队执行，APC作为IRP请求的一种也不例外)。

　　由于APC的IRQL高于PASSIVE_LEVEL，所以，它优先于普通的"线程代码"。当一个线程获得控制时，它的APC进程会立刻被执行(即执行APC队列中的IRP请求)。这一特性使得APC非常适合于实现各种异步通知事件。例如，I/O完成通知可以用APC来实现。

　　（详细内容见《windows内核原理与实现》第5章2.6节）

 

 

0x02  APC结构

　　APC是与线程相关的，在描述线程的结构KTHREAD中，可以看到很多带APC字眼的成员。

win7   32:

kd> dt _kthread
dtx is unsupported for this scenario.  It only recognizes dtx [<type>] [<address>] with -a, -h, and -r.  Reverting to dt.
ntdll!_KTHREAD
   +0x000 Header           : _DISPATCHER_HEADER
   +0x010 CycleTime        : Uint8B
   +0x018 HighCycleTime    : Uint4B
   +0x020 QuantumTarget    : Uint8B
   +0x028 InitialStack     : Ptr32 Void
   +0x02c StackLimit       : Ptr32 Void
   +0x030 KernelStack      : Ptr32 Void
   +0x034 ThreadLock       : Uint4B
   +0x038 WaitRegister     : _KWAIT_STATUS_REGISTER
   +0x039 Running          : UChar
   +0x03a Alerted          : [2] UChar
   +0x03c KernelStackResident : Pos 0, 1 Bit
   +0x03c ReadyTransition  : Pos 1, 1 Bit
   +0x03c ProcessReadyQueue : Pos 2, 1 Bit
   +0x03c WaitNext         : Pos 3, 1 Bit
   +0x03c SystemAffinityActive : Pos 4, 1 Bit
   +0x03c Alertable        : Pos 5, 1 Bit
 ……
   +0x040 ApcState         : _KAPC_STATE
……
   +0x168 ApcStatePointer  : [2] Ptr32 _KAPC_STATE
   +0x170 SavedApcState    : _KAPC_STATE
    ……

　　可以看到在win7的32位下，与kthread偏移为0x40和0x170处，有两个成员：ApcState和SavedApcState，这两个成员指向两个不同的_KAPC_STATE结构：

typedef struct _KAPC_STATE {
        LIST_ENTRY ApcListHead[MaximumMode];       //线程的apc链表 只有两个 内核态和用户态
        struct _KPROCESS *Process;                 //当前线程的进程体   PsGetCurrentProcess()
        BOOLEAN KernelApcInProgress;              //内核APC正在执行
        BOOLEAN KernelApcPending;                 //内核APC正在等待执行
        BOOLEAN UserApcPending;                  //用户APC正在等待执行
} KAPC_STATE, *PKAPC_STATE, *PRKAPC_STATE;

　　在_KAPC_STATE结构中，第一个成员为ApcListHead[2]，第一个成员指向一个用户模式APC链表，而第二个成员指向内核模式APC链表。如果注意观察，可以看出特殊内核模式APC都排在普通内核模式APC之前。

　　（图片源自危险漫步：http://www.weixianmanbu.com/article/33.html）

　　

　　APC结构：

//win7 32
kd> dt _kapc
dtx is unsupported for this scenario.  It only recognizes dtx [<type>] [<address>] with -a, -h, and -r.  Reverting to dt.
ntdll!_KAPC
   +0x000 Type             : UChar
   +0x001 SpareByte0       : UChar
   +0x002 Size             : UChar
   +0x003 SpareByte1       : UChar
   +0x004 SpareLong0       : Uint4B
   +0x008 Thread           : Ptr64 _KTHREAD
   +0x010 ApcListEntry     : _LIST_ENTRY
   +0x020 KernelRoutine    : Ptr64     void 
   +0x028 RundownRoutine   : Ptr64     void 
   +0x030 NormalRoutine    : Ptr64     void 
   +0x038 NormalContext    : Ptr64 Void
   +0x040 SystemArgument1  : Ptr64 Void
   +0x048 SystemArgument2  : Ptr64 Void
   +0x050 ApcStateIndex    : Char
   +0x051 ApcMode          : Char
   +0x052 Inserted         : UChar

　　

　　在 KAPC 结 构 中 ， Type 域 应 为 KOBJECTS 枚 举 类 型 的 ApcObJect; Size 域 等 于 KAPC结 构 的 大 小 ； Thread 域 指 向 此 APC 对 象 所 在 的 线 程 KTHREAD 对 象 ； ApcListEntry 域 是APC 对 象 被 加 人 到 线 程 APC 链 表 中 的 节 点 对 象 ； KernelRoutine 域 是 一 个函 数 指 针 ， 该 函数 将 在 内 核 模 式 的 APC-LEVEL 上 被 执 行 ； RundownRoutine 域 也 是 一 个 函 数 指 针 ， 当 一个 线 程 终 止 时 如 果 它 的 APC 链 表 中 还 有 APC 对 象 ， 那 么 ， 若 成 员 非 空 ，则 调 用 它 所 指 的 函 数 。 № rmalRoutine 域 指 向 一 个 在 PASSIVE-LEVEL 上 执 行 的 函 数 。 在

这 三 个 函 数 指 针 成 员 中 ， 只 有 KernelRoutine 是 必 需 的 ， RundownRoutine 和 NormalRoutine都 是 可 选 的 。 而 且 ， 如 果 NormalRoutine 为 空 的 话 ， 则 其 后 的 Norma ℃ ontext 和 ApcMode域 也 将 被 忽 略 ， 本 节 稍 后 会 解 释 这 三 个 域 的 关 系 。 SystemArgumentl 和 SystemArgument2是 两 个 提 供 给 KernelRoutine 或 NormalRoutine 函 数 的 参 数 。 ApcStateIndex 域 说 明 了 APC对 象 的 环 境 状 态 ， 它 是 KAPC ENVIRONMENT 枚 举 类 型 的 成 员 ， 一 旦 APC 对 象 被 插 人到 线 程 的 APC 链 表 中 ， 则 ApcStatelndex 域 指 示 了 它 位 于 线 程 KTHREAD 对 象 的 哪 个 APC链 表 中 。 最 后 ， 布 尔 类 型 Inserted 域 指 示 该 APC 对 象 是 否 已 被 插 人 到 线 程 的 APC 链 表 中。

　　提炼几点关键：

　　1.如果mode为UserMode，但是NormalRoutine为NULL，那么实际的模式变为Kernelmode,因为没有用户空间的APC例程可以使用；

　　2.每种APC都有内核模式的例程；

　　3.特殊的内核模式APC与普通的内核模式APC区别在于Normalroutine是否为空；

　　4.当普通的内核模式APC例程被执行时，先执行KernelRoutine例程，再执行NormalRoutine例程（除非执行过KernelRoutine例程后，NormalRoutine例程被清除为NULL）。

 

　　APC可以分成三种：用户模式APC、普通的内核模式APC，特殊的内核模式APC

　　（图片源自危险漫步：http://www.weixianmanbu.com/article/33.html）