1 引言
　　本文分析了Windows 系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度機(jī)制，并設(shè)計(jì)了一種基于Windows 操作系統(tǒng)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)的多核CPU 線程管理方法，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Windows 內(nèi)核驅(qū)動(dòng)的線程管理服務(wù)系統(tǒng)，它能讓用戶根據(jù)每一個(gè)任務(wù)線程對(duì)CPU 資源的需要程度和對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，在多核CPU上合理為線程分配CPU 核。
　　
　　圖1 Windows 內(nèi)核調(diào)度結(jié)構(gòu)體關(guān)系圖
　　2 Windows 系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度方法分析
　　Windows NT 中的每一個(gè)進(jìn)程都是EPROCESS 結(jié)構(gòu)體。此結(jié)構(gòu)體中除了進(jìn)程的屬性之外還引用了其它一些與實(shí)現(xiàn)進(jìn)程緊密相關(guān)的結(jié)構(gòu)體。例如，每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)或幾個(gè)線程，線程在系統(tǒng)中就是ETHREAD 結(jié)構(gòu)體。簡(jiǎn)要描述一下存在于這個(gè)結(jié)構(gòu)體中的主要的信息，這些信息都是由對(duì)內(nèi)核函數(shù)的研究而得知的。首先，結(jié)構(gòu)體中有KPROCESS 結(jié)構(gòu)體，這個(gè)結(jié)構(gòu)體中又有指向這些進(jìn)程的內(nèi)核線程（KTHREAD）鏈表的指針（分配地址空間），基優(yōu)先級(jí)，在內(nèi)核模式或是用戶模式執(zhí)行進(jìn)程的線程的時(shí)間，處理器affini ty（掩碼，定義了哪個(gè)處理器能執(zhí)行進(jìn)程的線程），時(shí)間片值。在ETHREAD 結(jié)構(gòu)體中還存在著這樣的信息：進(jìn)程ID、父進(jìn)程ID、進(jìn)程映象名。
　　在E P R O C E S S 結(jié)構(gòu)體中還有指向P E B 的指針。
　　ETHREAD 結(jié)構(gòu)體還包含有創(chuàng)建時(shí)間和退出時(shí)間、進(jìn)程ID 和指向EPROCESS 的指針，啟動(dòng)地址，I/O 請(qǐng)求鏈表和KTHREAD 結(jié)構(gòu)體。在KTHREAD 中包含有以下信息：內(nèi)核模式和用戶模式線程的創(chuàng)建時(shí)間，指向內(nèi)核堆棧基址和頂點(diǎn)的指針、指向服務(wù)表的指針、基優(yōu)先級(jí)與當(dāng)前優(yōu)先級(jí)、指向APC 的指針和指向T E B 的指針。
　　KTHREAD 中包含有許多其它的數(shù)據(jù)，通過觀察這些數(shù)據(jù)可以分析出KTHREAD 的結(jié)構(gòu)。圖1 描述了這些結(jié)構(gòu)體之間的關(guān)系。
　　通過遍歷KPROCESS 結(jié)構(gòu)體中的ETHREAD，找到系統(tǒng)中當(dāng)前所有的KTHREAD 結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)中的偏移量為0x124 處的Affinity 域（Windows XP sp3）即為設(shè)置CPU 親緣性掩碼的內(nèi)存地址。在此重點(diǎn)解釋CPU 親緣性的概念，CPU 親緣性就是指在系統(tǒng)中能夠?qū)⒁粋€(gè)或多個(gè)進(jìn)程或線程綁定到一個(gè)或多個(gè)處理器上運(yùn)行，這是期待已久的特性。也就是說：＂ 在1號(hào)處理器上一直運(yùn)行該程序＂或者是＂在所有的處理器上運(yùn)行這些程序，而不是在0 號(hào)處理器上運(yùn)行＂。然后， 調(diào)度器將遵循該規(guī)則，程序僅僅運(yùn)行在允許的處理器上。在Windows 操作系統(tǒng)上，給程序員設(shè)定CPU 親緣性的接口是用一個(gè)32 位的雙字型數(shù)表示的， 它被稱為親緣性掩碼（Affinity bitMask）。親緣性掩碼是一系列的二進(jìn)制位，每一位代表一個(gè)CPU 單元是否可執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)。例如一個(gè)在具有四個(gè)CPU 的PC 機(jī)上（ 或四核CPU） ，親緣性掩碼的形式的二進(jìn)制數(shù)如下式所示：
　　0000000000000000000000000000XXXXB
　　其中自右向左，每一位代表0 到31 號(hào)CPU是否可用，由于本機(jī)只有四個(gè)CPU， 所以只有前四個(gè)位可用，X 為1則代表當(dāng)前任務(wù)可執(zhí)行在此位代表的CPU 上，X 為0 則代表當(dāng)前任務(wù)不可執(zhí)行在此位代表的CPU 上， 例如：
　　00000000000000000000000000000010B
　　代表當(dāng)前任務(wù)只能執(zhí)行在1 號(hào) CPU 上（CPU 下標(biāo)記數(shù)從0 開始），又如0x00000004 代表當(dāng)前任務(wù)只能執(zhí)行在2 號(hào)CPU 上，0x00000003 代表當(dāng)前任務(wù)可以運(yùn)行在0號(hào)和1 號(hào)CPU 上。
　　Windows 的進(jìn)程調(diào)度代碼是在它的SySTem 進(jìn)程下的，所以它不屬于任何用戶進(jìn)程上下文。調(diào)度代碼在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)會(huì)切換進(jìn)程上下文，這里的切換進(jìn)程上下文是指進(jìn)程環(huán)境的切換， 包括內(nèi)存中的可執(zhí)行程序， 提供程序運(yùn)行的各種資源。進(jìn)程擁有虛擬的地址空間，可執(zhí)行代碼， 數(shù)據(jù)， 對(duì)象句柄集， 環(huán)境變量， 基礎(chǔ)優(yōu)先級(jí)， 以及最大最小工作集等的切換。而Windows 最小的調(diào)度單位是線程， 只有線程才是真正的執(zhí)行體，進(jìn)程只是線程的容器。Windows 的調(diào)度程序在時(shí)間片到期，或有切換線程指令執(zhí)行（如Sleep，KeWaitForSingleObject 等函數(shù)）時(shí)， 將會(huì)從進(jìn)程線程隊(duì)列中找到下一個(gè)要調(diào)度的線程執(zhí)行體，并裝入到KPCR（Kernel ＇ s Processor CONtr ol Re g i o n ， 內(nèi)核進(jìn)程控制區(qū)域） 結(jié)構(gòu)中，CPU 根據(jù)KPCR 結(jié)構(gòu)中的KPRCB 結(jié)構(gòu)執(zhí)行線程執(zhí)行體代碼。而在多核CPU 下，當(dāng)Windows 調(diào)度代碼執(zhí)行時(shí)，從當(dāng)前要調(diào)度執(zhí)行的KTHREAD 結(jié)構(gòu)中取出Affinity，并與當(dāng)前PC 機(jī)上的硬件配置數(shù)據(jù)中的CPU 掩碼作與操作，結(jié)果寫入到指定的CPU，例如雙核CPU 的設(shè)備掩碼為0x03，如果當(dāng)前KTHREAD 里的Affinity 為0x01，那么0x01&0x03=0x01，這樣執(zhí)行體線程會(huì)被裝入CPU1的KPRCB 結(jié)構(gòu)中得以執(zhí)行，調(diào)度程序不會(huì)把這個(gè)線程交給CPU2 去執(zhí)行。此過程如圖2 所示。這就是為線程選擇指定CPU 核的原理。