Процессы в Windows XP

1.6 Процессы в Windows XP

Процессы

Процессом обычно называют экземпляр выполняемой программы.

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.

Потоки

Процессы инертны. Отвечают же за исполнение кода, содержащегося в адресном пространстве процесса, потоки. Поток (thread) - некая сущность внутри процесса, получающая процессорное время для выполнения. В каждом процессе есть минимум один поток. Этот первичный поток создается системой автоматически при создании процесса. Далее этот поток может породить другие потоки, те в свою очередь новые и т.д. Таким образом, один процесс может владеть несколькими потоками, и тогда они одновременно исполняют код в адресном пространстве процесса. Каждый поток имеет:

- Уникальный идентификатор потока;

- Содержимое набора регистров процессора, отражающих состояние процессора;

- Два стека, один из которых используется потоком при выполнении в режиме ядра, а другой - в пользовательском режиме;

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

Планирование потоков

Чтобы все потоки работали, операционная система отводит каждому из них определенное процессорное время. Тем самым создается иллюзия одновременного выполнения потоков (разумеется, для многопроцессорных компьютеров возможен истинный параллелизм). В Windows реализована система вытесняющего планирования на основе приоритетов, в которой всегда выполняется поток с наибольшим приоритетом, готовый к выполнению. Выбранный для выполнения поток работает в течение некоторого периода, называемого квантом. Квант определяет, сколько времени будет выполняться поток, пока операционная система не прервет его. По окончании кванта операционная система проверяет, готов ли к выполнению другой поток с таким же (или большим) уровнем приоритета. Если таких потоков не оказалось, текущему потоку выделяется еще один квант. Однако поток может не полностью использовать свой квант. Как только другой поток с более высоким приоритетом готов к выполнению, текущий поток вытесняется, даже если его квант еще не истек.

Квант не измеряется в каких бы то ни было единицах времени, а выражается целым числом. Для каждого потока хранится текущее значение его кванта. Когда потоку выделяется квант процессорного времени, это значит, что его квант устанавливается в начальное значение. Оно зависит от операционной системы. Например, для Win2000 Professional начальное значение кванта равно 6, а для Win2000 Server - 36. Это значение можно изменить, вызвав Control Panel - > System -> Advanced -> Performance options. Значение "Applications" - как для Win2000 Professional; "Background Services" - как для Win2000 Server.

Или напрямую в ключе реестра HKLM Win32PrioritySeparation.

Всякий раз, когда возникает прерывание от таймера, из кванта потока 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 10мс, а на большинстве многопроцессорных x86 систем - 15мс.

В любом случае операционная система должна определить, какой поток выполнять следующим. Выбрав новый поток, операционная система переключает контекст. Эта операция заключается в сохранении параметров выполняемого потока (регистры процессора, указатели на стек ядра и пользовательский стек, указатель на адресное пространство, в котором выполняется поток и др.), и загрузке аналогичных параметров для другого потока, после чего начинается выполнение нового потока.

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

Приоритеты

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 потока обнуления страниц (zero-page thread).

При создании процесса, ему назначается один из шести классов приоритетов:

Real time class (значение 24),

High class (значение 13),

Above normal class (значение 10),

Normal class (значение 8),

Below normal class (значение 6),

и Idle class (значение 4).

В Windows NT/2000/XP можно посмотреть приоритет процесса в Task Manager.

Приоритет каждого потока (базовый приоритет потока) складывается из приоритета его процесса и относительного приоритета самого потока. Есть семь относительных приоритетов потоков:

Normal: такой же как и у процесса;

Above normal: +1 к приоритету процесса;

Below normal: -1;

Highest: +2;

Lowest: -2;

Time critical: устанавливает базовый приоритет потока для Real time класса в 31, для остальных классов в 15.

Idle: устанавливает базовый приоритет потока для Real time класса в 16, для остальных классов в 1.

В следующей таблице показаны приоритеты процесса, относительный и базовый приоритеты потока.

Таблица 1.6.1 Приоритеты процесса

Привязка к процессорам

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

Память

Каждому процессу в Win32 доступно линейное 4-гигабайтное (2^32 = 4 294 967 296) виртуальное адресное пространство. Обычно верхняя половина этого пространства резервируется за операционной системой, а вторая половина доступна процессу.

Виртуальное адресное пространство процесса доступно всем потокам этого процесса. Иными словами, все потоки одного процесса выполняются в едином адресном пространстве.

С другой стороны, механизм виртуальной памяти позволяет изолировать процессы друг от друга. Потоки одного процесса не могут ссылаться на адресное пространство другого процесса.

Виртуальная память может вовсе не соответствовать структуре физической памяти. Диспетчер памяти транслирует виртуальные адреса на физические, по которым реально хранятся данные. Поскольку далеко не всякий компьютер в состоянии выделить по 4 Гбайт физической памяти на каждый процесс, используется механизм подкачки (swapping). Когда оперативной памяти не хватает, операционная система перемещает часть содержимого памяти на диск, в файл (swap file или page file), освобождая, таким образом, физическую память для других процессов. Когда поток обращается к странице виртуальной памяти, записанной на диск, диспетчер виртуальной памяти загружает эту информацию с диска обратно в память.

