Совместное использование объектов ядра несколькими процессами

Время от времени возникает необходимость в разделении объектов ядра между потоками, исполняемыми в разных процессах. Причин тому может быть несколько:

• объекты "проекции файлов" позволяют двум процессам, исполняемым на одной машине, совместно использовать одни и те же блоки данных;
• почтовые ящики и именованные каналы дают возможность программам обмениваться данными с процессами, исполняемыми на других машинах в сети;
• мьютексы, семафоры и события позволяют синхронизировать потоки, исполняемые в разных процессах, чтобы одно приложение могло уведомить другое об окончании той или иной операции.

Но поскольку описатели объектов ядра имеют смысл только в конкретном процессе, разделение объектов ядра между несколькими процессами — задача весьма непростая. У Microsoft было несколько веских причин сделать описатели процессно-зависимыми, и самая главная — устойчивость операционной системы к сбоям. Если бы описатели объектов ядра были общесистемными, то один процесс мог бы запросто получить описатель объекта, используемого другим процессом, и устроить в нем (этом процессе) настоящий хаос. Другая причина — защита. Объекты ядра защищены, и процесс, прежде чем оперировать с ними, должен запрашивать разрешение на доступ к ним.

Наследование описателя объекта

Наследование применимо, только когда процессы связаны родственными отношениями (родительский-дочерний). Например, родительскому процессу доступен один или несколько описателей объектов ядра, и он решает, породив дочерний процесс, передать ему по наследству доступ к своим объектам ядра. Чтобы такой сценарий наследования сработал, родительский процесс должен выполнить несколько операций.

Во-первых, еще при создании объекта ядра этот процесс должен сообщить системе, что ему нужен наследуемый описатель данного объекта (описатели объектов ядра наследуются, но сами объекты ядра — нет.)

Чтобы создать наследуемый описатель, родительский процесс выделяет и инициализирует структуру SECURITY_ATTRIBUTES, а затем передает ее адрес требуемой Create-функции. Следующий код создаст объект-мьютекс и возвращает его описатель:

SECURITY_ATTRIBUTES sa;
sa.nLength = sizeof(sa);
sa.lpSecuntyDescriptor = NULL;
sa.bInheritHandle =TRUE; // делаем возвращаемый описатель наследуемым
HANDLE hMutex = CreateMutex(&sa, FALSE, NULL);

Этот код инициализирует структуру SECURTY_ATTRIBUTES, указывая, что объект следует создать с защитой по умолчанию (в Windows 98 это игнорируется) и что возвращаемый описатель должен быть наследуемым. Хотя Windows 98 не полностью поддерживает защиту, она все же поддерживает наследование и поэтому корректно обрабатывает элемент bInheritHandle.

При создании дочернего процесса функцией CreateProcess необходимо установить параметр bInheritHandles = TRUE, тогда все действительные записи из таблицы описателей объектов ядра родительского процесса будут скопированы в таблицу описателей дочернего процесса. Использоваться могут только те описатели, которые создавались с атрибутами защиты, где bInheritHandle =TRUE. Счетчик объекта ядра при этом увеличивается. Для того, чтобы уничтожить объект ядра он должен быть закрыт всеми процессами, которые его используют. При этом если объект ядра будет закрыт в родительском процессе, дочерний процесс может дальше работать с данным объектом ядра, который он унаследовал. Наследуются только описатели объектов, существующие на момент создания дочернего процесса. Если родительский процесс создаст после этого новые объекты ядра с наследуемыми описателями, то эти описатели будут уже недоступны дочернему процессу.

Для наследования описателей объектов характерно одно очень странное свойство: дочерний процесс не имеет ни малейшего понятия, что он унаследовал какие-то описатели. Поэтому наследование описателей объектов ядра полезно, только когда дочерний процесс сообщает, что при его создании родительским процессом он ожидает доступа к какому-нибудь объекту ядра. Тут надо заметить, что обычно родительское и дочернее приложения пишутся одной фирмой, но в принципе дочернее приложение может написать и сторонняя фирма, если в этой программе задокументировано, чего именно она ждет от родительского процесса.

