Разрядные операционные системы MS Windows

64-битные процессы используют 64-битные указатели, так что их теоретическое максимальное ВАП равно 16 экзабайтам (2 в 64-ой степени).

Однако, Windows не делит ВАП равномерно между активными процессами и системой, а вместо этого определяет область в адресном пространстве для процессов и других системных ресурсов памяти, таких как системные записи таблицы страниц (PTE), файловые кэши, резидентный и нерезидентный (paged и non-paged) пулы.

Размеры адресного пространства процессов отличаются в IA64 и x64-версиях Windows. Для x64 это 8192 Гб (8 Тб), а для IA64 - 7168 Гб (7Тб). Разница в 1 Тб объясняется тем, что каталоги страниц верхнего уровня в IA64 резервируют слоты для распределений WoW64 (подсистемы Windows-on-Windows 64-bit для запуска 32-разрядных приложений).

Достоинства и недостатки :

l Главное достоинство 64-битной архитектуры является предоставление процессу возможности адресации до до 8 Тб ВАП.

Приложение может воспользоваться новыми регистрами процессора.

Работа с 64-разрядными числами напрямую и поддержка обработки 128-разрядных чисел по частям

l Главным недостатком 64-битной архитектуры является то, что одни и те же данные (и код) будут занимать больше места в памяти и на диске (из-за увеличения размера указателей, других аналогичных типов и выравнивания).

Это увеличивает размер необходимой процессу памяти, снижая эффективность кэш-памяти

Поддержка 32-битных приложений в 64-битной среде Windows.

WoW64 (Windows-on-Windows 64-bit) - подсистема операционной системы Windows, позволяющая запускать 32-битные приложения на всех 64-битных версиях Windows.

Из-за наличия прослойки WoW64 32-битные программы работают менее эффективно в 64-битной среде, чем в 32-битной.

Однако 32-битные приложения могут получить одно преимущество от их запуска в 64-битной среде. 32-битная программа, запущенная на 64-битной системе, может адресовать почти 4 GB памяти (на практике около 3.5 GB).

WoW64 не поддерживает работу 16-битных приложений в 64-битных версиях Windows.

Необходимость написания 64-разрядных приложений.

· Очень большие объемы обрабатываемых данных.

· Необходимость поддержки совместимости (64-разрядные приложения работают только с 64-разрядными DLL

и наоборот).

· Повышение производительности приложения.

Повышение производительности приложения.

· Перекомпиляция программы для 64-битной системы позволит ей использовать огромные объемы оперативной памяти, а также повысит скорость ее работы на 5-15%.

· Повышение скорости работы на 5-10% произойдет за счет использования архитектурных возможностей 64-битного процессора, например большего количества регистров.

· Еще 1-5% прироста скорости обуславливается отсутствием прослойки WoW64, которая транслирует вызовы API между 32-битными приложениями и 64-битной операционной системой.

Объекты управления центральным процессором и объединения ресурсов в MS Windows 2000-2003. Атрибуты процессов и потоков. Классы приоритетов.

16.1, 16.2 Управление центральным процессором и объединение ресурсов.

Атрибуты процессов и потоков.

Объекты Windows .

Основные понятия:

Задание – набор процессов, управляемых как единое целое, с общими квотами и лимитами

Процесс – контейнер для ресурсов

Поток – сущность планируемая ядром

Волокно – облегченный поток, управляемый полностью в пространстве пользователя

Процессы и потоки Windows:

· Иерархия процессов (ссылки между процессами-родителями и процессами-потомками) в явном виде не поддерживается.

· Процессы имеют многопоточную организацию.

· Процессы и потоки реализованы в форме объектов, и доступ к ним осуществляется посредством службы объектов.

· Объекты-процессы и объекты-потоки имеют встроенные средства синхронизации.

Процессы.

Процесс – это совокупность системных ресурсов, задействованная для выполнения определенной работы.

Понятие "процесс" включает следующее:

· исполняемый код;

· собственное адресное пространство, которое представляет собой совокупность виртуальных адресов,

которые может использовать процесс;

· ресурсы системы, такие как файлы, семафоры и т.п., которые назначены процессу операционной системой;

· хотя бы один выполняемый поток.