Создание процессов

Создание Win32 процесса осуществляется вызовом одной из таких функций, как CreateProcess, CreateProcessAsUser (для Win NT/2000) 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.

- Создается объект Win32 "процесс".

- Создается первичный поток (стек, контекст и объект "поток").

- Подсистема Win32 уведомляется о создании нового процесса и потока.

- Начинается выполнение первичного потока.

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

Завершение процессов

Процесс завершается если:

- Входная функция первичного потока возвратила управление.

- Один из потоков процесса вызвал функцию ExitProcess.

- Поток другого процесса вызвал 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.

Создание потоков

Первичный поток создается автоматически при создании процесса. Остальные потоки создаются функциями CreateThread и CreateRemoteThread (только в Win NT/2000/XP).

Завершение потоков

Поток завершается если

- Функция потока возвращает управление.

- Поток самоуничтожается, вызвав ExitThread.

- Другой поток данного или стороннего процесса вызывает TerminateThread.

- Завершается процесс, содержащий данный поток.

Объекты ядра

Эти объекты используются системой и пользовательскими приложениями для управления множеством самых разных ресурсов: процессами, потоками, файлами и т.д. Windows позволяет создавать и оперировать с несколькими типами таких объектов.

Объект ядра это, по сути, структура, созданная ядром и доступная только ему. В пользовательское приложение передается только описатель (handle) объекта, а управлять объектом ядра можно с помощью функций Win32 API.

Wait функции

Как можно приостановить работу потока? Существует много способов. Вот некоторые из них.

Функция Sleep() приостанавливает работу потока на заданное число миллисекунд. Если в качестве аргумента вы укажите 0 ms, то произойдет следующее. Поток откажется от своего кванта процессорного времени, однако тут же появится в списке потоков готовых к выполнению. Иными словами произойдет намеренное переключение потоков. (Вернее сказать, попытка переключения. Ведь следующим для выполнения потоком вполне может стать тот же самый.)

Функция WaitForSingleObject() приостанавливает выполнение потока до тех пор, пока не произойдет одно из двух событий:

- истечет таймаут ожидания;

- ожидаемый объект перейдет в сигнальное (signaled) состояние.

По возвращаемому значению можно понять, какое из двух событий произошло. Ожидать с помощью wait-функций можно большинство объектов ядра, например, объект "процесс" или "поток", чтобы определить, когда они завершат свою работу.

Функции WaitForMultipleObjects передается сразу массив объектов. Можно ожидать срабатывания сразу всех объектов или какого-то одного из них.

Синхронизация потоков

Работая параллельно, потоки совместно используют адресное пространство процесса. Также все они имеют доступ к описателям (handles) открытых в процессе объектов. А что делать, если несколько потоков одновременно обращаются к одному ресурсу или необходимо как-то упорядочить работу потоков? Для этого используют объекты синхронизации и соответствующие механизмы.

Мьютексы

Мьютексы (Mutex) это объекты ядра, которые создаются функцией CreateMutex(). Мьютекс бывает в двух состояниях - занятом и свободном. Мьютексом хорошо защищать единичный ресурс от одновременного обращения к нему разными потоками.

Семафоры

Семафор (Semaphore) создается функцией CreateSemaphore(). Он очень похож на мьютекс, только в отличие от него у семафора есть счетчик. Семафор открыт если счетчик больше 0 и закрыт, если счетчик равен 0. Семафором обычно "огораживают" наборы равнозначных ресурсов (элементов), например очередь, список и т.п.

События

События (Event), также как и мьютексы имеют два состояния - установленное и сброшенное. События бывают со сбросом вручную и с автосбросом. Когда поток дождался (wait-функция вернула управление) события с автосбросом, такое событие автоматически сбрасывается. В противном случае событие нужно сбрасывать вручную, вызвав функцию ResetEvent(). Допустим, сразу несколько потоков ожидают одного и того же события, и событие сработало. Если это было событие с автосбросом, то оно позволит работать только одному потоку (ведь сразу же после возврата из его wait-функции событие сбросится автоматически!), а остальные потоки останутся ждать. Если же это было событие со сбросом вручную, то все потоки получат управление, а событие так и останется в установленном состоянии, пока какой-нибудь поток не вызовет ResetEvent().

Функция PulseEvent() устанавливает событие и тут же переводит его обратно в сброшенное состояние; ее вызов равнозначен последовательному вызову SetEvent() и ResetEvent(). Если PulseEvent вызывается для события со сбросом в ручную, то все потоки, ожидающие этот объект, получают управление. При вызове PulseEvent для события с автосбросом пробуждается только один из ждущих потоков. А если ни один из потоков не ждет объект-событие, вызов функции не дает никакого эффекта.