Для этого в дочерний процесс обычно передают значение ожидаемого им описателя объекта ядра, как аргумент в командной строке. Инициализирующий код дочернего процесса анализирует командную строку (чаще всего вызовом sscanf), извлекает из нее значение описателя, и дочерний процесс получает неограниченный доступ к объекту. При этом механизм наследования срабатывает только потому, что значение описателя общего объекта ядра в родительском и дочернем процессах одинаково, — и именно по этой причине родительский процесс может передать значение описателя, как аргумент в командной строке.

Для наследственной передачи описателя объекта ядра от родительского процесса дочернему, конечно же, годятся и другие формы межпроцессной связи. Один из приемов заключается в том, что родительский процесс дожидается окончания инициализации дочернего (через функцию WaitForInputIdle), а затем посылает (синхронно или асинхронно) сообщение окну, созданному потоком дочернего процесса.

Еще один прием: родительский процесс добавляет в свой блок переменных окружения новую переменную. Она должна быть «узнаваема» дочерним процессом и содержать значение наследуемого описателя объекта ядра, Далее родительский процесс создает дочерний, тот наследует переменные окружения родительского процесса и, вызвав GetEnvironmentVariable, получает нужный описатель. Такой прием особенно хорош, когда дочерний процесс тоже порождает процессы, — ведь все переменные окружения вновь наследуются.

Изменение флагов описателя

Иногда встречаются ситуации, в которых родительский процесс создает объект ядра с наследуемым описателем, а затем порождает два дочерних процесса. Но наследуемый описатель нужен только одному из них. Иначе говоря, время от времени возникает необходимость контролировать, какой из дочерних процессов наследует описатели объектов ядра. Для этого модифицируйте флаг наследования, связанный с описателем, вызовом SetHandleInformation:

BOOL SetHandleInformation(
HANDLE hObject,
DWORD dwMask,
DWORD dwFlags);

Функция принимает три параметра. Первый (bObject) идентифицирует допустимый описатель. Второй (dwMask) сообщает функции, какой флаг (или флаги) необходимо изменить. На сегодняшний день с каждым описателем связано два флага:

#define HANDLE FLAG_INHERIT 0x00000001
#define HANDLE FLAG_PROTECT_FROM_CLOSE 0x00000002

Чтобы изменить сразу все флаги объекта, нужно объединить их побитовой операцией OR. И, наконец, третий параметр функции SetHandleInformation — dwFlags — указывает, в какое именно состояние следует перевести флаги. Например, чтобы установить флаг наследования для описателя объекта ядра

SetHandleInformation(hobj, HANDLE_FLAG_INHERIT, HANDLE_FLAG_INHERIT);

а чтобы сбросить этот флаг:

SetHandleInformation(hobj, HANDLE_FLAG_INHERIT, 0);

Флаг HANDLE_FLAGPROTECT_FROM_CLOSE сообщает системе, что данный описатель закрывать нельзя:

SetHandleInformation(hobj, HANDLE_FLAG_PROTECT_FROM_CLOSE, HANDLE_FLAG_PROTECT_FROM_CLOSE);
CloseHandle(hobj); // генерируется исключение

 

Если какой-нибудь поток попытается закрыть защищенный описатель, CloseHandle приведет к исключению. Необходимость в такой защите возникает очень редко. Однако этот флаг весьма полезен, когда процесс порождает дочерний, а тот в свою очередь — еще один процесс. При этом родительский процесс может ожидать, что его «внук» унаследует определенный описатель объекта, переданный дочернему. Но тут вполне возможно, что дочерний процесс, прежде чем породить новый процесс, закрывает нужный описатель. Тогда родительский процесс теряет связь с «внуком», поскольку тот не унаследовал требуемый объект ядра. Защитив описатель от закрытия, можно исправить ситуацию, и «внук» унаследует предназначенный ему объект.

У этого подхода, впрочем, есть один недостаток. Дочерний процесс, вызвав:

SetHandleInformation(hobj, HANDLE_FLAG_PROTECT_FROM_CLOSE, 0);
CloseHandle(hobj);

может сбросить флаг HANDLE_FLAG_PROTECT_FROM_CLOSE и закрыть затем соответствующий описатель. Родительский процесс ставит на то, что дочерний не исполнит этот код. Но одновременно он ставит и на то, что дочерний процесс породит ему «внука», поэтому в целом ставки не слишком рискованны.