Атрибуты процесса:

· Идентификатор процесса – уникальное значение, которое идентифицирует процесс в рамках ОС (только в текущий момент времени).

· Закрытое виртуальное адресное пространство – диапазон адресов виртуальной памяти, которым может пользоваться процесс.

· Исполняемую программу – начальный код и данные, проецируемые на виртуальное адресное пространство процесса.

· Список открытых дескрипторов различных системных ресурсов – семафоров, файлов и других объектов, доступных всем потокам в данном процессе.

· Маркер доступа – исполняемый объект, содержащий информацию о безопасности и идентифицирующий пользователя, группы безопасности и привилегии, сопоставленные с процессом.

· Базовый приоритет – основа для исполнительного приоритета потоков процесса.

· Процессорная совместимость – набор процессоров, на которых могут выполняться потоки процесса.

· Предельные значения квот ресурсов (см. Job).

· Время исполнения – общее количество времени, в течение которого выполняются все потоки процесса.

· Список потоков процесса (как минимум один поток).

Потоки.

Поток (нить) – это непрерывная последовательность инструкций, выполняющих определенную функцию.

Потоки не имеют собственного адресного пространства и получают доступ к адресному пространству процесса-родителя. Это означает, что все потоки в процессе могут записывать и считывать содержимое памяти любого из потоков данного процесса.

Потоки процесса могут сообща пользоваться ресурсами процесса-родителя.

По умолчанию у потоков нет собственного маркера доступа и для целей безопасности используется маркер доступа процесса-родителя.

При необходимости каждый поток может получить собственный маркер доступа.

Дескрипторы виртуальных адресов (virtual address descriptors, VAD) – это структуры данных, используемые VMM для учета виртуальных адресов, задействованных процессом.

Атрибуты потоков:

· Идентификатор клиента – уникальное значение, которое идентифицирует поток при ее обращении к серверу.

· Контекст потока – информация, которая необходима ОС для того, чтобы продолжить выполнение прерванного потока. Контекст потока содержит текущее состояние регистров, стеков и индивидуальной области памяти.

· Два стека, один из которых используется потоком при выполнении в режиме ядра, а другой – в пользовательском режиме.

· Локальная память потока (thread local storage, TLS) – закрытая область памяти потока.

· Динамический приоритет – значение приоритета потока в данный момент.

· Базовый приоритет – нижний предел динамического приоритета потока.

· Процессорная совместимость потока – перечень типов процессоров, на которых может выполняться поток.

· Номер идеального процессора потока.

· Номер процессора, на котором поток выполнялся прошлый раз.

· Время выполнения потока – суммарное время выполнения потока в пользовательском режиме и в режиме ядра.

· Счетчик приостановок – текущее количество приостановок выполнения потока.

Номер идеального процессора потока:

Идеальный процессор для потока выбирается случайным образом при его создании с использованием зародышевого значения (seed) в блоке процесса. Это значение увеличивается на 1 всякий раз, когда создается новый поток, поэтому создаваемые потоки равномерно распределяются по набору доступных процессоров. Например, первый поток в первом процессе в системе закрепляется за идеальным процессором 0, второй поток того же процесса – за идеальным процессором 1. Однако у следующего процесса в системе идеальный процессор для первого потока устанавливается в 1, для второго – в 2 и т. д. Благодаря этому потоки внутри каждого процесса равномерно распределяются между процессорами. Номер идеального процессора может быть изменен с помощью функции SetThreadIdealProcessor .

Задание (job).

Процессы Windows не поддерживают в явном виде отношения родитель-потомок, поэтому начиная с Windows 2000 в модель процессов введено новое расширение – задания (jobs). Задания предназначены в основном для того, чтобы группами процессов можно было оперировать и управлять как единым целым. Задание позволяет устанавливать определенные атрибуты и накладывать ограничения на процесс или процессы, сопоставленные с заданием.

