Смекни!
smekni.com

Процессы, нити и волокна в ОС Windows (стр. 1 из 2)

Реферат по теме:

"Процессы, нити и волокна в ОС Windows"

Содержание

1.Процессы, нити и волокна в ОС Windows

2.Создание процессов

3.Завершение процессов

4.Создание нитей

5.Завершение нитей

6.Создание волокон

7.Уничтожение волокон

8.Wait-функции

Выводы

Список литературы

1. Процессы, нити и волокна в ОС Windows

Процессом обычно называют экземпляр выполняемой программы. Хотя на первый взгляд кажется, что программа и процесс понятия практически одинаковые, они фундаментально отличаются друг от друга. Программа представляет собой статический набор команд, а процесс это набор ресурсов и данных, использующихся при выполнении программы. Процесс в Windows состоит из следующих компонентов:

– структура данных, содержащая всю информацию о процессе, в том числе список открытых дескрипторов различных системных ресурсов, уникальный идентификатор процесса, различную статистическую информацию и т.д.;

– адресное пространство – диапазон адресов виртуальной памяти, которым может пользоваться процесс;

– исполняемая программа и данные, проецируемые на виртуальное адресное пространство процесса.

Процессы инертны. Отвечают же за исполнение кода, содержащегося в адресном пространстве процесса, нити. Нить (thread) – некая сущность внутри процесса, получающая процессорное время для выполнения. В каждом процессе есть минимум одна нить. Эта первичная нить создается системой автоматически при создании процесса. Далее эта нить может породить другие нити, те в свою очередь новые и т.д. Таким образом, один процесс может владеть несколькими нитями, и тогда они одновременно исполняют код в адресном пространстве процесса. Каждая нить имеет:

– уникальный идентификатор нити;

– содержимое набора регистров процессора, отражающих состояние процессора;

– два стека, один из которых используется нитью при выполнении в режиме ядра, а другой – в пользовательском режиме;

– закрытую область памяти, называемую локальной памятью нити (thread local storage, TLS) и используемую подсистемами, run-time библиотеками и DLL.

Чтобы все нити работали, операционная система отводит каждой из них определенное процессорное время. Тем самым создается иллюзия одновременного выполнения нитей (разумеется, для многопроцессорных компьютеров возможен истинный параллелизм). В Windows реализована система вытесняющего планирования на основе приоритетов, в которой всегда выполняется нить с наибольшим приоритетом, готовая к выполнению. Выбранная для выполнения нить работает в течение некоторого периода, называемого квантом. Квант определяет, сколько времени будет выполняться нить, пока операционная система не прервет ее. По окончании кванта операционная система проверяет, готова ли к выполнению другая нить с таким же (или большим) уровнем приоритета. Если таких нитей не оказалось, текущей нити выделяется еще один квант. Однако нить может не полностью использовать свой квант. Как только другая нить с более высоким приоритетом готова к выполнению, текущая нить вытесняется, даже если ее квант еще не истек.

Квант не измеряется в каких бы то ни было единицах времени, а выражается целым числом. Для каждой нити хранится текущее значение ее кванта. Когда нити выделяется квант процессорного времени, это значит, что ее квант устанавливается в начальное значение. Оно зависит от операционной системы. Например, для Win2000 Professional начальное значение кванта равно 6, а для Win2000 Server – 36.

Всякий раз, когда возникает прерывание от таймера, из кванта нити вычитается 3, и так до тех пор, пока он не достигнет нуля. Частота срабатывания таймера зависит от аппаратной платформы. Например, для большинства однопроцессорных x86 систем он составляет 10 мс, а на большинстве многопроцессорных x86 систем – 15 мс.

В любом случае операционная система должна определить, какую нить выполнять следующей. Выбрав новую нить, операционная система переключает контекст. Эта операция заключается в сохранении параметров выполняемой нити (регистры процессора, указатели на стек ядра и пользовательский стек, указатель на адресное пространство, в котором выполняется нить и др.), и загрузке аналогичных параметров для другой нити, после чего начинается выполнение новой нити.

Планирование в Windows осуществляется на уровне нитей, а не процессов. Это кажется понятным, так как сами процессы не выполняются, а лишь предоставляют ресурсы и контекст для выполнения нитей. Поэтому при планировании нитей, система не обращает внимания на то, какому процессу они принадлежат. Например, если процесс А имеет 10 готовых к выполнению нитей, а процесс Б – две, и все 12 нитей имеют одинаковый приоритет, каждая из них получит 1/12 процессорного времени.

В Windows существует 32 уровня приоритета, от 0 до 31. Они группируются так: 31–16 – уровни реального времени; 15–1 – динамические уровни; 0 – системный уровень, зарезервированный для процесса обнуления страниц (zero-page thread).

Приоритет каждой нити (базовый приоритет нити) складывается из приоритета ее процесса и относительного приоритета самой нити. Есть семь относительных приоритетов нитей:

Normal: такой же как и у процесса;

Above normal: +1 к приоритету процесса;

Belownormal: –1;

Highest: +2;

Lowest: –2;

Timecritical: устанавливает базовый приоритет потока для Realtime класса в 31,

для остальных классов – в 15;

Idle: устанавливает базовый приоритет потока для Realtime класса в 16,

для остальных классов – в 1.

