Основные функции для работы с потоками.

1) CreateThread(…). Создаёт новый поток в текущем процессе.

2) CreateRemoteThread(…).Создаёт новый поток в другом процессе.

3) ExitThread(…). Нормальное завершение потока.

4) TerminateThread(…). Аварийное завершение потока, завершение потока из другого потока.

5) GetExitCodeThread(…). Получение кода завершения любого потока.

6) GetThreadTimes(…). Возвращает временные характеристики другого потока, то есть время работы другого потока в пользовательском режиме и режиме ядра. В Windows 95 и Windows 98 не используются.

7) GetThreadContext(…). Возвращает регистры процессора для данного потока.

SetThreadContext(…). Изменяет регистры процессора для данного потока.

8) GetCurrentThread(…). Получить дескриптор текущего потока.

SetCurrentThreadId(…). Получить идентификатор текущего потока.

Структура ОЯ «поток».

1) TDB (ETHREAD). Начинается со стандартного заголовка, который содержит идентификатор объекта (от 0 до 27) и счётчик числа обращений к данному объекту. Далее следует указатель на структуру KTHREAD – блок потока ядра, указатель на PDB (EPROCESS), откуда поток может извлекать, структура CONTEXT – содержит описание регистров, время создания и завершения потока, стартовый адрес потока, и так далее.

2) KTHREAD. Содержит информацию необходимую ядру Windows для планирования и синхронизации одних потоков с другими.

· суммарное время работы в пользовательском режиме,

· суммарное время работы в режиме ядра,

· базовый и текущий приоритеты потока,

· значение кванта (для Windows 2000),

· маска привязки к процессорам, то есть в многопроц. системе - информация, на каких процессорах выполняется данный поток.

· список объектов, ожидаемых данным потоком, например, поток ждёт завершения какого-либо другого потока.

· указатель на блок окружения потока, который находится в пользовательском адресном пространстве.

3) TEB. В нём содержится информация о стеке потока, базовый адрес.

/////////////////////////

заполненная часть стека

старший адрес

текущий адрес стека

базовый адрес стека младший адрес

В блоке TEB содержится локальная память потока TLS, значение кода последней ошибки, то есть LastError. Даные необходимые для работы модулей user32.dll и GDI32. В том случае, если поток работает в сети в TEB содержится указатель на данные WinSock.

4) W32THREAD. Дублирует данные, необходимые для работы user32 и gdi32.

Алгоритм работы функции CreateThread(…) (kernel32.dll).

1. Создаёт стек пользовательского режима в адресном пространстве процесса.

2. Инициализирует аппаратный процесс потока, то есть структуру CONTEXT.

3. Вызывает функцию ядра NtCreateThread(…), которая создаёт все упр. структуры, которые находятся в сист-ой части адр. пр-ва.

4. Создаёт блок TEB.

5. Уведомляется подсистема Win32, которая создаёт блок W32THREAD.

6. Возвращает дескриптор и идентификатор вызывающей программе вновь созданного потока.

7. Вновь созданный поток ставится в очередь на выполнение.

16. Распределение времени между потоками. Классы приоритета. Уровни приоритета. Относительный уровень приоритета потока. Функции для работы с приоритетами потоков.

1) Планирование потоков. 2)Синхронизация потоков.

В Windows реализована подсистема вытесняющего планирования на основе уровней приоритета. Всегда выполняется поток с наивысшим приоритетом к выполнению. Выбор потока для выполнения может быть ограничен набором процессоров. Это называется привязкой к процессору (processor affinity).

Выбранный для выполнения поток работает в течение некоторого периода называемого квантом. После того, как истёк квант времени ОС будет искать другой поток с таким же уровнем приоритета или выше. Если таких нет, то ищет с меньшим приоритетом. В Windows 2000 потокам могут выделяться разные кванты времени. Поток также может не полностью использовать свой квант.

Как только другой поток с более высоким приор-ом готов к вып-нию, текущий поток вытесняется даже если его квант не истёк.

Код Windows, отвечающий за планирование реализован в ядре ОС. Этот код рассредоточен по ядру, поэтому нет единого модуля или процедуры с названием планировщик. Совокупность процедур, выполняющих планирование - диспетчер ядра.

Диспетчер ядра инициализируется следующими событиями.

1) Поток готов к выполнению, например, он только что создан или вышел из состояния ожидания.

2) Поток прекращает выполнение, когда его квант истёк или поток завершается, или поток переходит в состояние ожидания.

3) Приоритет потока изменяется, например, в результате вызова системного сервиса.

4) Изменяется привязка к процессорам выполняемого потока.

В любом из этих четырёх случаев Windows должна определить, какой поток должен выполняться следующим.

Выбрав новый поток Windows включает CONTEXT, текущее содержание регистров процессора переписывается в структуру CONTEXT, которая находится в TDB (ETHREAD).

Планирование в Windows осуществляется на уровне потоков, то есть не важно какому процессу принадлежит поток.