Квоты и лимиты для заданий:

Квоты (базовые и расширенные базовые ограничения):

- максимальное количество процессов;

- суммарное время центрального процессора (для каждого процесса и для задания в целом);

- максимальное количество используемой памяти (для каждого процесса и для задания в целом);

Базовые ограничения по пользовательскому интерфейсу;

Ограничения, связанные с защитой.

Волокна (fibers).

Введены в Windows 2000 для переноса существующих серверных приложений из UNIX.

Реализованы на уровне кода пользовательского режима. В потоке может быть одно или несколько волокон. Для ядра поток – все то, что можно вытеснить и что выполняет код. Единовременно поток будет выполнять код лишь одного волокна. Процессорное время между волокнами распределяется по пользовательскому алгоритму.

Взаимосвязь между заданиями, процессами и потокам

16.6 Классы приоритетов.

Приоритетный режим обслуживания:

· Разработчик ПО может использовать приоритеты от 1 до 31.

· Нулевой приоритет зарезервирован для потока обнуления страниц.

· Поток наследует приоритет процесса, породившего его.

· ОС Windows NT 4.0 предоставляет 4 класса приоритетов: Realtime, High, Normal и Idle.

· ОС Windows 2000: еще 2 дополнительных класса приоритетов – Below Normal и Above Normal.

· Относительный приоритет потока: idle, lowest, below normal, normal (обычный), above normal, highest и time-critical.

Классы приоритета процессов:

17. Общие принципы диспетчеризация (планирование загрузки) в MS Windows 2000-2003. Классы приоритетов. Относительные приоритеты. Динамическое изменение приоритетов.

17.1 Общие принципы диспетчеризация (планирование загрузки) в MS Windows 2000-2003.

Планирование загрузки однопроцессорной системы.

Планирование загрузки процессорного времени:

· В Windows реализована вытесняющая многозадачность, при которой ОС не ждет, когда поток сам захочет освободить процессор, а принудительно снимает его с выполнения после того, как тот израсходовал отведенное ему время (квант), или если в очереди готовых появился поток с более высоким приоритетом (дисциплина обслуживания с абсолютными приоритетами).

· Планировщик всегда выбирает из очереди поток с наивысшим приоритетом; если сразу несколько потоков имеют одинаковый приоритет, планировщик предоставляет квант процессорного времени каждому из них по очереди.

· Если поток по каким-то причинам преждевременно перестает быть активным (например, когда останавливается в ожидании завершения операции ввода/вывода), ядро Windows вызывает планировщик для поиска следующего потока, которому можно передать управление процессором.

· Если поток выбирает весь отведенный ему квант времени, ядро Windows вызывает планировщик с тем, чтобы другие потоки также могли выполнять свою работу. Переключение процессора с выполнения команд одного потока на выполнение команд другого называют переключением контекста.

Квантование времени:

ОС выделяет потокам кванты времени по принципу карусели. Чтобы все эти потоки работали, ОС отводит каждому из них определенное процессорное время. Выделяя потокам кванты времени по принципу карусели, она создает тем самым иллюзию одновременного выполнения потоков. Слайд иллюстрирует распределение процессорного времени между потоками на машине с одним процессором. Если в машине установлено более одного процессора, алгоритм работы ОС значительно усложняется (в этом случае система стремится сбалансировать нагрузку между процессорами).

По умолчанию в Windows 2000 Professional и Windows ХР потоки выполняются в течение 2 интервалов таймера (clock intervals), а в системах Windows Server 2000, 2003 – 12 интервалов таймера. В зависимости от конкретной аппаратной платформы, интервал таймера составляет примерно 10 или 15 мс. В серверных системах величина кванта увеличена для того, чтобы свести к минимуму переключение контекста. Получая больший квант, серверные приложения, которые пробуждаются при получении клиентского запроса, имеют больше шансов выполнить запрос и вернуться в состояние ожидания до истечения выделенного кванта.

17.3 Относительные приоритеты потоков.