Если операционная система выполняется на машине, где установлено более одного процессора, то по умолчанию, нить выполняется на любом доступном процессоре. Однако в некоторых случаях, набор процессоров, на которых нить может работать, может быть ограничен. Это явление называется привязкой к процессорам (processoraffinity). Можно изменить привязку к процессорам программно, через Win32‑функции планирования.

Волокна поддерживаются в WIN32 API, начиная с Windows2000. Под волокном понимается упрощенная нить, выполнение которой планируется самим приложением, а не планировщиком процессорного времени ОС. Планирование волокон может осуществляться только путем переключения на них только из других волокон. Волокна выполняются в контексте нитей, в которых планируется их применение, и допускают полную их идентификацию с нитями. В каждой нити может быть запланировано несколько волокон. Для каждого волокна создается собственный стек, в котором хранится информация о состоянии волокна.

2. Создание процессов

Создание Win32 процесса осуществляется вызовом одной из таких функций, как CreateProcess, CreateProcessAsUser (для WinNT/2000/Vista) и CreateProcessWithLogonW (начиная с Win2000) и происходит в несколько этапов:

– Открывается файл образа (EXE), который будет выполняться в процессе. Если исполняемый файл не является Win32 приложением, то ищется образ поддержки (support image) для запуска этой программы. Например, если исполняется файл с расширением.bat, запускается cmd.exe и т.п.

В WinNT/2000/Vista для отладки программ реализовано следующее. CreateProcess, найдя исполняемый Win32 файл, ищет в SOFTWARE\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\Image File Execution Option раздел с именем и расширением запускаемого файла, затем ищет в нем параметр Debugger, и если строка не пуста, запускает то, что в ней написано вместо данной программы.

– Создается объект Win32 «процесс».

– Создается первичная нить (стек, контекст и объект «нить»).

– Подсистема Win32 уведомляется о создании нового процесса и нити.

– Начинается выполнение первичной нити.

– В контексте нового процесса и потока инициализируется адресное пространство (например, загружаются требуемые DLL) и начинается выполнение программы.

3. Завершение процессов

Процесс завершается если:

– Входная функция первичной нити возвратила управление.

– Одна из нитей процесса вызвала функцию ExitProcess.

– Нить другого процесса вызвала функцию TerminateProcess.

Когда процесс завершается, все User- и GDI‑объекты, созданные процессом, уничтожаются, объекты ядра закрываются (если их не использует другой процесс), адресное пространство процесса уничтожается.

Пример: Программа создает процесс «Калькулятор».

#include <windows.h>

int main (int argc, char* argv[])

{

STARTUPINFO si;

PROCESS_INFORMATION pi;

ZeroMemory (&si, sizeof(si));

si.cb = sizeof(si);

ZeroMemory (&pi, sizeof(pi));

if (! CreateProcess(NULL, «c:&bsol;windows&bsol;calc.exe», NULL, NULL, FALSE,

0, NULL, NULL, &si, &pi))

return 0;

// Close process and thread handles.

CloseHandle (pi.hProcess);

CloseHandle (pi.hThread);

return 0;

}

4. Создание нитей

Первичная нить создается автоматически при создании процесса. Остальные нити создаются функциями CreateThread и CreateRemoteThread (только в WinNT/2000/XP/Vista).

5. Завершение нитей

Нить завершается если

– Функция нити возвращает управление.

– Нить самоуничтожается, вызвав ExitThread.

– Другая нить данного или стороннего процесса вызывает TerminateThread.

– Завершается процесс, содержащий данную нить.

6. Создание волокон

Волокно может быть создано с помощью системного вызова CreateFiber из основной нити процесса или получено путем преобразования текущей нити с помощью функции ConvertThreadToFiber. Переключение между волокнами может быть организовано с помощью функции SwitchToFiber, но ее вызов можно осуществлять только из волокна.

Пример: Программа создает 4 волокна, каждое из которых выполняет переключение на следующее волокно, если число переключений больше 10, работа завершается.

#define WIN32_LEAN_AND_MEAN

#define _WIN32_WINNT 0x0400

#include «stdio.h»

#include «windows.h»

int Counter;

void *fiber[5];

void WINAPI Func (void *)

{

for(;) {

printf («Fiber Number % d&bsol;n», Counter % 4);

if ((Counter++)<10) {

SwitchToFiber (fiber[Counter % 4]);

} else break;

}

}

int main (int argc, char* argv[])

{

Counter=0;

fiber[0]=CreateFiber (0, Func, NULL);

fiber[1]=CreateFiber (0, Func, NULL);

fiber[2]=CreateFiber (0, Func, NULL);

fiber[3]=CreateFiber (0, Func, NULL);

// для переключения на первое волокно необходимо преобразовать текущую нить в волокно

fiber[4]=ConvertThreadToFiber(NULL);

SwitchToFiber (fiber[0]);

return 0;

}

7. Уничтожение волокон

Для принудительного уничтожения волокна применяется функция DeleteFiber. Также для уничтожения волокна могут быть использованы все функции, предназначенные для уничтожения нитей.