Пример. Если у процесса А – 12 потоков, а у В – 2 потока, и все 14 потоков имеют один и тот же приоритет, то каждый поток получит 1/14 времени процессора. Windows не будет делить поровну время процессора между двумя процессами.

Уровни приоритета.

В Windows поддерживается 32 уровня приоритета от 0 до 31. Все приоритеты делятся на четыре класса. Класс приоритета присваивается процессу с помощью одного из флагов функции CreateProcess. Рассмотрим связь уровней приоритета с классами.

Класс	Описание	Флаг	Уровень приоритета
Idle	приостановлен	IDLE_PRIORITY_CLASS
Normal	нормальный	NORMAL_PRIORITY_CLASS	7-9
High	высокий	HIGH_PRIORITY_CLASS
RealTime	реального времени	REALTIME_PRIORITY_CLASS

Если при вызове процесса класс Normal, то система присваивает процессу класс Normal, если только родительский процесс не имел класс Idle.

1) Idle. Используется для системного потока, который обнуляет неиспользованные страницы памяти. Этот класс может использовать, например, ScreenSaver. Большую часть времени этот поток отсле-живает деятельность пользователя. Если он не использует компьютер, то хранитель экрана активи-зируется.

2) Normal. В основном все процессы работают с этим классом проиритета. Windows 95, 98 сама по-вышает уровень приоритета активного процесса.

3) High. Cледует использовать в случае крайней необходимости, напр., в Windows приоритет High имеет менеджер задач. Такой приоритет устанавливается, чтобы прервать любой поль-зовательский процесс, даже если он вышел в непрерывный цикл.

4) RealTime. Практически никогда не используется. В ранних версиях Windows этот класс отсут-ствовал. Его не стоит использовать, так как системные потоки, использующие клавиатуру и мышь имеют меньший приоритет. Его следует использовать в нескольких случаях.

- в приложении напрямую общаться с оборудованием, например в драйверах устройств.

- если приложение выполняет быстротечную операцию, которую нельзя прервать.

В базе данных каждого процесса хранится относительный приоритет потока. Когда поток только создаётся, то начальный уровень приоритета равен его классу.Например, если поток принадлежит процессу с классом HIGH, то при создании этого потока его уровень приоритета будет 13. Приоритет потока можно изменить с помощью функции SetThreadPriority(…). Изменение всегда производится относительно класса приоритета процесса, то есть относительно базового приоритета. В качестве параметров указывается дескриптор потока и относительный уровень приоритета.

1. Thread_Priority_Lowest – приоритет потока на 2 единицы меньше класса приоритета процесса. То есть, если у нас RealTime c приоритетом 24, то применив эту функцию приоритет станет 22.

2. Thread_Priority_Below_Normal – приоритет потока на 1 единицу меньше класса приоритета процесса.

3. Thread_Priority_Normal – приоритет потока становится равен приоритету процесса.

4. Thread_Priority_Above_Normal – приоритет потока становится на 1 единицу больше приоритета процесса.

5. Thread_Priority_Highest – приоритет потока становится на 2 единицы больше приоритета процесса.

6. Thread_Priority_Idle – в этом случае для процессов относящихся к классам Idle, Normal, High приоритет потока становится равным 1. Для процесса RealTime приоритет потока становится раным 16.

7. Thread_Priority_Time_Critical – для процессов Idle, Normal, High уровень приоритета равен 16, для RealTime – 31.

Относительный уровень приоритета потока хранится в базе данных потока. Функции не обладают кумулятивным действием, то есть, если функцию SetPriority(hThread, и несколько раз написать Thread_Priority_Lowest), то уровень приоритета потока уменьшится только на 2 единицы относительно базового.

Функции Win32 связанные с планированием.

SuspendThread(…) – приостанавливает поток. ResumeThread(…) – возобновляет. SetPriorityClass(…) – установить класс приоритета процесса. GetPriorityClass(…) – получить. SetThreadPriority(…) – установить отн. приоритет потока. GetThreadPriority(…) – получить.

17. Учет квантов времени в Windows. Управление величиной кванта.

Учёт квантов времени.

Квант – это интервал процессорного времени, отведенный потоку для выполнения. По истечению кванта времени Windows проверяет, завершен ли поток. В ОС Windows 95, 98, NT квант времени величина постоянная. В Windows 2000 возможно динамическое изменение кванта времени. В ней у каждого потока своё значение кванта. Значение кванта выражается не в единицах времени, а целым числом. По умолчанию начальная величина кванта в Windows 2000 Professional Edition равна 6. В Windows 2000 Server она равна 36. Величина кванта увеличена для того, чтобы свести к минимуму переключение контекста, то есть серверные приложения пробуждаются при получении запроса клиента, и имея большой квант имеют время полностью обслужить запрос по истечению кванта времени.

Всякий раз, когда возникает прерывание системного таймера процедура обработки таймера вычитает из кванта потока величину, равную 3. Если квант закончится, инициализируется процедура обработки завершения кванта, в результате к процессору может быть подключен другой поток.