Относительный приоритет потока	Описание
Time-critical	Поток выполняется с приоритетом 31 в классе real-time и с приоритетом 15 в других классах
Highest	Поток выполняется с приоритетом на два уровня выше обычною для данного класса
Above normal	Поток выполняется с приоритетом на один уровень выше обычного для данного класса
Normal	Поток выполняется с обычным приоритетом процесса для данного класса
Below normal	Поток выполняется с приоритетом на один уровень ниже обычного для данного класса
Lowest	Поток выполняется с приоритетом на два уровня ниже обычного для данного класса
Idle	Поток выполняется с приоритетом 16 в классе real-time и с приоритетом 1 в других классах

Иллюстрация по приоритетам для Windows 2000:

· Нулевой приоритет зарезервирован для потока обнуления страниц

· Приоритеты 17-21 и 27-30 могут использоваться только при написании драйвера, работающего в режиме ядра.

17.4 Динамическое изменение приоритетов.

Базовый и динамический приоритеты потока:

· Уровень приоритета, получаемый комбинацией относительного приоритета потока и класса приоритета процесса, которому принадлежит данный поток, называют базовым уровнем приоритета потока. Иногда система изменяет уровень приоритета потока.

· Использование динамических приоритетов, изменяющихся во времени, позволяет реализовать адаптивное планирование, при котором не дискриминируются интерактивные задачи, часто выполняющие операции ввода-вывода и недоиспользующие выделенные им кванты.

· Система повышает приоритет только тех потоков, базовый уровень которых находится в пределах 1-15. Именно поэтому данный диапазон называется "областью динамического приоритета" (dynamic priority range). Система не допускает динамического повышения приоритета потока до уровней реального времени (более 15). Поскольку потоки с такими уровнями обслуживают системные функции, это ограничение не дает приложению нарушить работу ОС. И, кстати, система никогда не меняет приоритет потоков с уровнями реального времени (от 16 до 31).

Динамические приоритеты:

В ходе выполнения нити ее приоритет (1-15) может меняться – механизм адаптивного планирования.

18. Граф состояний потоков в MS Windows 2000-2003. Поток простоя. Принципы адаптивного планирования.

18.1 Граф состояний потоков в MS Windows 2000.

· Готовность. При поиске потока на выполнение диспетчер просматривает только потоки, находящиеся в состоянии готовности, у которых есть все для выполнения, но не хватает только процессора.

· Первоочередная готовность (standby). Для каждого процессора системы выбирается один поток, который будет выполняться следующим. Когда условия позволяют, происходит переключение на контекст этого потока.

· Выполнение. Как только происходит переключение контекстов, поток переходит в состояние выполнения и находится в нем до тех пор, пока не выполнится одно из условий освобождения процессора (см. далее).

· Ожидание. Поток может входить в состояние ожидания несколькими способами: поток по своей инициативе ожидает некоторый объект для того, чтобы синхронизировать свое выполнение, например, ожидает завершение операции ввода-вывода.

· Переходное состояние. Поток входит в переходное состояние, если он готов к выполнению, но ресурсы, которые ей нужны, заняты. Например, страница, содержащая стек потока, может быть выгружена из на диск. При освобождении ресурсов поток переходит в состояние готовности.

· Завершение. Когда выполнение потока закончилось, он входит в состояние завершения.

Условия освобождения потоком процессора:

· исчерпан квант;

· появляется более приоритетный готовый поток;

· поток сам добровольно переходит в очередь готовых (Sleep (0), SwitchToThread);

· поток добровольно блокируется, уходя в состояние ожидания (Sleep (n), WaitForSingleObject, синхронный ввод/вывод, …);

· поток снижает свой приоритет;

· поток добровольно исключает текущий процессор из маски совместимости (привязки) (для МПС);

поток завершает свое выполнение.

Граф состояний потоков для Windows 2003:

Обратите внимание на новое состояние Deferred Ready (готов, отложен). Это состояние используется для потоков, выбранных для выполнения на конкретном процессоре, но пока не запланированных к выполнению.

Это новое состояние предназначено для того, чтобы ядро могло свести к минимуму срок применения общесистемной блокировки к базе данных планирования (scheduling database).

18.2 Поток простоя.