Для полноты картины стоит, пожалуй, упомянуть и функцию GetHandleInformation:

BOOL GetHandleInformation(
HANDLE hObj,
PDWORD pdwFlags);

Эта функция возвращает текущие флаги для заданного описателя в переменной типа DWORD, на которую укапывает pdwFlags. Чтобы проверить, является ли описатель наследуемым, сделайте так:

DWORD dwFlags;
GetHandleInformation(hObj, &dwFlags);
BOOL fHandleIsInheritable = (0!= (dwFlags & HANDLE_FLAG_INHERIT));

Именованные объекты

Второй способ, позволяющий нескольким процессам совместно использовать одни и те же объекты ядра, связан с именованием этих объектов. Именование допускают многие (но не все) объекты ядра. Например, следующие функции создают именованные объекты ядра:

HANDLE CreateMutex (
PSECURITY_ATTRIBUTES psa,
BOOL bInitialOwner,
PCTSTR pszName);

HANDLE CreateEvent (
PSECURITY_ATTRIBUTES psa,
BOOL bManualReset,
BOOL bInitialState,
PCTSTR pszName);

HANDLE CreateSemaphore (
PSECURITY_ATTRIBUTES psa,
LONG lInitialCount,
LONG lMaximumCount,
PCTSTR pszName);

HANDLE CreateWaitableTimer (
PSECURITY_ATTRIBUTES psa,
BOOL bManualReset,
PCTSTR pszName);

Последний параметр, pszName, у всех этих функций одинаков. При передачи в нем NULL, создается безымянный (анонимный) объект ядра. В этом случае объект может разделяться между процессами либо через наследование (см. предыдущий раздел), либо с помощью DuplicateHandle (см. следующий раздел). А чтобы разделять объект по имени, необходимо присвоить ему какое-нибудь имя. Тогда вместо NULL в параметре pszName нужно передать адрес строки с именем, завершаемой нулевым символом. Имя может быть длиной до MAX_PATH знаков (это значение определено как 260). К сожалению, Microsoft ничего не сообщает о правилах именования объектов ядра. Например, создавая объект с именем JeffObj, никто не застрахован от того, что в системе еще нет объекта ядра с таким именем. И что хуже, все эти объекты делят единое пространство имен. Из-за этого следующий вызов CreateSemaphore будет всегда возвращать NULL:

HANDLE hMutex = CreateMutex(NULL. FALSE, "JeffObj");
HANDLE hSem = CreateSemaphore(NULL, 1, 1, "JeffObj");
DWORD dwErrorCode = GetLastError();

После выполнения этого фрагмента значение dwErrorCode будет равно 6 (ERROR_INVALID_HANDLE). Полученный код ошибки не слишком вразумителен, но другого не дано.

Рассмотрим, как разделять объекты между процессами по именам. Допустим, после запуска процесса А вызывается функция:

HANDLE hMutexProcessA = CreateMutex(NULL, FALSE, "JeffMutex");

Этот вызов заставляет систему создать новый объект ядра "мъютекс" и присвоить ему имя JeffMutex. Заметьте, что описатель hMutexProcessA в процессе А не является наследуемым, — он и не должен быть таковым при простом именовании объектов.

Спустя какое-то время некий процесс порождает процесс В. Необязательно, чтобы последний был дочерним от процесса А; он может быть порожден Explorer или любым другим приложением. (В этом, кстати, и состоит преимущество механизма именования объектов перед наследованием.) Когда процесс В приступает к работе,
исполняется код:

HANDLE hMutexProcessB = CreateMutex(NULL, FALSE, "JeffMutex");

При этом вызове система сначала проверяет, не существует ли уже объект ядра с таким именем. Если да, то ядро проверяет тип этого объекта. Поскольку мы пытаемся создать мьютекс и его имя тоже JeffMutex, система проверяет права доступа вызывающего процесса к этому объекту. Если у него есть все права, в таблице описателей, принадлежащей процессу В, создается новая запись, указывающая на существующий объект ядра. Если же вызывающий процесс не имеет полных прав на доступ к объекту или если типы двух объектов с одинаковыми именами не совпадают, вызов CreateMutex заканчивается неудачно и возвращается NULL.