Длина временного интервала таймера зависит от аппаратной платформы и определяется не ядром, а уровнем аппаратных абстракций HAL. В большинстве процессоров х86 временной интервал таймера равен 10 мс для однопроцессорных систем и 15 для многопроцессорных систем.

Относительная величина кванта Windows 2000 задаётся в параметре

HotkeyLocalMachine\System\CurrentControlSet\Control\PriorityControl\Win32PrioritySeparation.

Короткие или длинные Переменные или фиксированные Динамическое приращение квантов

Этот параметр определяет можно ли динамически увеличивать кванты потоков и если да, то насколько. Данный параметр содержит 3 двухбитовых поля.

Поле 1. 1 – длинные (Server) 2 – короткие (Professional) 0,3 – кванты по умолчанию

Поле 2. 1 – можно изменять кванты активного процесса 2 – нельзя изменять кванты активного процесса

0, 3 – по умолчанию, то есть переменные (Professional) и фиксированные (Server)

Поле 3. 0 1 2 3 – недопустимо и интерпретируется как 2

Индекс находится в трёхэлементной таблице.

	короткие	длинные
переменные	6 12 18	12 24 36
фиксированные	18 18 18	36 36 36

У нас имеются активные и фоновые процессы. В Windows 2000 есть возможность увеличивать кванты потоков активного процесса. Величина берётся из таблицы.

Например, на компьютере запущены калькулятор и игра. Активный процесс – игра. Для того, чтобы обеспечить активному процессу привелегии есть 2 пути:

1. увеличение относительного приоритета активных потоков.

2. увеличение квантов времени.

Разработчики Windows подсчитали, что вариант 2 лучше, то есть при увеличении приоритета активного процесса, калькулятор будет получать только маленькую часть времени процессора. В то время, как увеличение кванта активного процесса не приведёт к фактическому блокированию процесса пересчёта.

Структуры данных ОС, связанные с планированием.

При планировании потоков ядро ОС поддерживает набор структур данных, называемых в совокупности базой данных диспетчера ядра, позволяет отслеживать потоки, ждущие выполнения принадлежности процесса.

процесс

процесс

базовый приоритет

по умолчанию

поток

поток

поток

поток

очередь

готовых привязка к процессорам по

потоков умолчанию

квант по умолчанию

сводка готовности

сводка простоя

31 0 31 0

Основной структурой является очередь готовых потоков, состоящая из нескольких очередей, по одной очереди на каждый приоритет. В эти очереди включаются потоки, находящиеся в состоянии готовности.

Для ускорения выбора потока подлежащего выполнению Windows поддерживает 32 битную маску, называемую сводкой готовности. Каждый установленный в ней бит указывает на присутствие одного или более потоков в очереди готовых потоков для соответствующего уровня приоритета.

Кроме того Windows поддерживает сводку простоя. Это битовая маска, в которой каждый установленный бит представляет простаивающий процессор.

18. Сценарии планирования процессорного времени.

Сценарий планирования.

1) Самостоятельное переключение потока

2) Вытеснение потоков

3) Завершение кванта времени

4) Завершение потока

1) Самостоятельное переключение потока. Поток может самостоятельно освободить процессор, перейдя в состояние ожидания.

WaitForSingleObject(…)

WaitForMultipleObject(…)

Подключается любой поток очереди. После завершения ожидания происходит следующее.

а) если этот поток находится в динамическом диапазоне (от 0 до 15), то квант потока уменьшается на одну квантовую единицу, что эквивалентно 1/3 таймера.

б) если это не Windows 2000 и если это поток из диапазона RealTime (16 – 31), то потоку передаётся полный квант времени.

2) Вытеснение. Поток с более низким приоритетом вытесняется потоком с более высоким приоритетом. Такая ситуация возможна в двух случаях:

а) Завершилось ожидание потока с более высоким приоритетом, то есть произошло событие, которое он ждал.

б) Приоритет потока увеличился или уменьшился.

Потоки пользовательского режима могут вытеснять потоки ядра. Когда поток вытесняется, он помещается в начало очереди потока. Если это Windows 2000 и поток динамического диапазона, то ему будет представлен не полный квант, а остаток кванта.

3) Завершение кванта времени. Когда поток израсходует свой квант Windows снижает его динамический приоритет. Windows ставит его в конец очереди с соответствующим уровнем приоритета.

4) Завершение потока. При завершении потока ОС просматривает значение счётчика ссылок равеных 0. Регионы адресного пространства освобождаются.

TDB

ID   Счётчик ссылок   …   Код завершения

Поток простоя.

Если нет ни одного потока готового к выполнению, то Windows запускает поток простоя. Поток простоя в цикле проверяет не появился ли готовый поток. Поток простоя не имеет приоритета и работает только в том случае, когда нет ни одного готового к выполнению потока.

19. Динамическое повышение приоритета.