· Если нет ни одного потока, готового к выполнению на процессоре. Windows подключает к данному процессору поток простоя.

· Поток простоя не имеет приоритета, поскольку он выполняется лишь в отсутствие других потоков.

· Для каждого процессора (в МПС) создается свой поток простоя.

Поток простоя выполняет следующие действия:

1. Включает и отключает прерывания (тем самым давая возможность доставить отложенные

прерывания).

2. Проверяет, нет ли у процессора незавершенных отложенных программных прерываний (DPC –

3. Deferred procedure call). Если таковые есть, сбрасывает отложенное программное прерывание и

доставляет эти DPC.

4. Проверяет, выбран ли какой-нибудь поток для выполнения на данном процессоре, и, если да,

организует его диспетчеризацию.

5. Вызывает из HAL процедуру обработки процессора в простое (если нужно выполнить какие-либо

функции управления электропитанием).

6. В Windows Server 2003 поток простоя также проверяет наличие потоков, ожидающих выполнения

на других процессорах, но об этом пойдет речь в разделе по планированию потоков в многопроцессорных системах.

18.3 Принципы адаптивного планирования.

· Если поток полностью исчерпал свой квант, то его приоритет понижается на некоторую величину.

· Приоритет потоков, которые перешли в состояние ожидания, не использовав полностью выделенный им квант, повышается.

· Приоритет не изменяется, если поток вытеснен более приоритетным потоком.

· Повышение приоритета для “голодающих” потоков.

Пример “голодающего” потока:

Представьте, что поток с приоритетом 4 готов к выполнению, но не может получить доступ к процессору из-за того, что его постоянно занимают потоки с приоритетом 8. Это типичный случай "голодания" потока с более низким приоритетом. Обнаружив такой поток, не выполняемый на протяжении уже трех или четырех секунд, система поднимает его приоритет до 15 и выделяет ему двойную порцию времени. По его истечении потоку немедленно возвращается его базовый приоритет.

19. Граф состояний потоков в MS Windows 2000-2003. Особенности планирования в многопроцессорных системах. Особенности планирования в ОС MS Windows Vista и Server 2008.

19.2 Особенности планирования в многопроцессорных системах.

Управление потоками в МПС:

Операционные системы Windows 2000-2003 руководствуется следующими базовыми стратегиями для решения того, на каких процессорах какие потоки выполняются:

· выбор процессора для готового потока, при наличии простаивающих процессоров;

· выбор процессора для готового потока, при отсутствии простаивающих процессоров;

· выбор потока для конкретного процессора, который освободился.

Выбор процессора для потока при наличии простаивающих:

Как только поток готов к выполнению, Windows сначала пытается подключить его к простаивающему процессору.

Если таких процессоров несколько, то выбор процессора производится в зависимости от версии операционной системы Windows (см. далее). Как только процессор выбран, соответствующий поток переводится в состояние Standby. При выполнении на этом процессоре поток простоя обнаруживает, что поток выбран и подключает его к процессору.

Выбор процессора для потока:

· Выбор процессора для потока в Windows 2000:

· Если простаивающих процессоров несколько, то предпочтение отдается сначала идеальному процессору для данного потока, затем предыдущему, а потом текущему (т. е. процессору, на котором работает поток простоя, отвечающий за планирование).

· Если все эти процессоры заняты, операционная система выбирает первый простаивающий процессор, на котором может работать данный поток, для чего сканируется маска свободных процессоров в направлении убывания их номеров.

· Выбор процессора для потока в Windows XP и 2003:

· Выделяются простаивающие процессоры из числа тех, на которых маска привязки разрешает выполнение данного потока. Если маска привязки разрешает выполнение потока на текущем процессоре, то поток планируется к выполнению именно на этом процессоре.

· Если маска привязки не разрешает выполнение потока на текущем процессоре, то выполняется следующий алгоритм.

Алгоритм выбор процессора для потока в Windows XP и 2003:

· Если система имеет архитектуру NUMA и в узле, где находится идеальный процессор для потока, есть простаивающие процессоры, то список всех простаивающих процессоров уменьшается до этого набора. Если в результате такой операции в списке не останется простаивающих процессоров, список не сокращается.