Однако, хотя процесс В успешно вызвал CreateMutex, новый объект-мьютекс он не создал. Вместо этого он получил свой описатель существующего объекта-мьютекса. Счетчик объекта, конечно же, увеличился на 1, и теперь этот объект не разрушится, пока его описатели не закроют оба процесса — А и В. Заметьте, что значения описателей объекта в обоих процессах скорее всего разные, но так и должно быть, каждый процесс будет оперировать с данным объектом ядра, используя свой описатель.

Вызывая CreateMutex, процесс В передает ей атрибуты защиты и второй параметр. Так вот, эти параметры игнорируются, если объект с указанным именем уже существует! Приложение может определить, что оно делает: создает новый объект ядра или просто открывает уже существующий, — вызвав GetLastError сразу же после вызова одной из Create-функций:

HANDLE hMutex = CreateMutex(&sa, FALSE, "JeffObj");
if (GetLastError() == ERROR_ALREADY_EXISTS) {
// открыт описатель существующего объекта sa.lpSecurityDescriptor и второй параметр (FALSE) игнорируются
} else {
// создан совершенно новый объект sa.lpSecurityDescriptor и второй параметр (FALSE) используются при создании объекта
}

Есть и другой способ разделения объектов по именам. Вместо вызова Create-функции процесс может обратиться к одной из следующих Open-функций:

HANDLE OpenMutex (
DWORD dwDesiredAccess,
BOOL bInheritHandle,
PCTSTR pszName);

HANDLE OpenEvent (
DWORD dwDesiredAccess,
BOOL bInheritHandle,
PCTSTR pszName);

HANDLE OpenSemaphore (
DWORD dwDesiredAccess,
BOOL bInheritHandle,
PCTSTR pszName),

HANDLE OpenWaitableTimer (
DWORD dwDesiredAccess,
BOOL bInheritHandle,
PCTSTR pszName);

Заметьте: все эти функции имеют один прототип. Последний параметр, pszName, определяет имя объекта ядра. В нем нельзя передать NULL — только адрес строки с нулевым символом в конце. Эти функции просматривают единое пространство имен объектов ядра, пытаясь найти совпадение. Если объекта ядра с указанным именем нет, функции возвращают NULL, a GetLastError — код 2 (ERROR_FILE_NOT_FOUND). Но если объект ядра с заданным именем существует и если его тип идентичен тому, что указан, система проверяет, разрешен ли к данному объекту доступ запрошенного вида (через параметр dwDesiredAccess). Если такой вид доступа разрешен, таблица описателей в вызывающем процессе обновляется, и счетчик числа пользователей объекта возрастает на единицу. Если присвоить параметру bInheritHandle значение TRUE, то будет возвращен наследуемый описатель.

Главное отличие между вызовом Create- и Open-функций в том, что при отсутствии указанного объекта Create-функция создает его, а Open-функция просто уведомляет об ошибке.

Microsoft ничего не сообщает о правилах именования объектов ядра. Но представьте себе, что пользователь запускает две программы от разных компаний и каждая программа пытается создать объект с именем «MyObject». Ничего хорошего из этого не выйдет. Чтобы избежать такой ситуации, можно создавать GUID и использовать его строковое представление как имя объекта.

Именованные объекты часто применяются для того, чтобы не допустить запуска нескольких экземпляров одного приложения. Для этого просто вызывается одна из Create-функций в своей функции main или WinMain и создаете некий именованный объект. Какой именно — не имеет ни малейшего значения. Сразу после Create-функции необходимо вызвать GetLastError. Если она вернет ERROR_ALREADY_EXISTS, значит, один экземпляр приложения уже выполняется и новый его экземпляр можно закрыть. Вот фрагмент кода, иллюстрирующий этот прием:

int WINAPI WinMain(HINSTANCE hinstExe, HINSTANCE, PSTR pszCmdLine, int nCmdShow} {
HANDLE h = CreateMutex(NULL, FALSE, "{FA531CC1-0497-11d3-A180-00105A276C3E}");
lf (GetLastError() == ERROR_ALREADY_EXISTS){
// экземпляр этого приложения уже выполняется
return(0),
}

// запущен первый экземпляр данного приложения
// перед выходом закрываем объект
CloseHandle(h),
return(0);