· Если в системе работают процессоры с технологией HT и имеется физический процессор, все логические процессоры которого свободны, список простаивающих процессоров уменьшается до этого набора. Если в результате такой операции в списке не останется простаивающих процессоров, список не сокращается.

· Если текущий процессор относится к набору оставшихся простаивающих процессоров, поток планируется к выполнению именно на этом процессоре.

· Если текущий процессор не входит в список оставшихся простаивающих процессоров, если это система с технологией HT и если есть простаивающий логический процессор на физическом, который содержит идеальный процессор для данного потока, то список простаивающих процессоров ограничивается этим набором. В ином идет поиск простаивающих логических процессоров на предыдущем физическом процессоре. Если такой набор не пуст, список простаивающих процессоров уменьшается до этого набора.

· Из оставшегося набора простаивающих процессоров исключаются все процессоры, находящиеся в состоянии сна. (Эта операция не выполняется. если в ее результате такой список опустел бы.)

· Поток подключается к процессору с наименьшим номером в оставшемся списке.

Выбор процессора для потока при отсутствии простаивающих:

При отсутствии простаивающего процессора Windows выполняет постановку нового потока на идеальный процессор:

1. Если этот процессор не входит в маску привязки потока, Windows выбирает для потока процессор с наибольшим номером (в Windows 2000 маска привязки может исключить идеальный процессор).

2. Если к идеальному процессору уже подключен какой-то поток, Windows сравнивает приоритеты текущего и нового потока. Если приоритет выполняемого потока меньше, чем нового, то текущий поток вытесняется в пользу нового.

3. Если для идеального процессора уже выбран поток, ожидающий в состоянии Standby выделения процессорного времени, и его приоритет ниже, чем потока, готовящегося к выполнению, последний вытесняет первый и становится следующим выполняемым на данном процессоре.

Выбор потока для конкретного процессора (Windows 2000 и XP):

В многопроцессорной системе Windows 2000 или Windows ХР из очереди готовых выбирается поток с наивысшим приоритетом, для которого выполняется одно из дополнительных условий:

· поток уже выполнялся в прошлый раз на данном процессоре;

· данный процессор должен быть идеальным для этого потока;

· поток провел в состоянии Ready более трех тактов системного таймера;

· поток имеет приоритет не менее 24.

Выбор потока для конкретного процессора (Windows 2003):

Поскольку в Windows Server 2003 у каждого процессора собственный список потоков, ждущих выполнения на этом процессоре, то по окончании выполнения текущего потока процессор просто проверяет свою очередь готовых потоков.

Если его очереди пусты, к процессору подключается поток простоя. Затем этот поток начинает сканировать очереди готовых потоков при других процессорах и ищет потоки, которые можно было бы выполнять на данном процессоре.

Заметьте, что в NUMA-системах поток простоя проверяет процессоры сначала в своем узле, а потом в других узлах.

19.3 Особенности планирования в ОС MS Windows Vista и Server 2008.

Проблема неравномерного распределения ресурсов процессора:

Все версии ОС Windows собирают статистику загрузки процессора, для этого каждые 10 или 15 мс (в зависимости от аппаратной платформы), выполняетcя подпрограмма прерывания интервального таймера. Данная подпрограмма обновляет статистику загрузки процессора потоком, который был ею прерван. При этом в версиях ОС Windows младше Vista и Server 2008 считается, что этот поток выполнялся весь интервал, хотя в действительности выполнение потока могло начаться перед самым завершением данного интервала. Далее возможна ситуация, когда поток может формально получить ресурсы процессора, но не получить возможности выполняться, поскольку вместо этого могли быть выполнены подпрограммы аппаратного или программного прерывания. Таким образом, использование подобного механизма сбора статистики загрузки процессора может приводить к нерациональному распределению ресурсов самого процессора.

Рассмотрим случай, если два потока с одинаковым приоритетом одновременно готовы к выполнению:

Поток A выполняется до завершения следующего временного интервала, когда планировщик предполагает, что он выполнялся в течение всего интервала, и поэтому решает, что очередь потока A закончилась. Более того, потоку A засчитывается еще и прерывание, произошедшее во время его выполнения.

На следующий интервал планировщик отдает предпочтение потоку B, который выполняется в течение полного интервала.

Усовершенствования ядра ОС Windows Vista – Server 2008:

В ОС Windows Vista и Server 2008 для более равномерного выделения ресурсов вводится использование счетчика циклов процессора. Планировщик отслеживает точное количество циклов процессора, в течение которых выполняется поток, с помощью регистра счетчика циклов современных процессоров. Определив, сколько циклов может выполнить процессор на протяжении интервала времени, планировщик может точнее раздавать ресурсы процессора. К тому же, планировщик не засчитывает выполнение прерывания во время выполнения потока. Это означает, что поток в ОС Windows Vista и Server 2008 всегда получит, по крайней мере, свою очередь выполнения, не превышающую один дополнительный временной интервал, что обеспечивает более справедливое выделение ресурсов и предсказуемое поведение приложений.

Решение неравномерного распределения ресурсов ЦП:

На рисунке показан пример решения описанной ситуации неравномерного распределения ресурсов ЦП - ядро Windows Vista выделяет обоим потокам как минимум, по одному временному интервалу выполнения.

Планирование загрузки процессорного времени в MS WINDOWS 2000-2003. Функции WIN 32 API создания и завершение процессов и потоков, управление потоками

Планирование загрузки процессорного времени:

В Windows реализована вытесняющая многозадачность, при которой ОС не ждет, когда поток сам захочет освободить процессор, а принудительно снимает его с выполнения после того, как тот израсходовал отведенное ему время (квант), или если в очереди готовых появился поток с более высоким приоритетом (дисциплина обслуживания с абсолютными приоритетами). Планировщик всегда выбирает из очереди поток с наивысшим приоритетом; если сразу несколько потоков имеют одинаковый приоритет, планировщик предоставляет квант процессорного времени каждому из них по очереди. Если поток по каким-то причинам преждевременно перестает быть активным (например, когда останавливается в ожидании завершения операции ввода/вывода), ядро Windows вызывает планировщик для поиска следующего потока, которому можно передать управление процессором. Если поток выбирает весь отведенный ему квант времени, ядро Windows вызывает планировщик с тем, чтобы другие потоки также могли выполнять свою работу. Переключение процессора с выполнения команд одного потока на выполнение команд другого называют переключением контекста.

API Win32 для управления потоками:

Создание потока

HANDLE CreateThread (

PSECURITY_ATTRIBUTES psa,

SIZE_TcbStack,
PTHREAD_START_ROUTINE pfnStartAddr,

PVOID pvParam,

DWORD dwCreate,

PDWORD pdwThreadID

);

Параметры создания потока:

· Параметр psa является указателем на структуру SECURITY_ATTRIBUTES.

· Если Вы хотите, чтобы объекту ядра "поток" были присвоены атрибуты защиты по умолчанию (что чаще всего и бывает), передайте в этом параметре NULL A чтобы дочерние процессы смогли наследовать описатель этого объекта, определите структуру SECURI TY_ATTRIBUTES и инициализируйте ее элемент hlnheritHandle значением TRUE.

· Параметр cbStackопределяет, какую часть адресного пространства поток сможет использовать под свой стек. Каждому потоку выделяется отдельный стек.

· Параметр pfnStartAddr определяет адрес функции потока, с которой должен будет начать работу создаваемый поток, а параметр pvParam идентичен параметру рvРаrаm функции потока. CreateTbread лишьпередает этот параметр по эстафете той функции, с которой начинается выполнение создаваемого потока. Таким образом, данный параметр позволяет передавать функции потока какое-либо инициализирующее значение. Оно может быть или просто числовым значением, или указателем на структуру данных с дополнительной информацией. Вполне допустимо и даже полезно создавать несколько потоков, у которых в качестве входной точки используется адрес одной и той же функции. Например, можно реализовать Web-сервер, который обрабатывает каждый клиентский запрос в от дельном потоке. При создании каждому потоку передается свое значение рvParam.

· Параметр fdwCreate определяет дополнительные флаги, управляющие созданием потока. Он принимает одно из двух значений. 0 (исполнение потока начинается немедленно) или CREATE_SUSPENDED. В последнем случае система создает поток, инициализирует его и приостанавливает до последующих указаний. Флаг CREATE_SUSPENDED позволяет программе изменить какие-либо свойства потока перед тем, как он начнет выполнять код.

· Параметр pdwThreadlD— это адрес переменной типа DWORD, в которой функция возвращает идентификатор, приписанный системой новому потоку. В Windows 2000 и Windows NT 4 в этом параметре можно передавать NULL (обычно так и делается). Тем самым Вы сообщаете функции, что Вас не интересует идентификатор потока в Windows 95/98 это приведет к ошибке, так как функция попытается записать идентификатор потока по нулевому адресу, что недопустимо. И поток не будет создан.

Функция CreateRemoteThread

Функция CreateRemoteThread создает поток, который запускается в виртуальном адресном пространстве другого процесса.

HANDLE CreateRemoteThread(

HANDLE hProcess, // дескриптор процесса

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, // дескриптор защиты (SD)

SIZE_T dwStackSize, // размер начального стека

LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, // функция потока

LPVOID lpParameter, // аргументы потока

DWORD dwCreationFlags, // параметры создания

LPDWORD lpThreadId // идентификатор потока

);

Установка приоритета:

Поток создается с приоритетом потока THREAD_PRIORITY_NORMAL. Используйте функции GetThreadPriority и SetThreadPriority, чтобы получать и установить приоритетное значение потока.

BOOL SetThreadPriority(

HANDLE hThread, // дескриптор потока

int nPriority // уровень приоритета потока

);

Функция SetThreadPriority дает возможность установки базового уровня приоритета потока относительно класса приоритета его процесса. Например, устанавливая THREAD_PRIORITY_HIGHEST при вызове SetThreadPriority для потока процесса IDLE_PRIORITY_CLASS базовый уровень приоритета потока устанавливается в значение 6.

Приоритеты потоков

Приоритет	Назначение
THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL	Приоритет на 1 пункт выше класса приоритета.
THREAD_PRIORITY_BELOW_NORMAL	Приоритет на 1 пункт ниже класса приоритета.
THREAD_PRIORITY_HIGHEST	Приоритет на 2 пункта выше класса приоритета.
THREAD_PRIORITY_IDLE	Базовый приоритет 1 для процессов IDLE_PRIORITY_CLASS, BELOW_NORMAL_PRIORITY_CLASS, NORMAL_PRIORITY_CLASS, ABOVE_NORMAL_PRIORITY_CLASS или HIGH_PRIORITY_CLASS и уровень базового приоритета 16 для процессов REALTIME_PRIORITY_CLASS.
THREAD_PRIORITY_LOWEST	Приоритет на 2 пункта ниже класса приоритета.
THREAD_PRIORITY_NORMAL	Нормальный приоритет класса приоритета.
THREAD_PRIORITY_TIME_CRITICAL	Базовый приоритет 15 для процессов IDLE_PRIORITY_CLASS, BELOW_NORMAL_PRIORITY_CLASS, NORMAL_PRIORITY_CLASS, ABOVE_NORMAL_PRIORITY_CLASS или HIGH_PRIORITY_CLASS и уровень базового приоритета 31 для процессов REALTIME_PRIORITY_CLASS.

Завершение потока:

Поток можно завершить четырьмя способами:

1. функция потока возвращает управление (рекомендуемый способ);

2. поток самоуничтожается вызовом функции ExitThread (нежелательный способ);

3. один из потоков данного или стороннего процесса вызывает функцию TerminateThread (нежелательный способ);

4. завершается процесс, содержащий данный поток (тоже нежелательно).

Явный вызов ExitThread и TerminateThread нежелателен, т.к.процесс продолжает работать, но при этом весьма вероятна утечка памяти или других ресурсов.