Ожидаемые таймеры

Пожалуй, ожидаемые таймеры - самый изощренный объект ядра для синхронизации. Появились они, начиная с Windows 98. Таймеры создаются функцией CreateWaitableTimer и бывают, также как и события, с автосбросом и без него. Затем таймер надо настроить функцией SetWaitableTimer. Таймер переходит в сигнальное состояние, когда истекает его таймаут. Отменить "тиканье" таймера можно функцией CancelWaitableTimer. Примечательно, что можно указать callback функцию при установке таймера. Она будет выполняться, когда срабатывает таймер.

Критические секции. Синхронизация в пользовательском режиме

Критическая секция гарантирует вам, что куски кода программы, огороженные ей, не будут выполняться одновременно. Строго говоря, критическая секция не является объектом ядра. Она представляет собой структуру, содержащую несколько флагов и какой-то (не важно) объект ядра. При входе в критическую секцию сначала проверяются флаги, и если выясняется, что она уже занята другим потоком, то выполняется обычная wait-функция. Критическая секция примечательна тем, что для проверки, занята она или нет, программа не переходит в режим ядра (не выполняется wait-функция) а лишь проверяются флаги. Из-за этого считается, что синхронизация с помощью критических секций наиболее быстрая. Такую синхронизацию называют "синхронизация в пользовательском режиме".

Синхронизация процессов

Описатели объектов ядра зависимы от конкретного процесса (process specific). Проще говоря, handle объекта, полученный в одном процессе, не имеет смысла в другом. Однако существуют способы работы с одними и теми же объектами ядра из разных процессов.

Во-первых, это наследование описателя. При создании объекта можно указать будет ли его описатель наследоваться дочерними (порожденными этим процессом) процессами.

Во-вторых, дублирование описателя. Функция DuplicateHandle дублирует описатель объекта одного процесса в другой, т.е. по сути, берет запись в таблице описателей одного процесса и создает ее копию в таблице другого.

И, наконец, именование объекта ядра. При создании объекта ядра для синхронизации (мьютекса, семафора, ожидаемого таймера или события) можно задать его имя. Оно должно быть уникальным в системе. Тогда другой процесс может открыть этот объект ядра, указав в функции Open…(OpenMutex, OpenSemaphore, OpenWaitableTimer, OpenEvent) это имя.

Поэтому, синхронизировать потоки внутри разных процессов можно точно также как и в пределах одного. Нужно только правильно передать описатель синхронизирующего объекта от одного процесса к другому любым из перечисленных выше способов.

Взаимодействие между процессами

Потоки одного процесса не имеют доступа к адресному пространству другого процесса. Однако существуют механизмы для передачи данных между процессами.

Разделяемая память

Как уже говорилось, система виртуальной памяти в Win32 использует файл подкачки - swap file (или файл размещения - page file), имея возможность преобразования страниц оперативной памяти в страницы файла на диске и наоборот. Система может проецировать на оперативную память не только файл размещения, но и любой другой файл. Приложения могут использовать эту возможность. Это может использоваться для обеспечения более быстрого доступа к файлам, а также для совместного использования памяти.

Такие объекты называются проекциями файлов (на оперативную память) (file-mapping object). Для создания проекции файла сначала вызывается функция CreateFileMapping(). Ей передается дескриптор (уже открытого) файла или указывается, что нужно использовать page file операционной системы. Кроме этого, в параметрах ей передается флаг защиты, максимальный размер проекции и имя объекта. Затем вызывается функция MapViewOfFile(). Она отображает представление файла (view of a file) в адресное пространство процесса. По окончании работы вызывается функция UnmapViewOfFile(). Она освобождает память и записывает данные в файл (если это не файл подкачки). Чтобы записать данные на диск немедленно, используется функция FlushViewOfFile(). Проекция файла, как и другие объекты ядра, может использоваться другими процессами через наследование, дублирование дескриптора или по имени.

Прочие механизмы (сокеты, pipe)

Кроме разделяемой памяти, в Windows есть и другие способы передачи информации между процессами, например, каналы, поименованные каналы и сокеты. Все они имеют сходный принцип и представляют собой своеобразный канал или соединение, "трубу", соединяющую процессы. Программа, имея один конец такого соединения, может читать и/или писать в него данные, обмениваясь, таким образом, информацией с программой на другом конце.

Каналы используются для пересылки данных в одном направлении между дочерним и родительским процессами или между двумя дочерними процессами. Операции чтения/записи в канал похожи на подобные операции при работе с файлами.

Поименованные каналы используются для двустороннего обмена данными между процессом-сервером и одним или несколькими процессами-клиентами. Как и анонимные каналы, они используют файлоподобный интерфейс, но, в отличие от первых, пригодны также для обмена данными по сети.

Сокет - это абстрактный объект для обозначения одного из концов сетевого соединения, в том числе и через Internet. Сокеты Windows бывают двух типов: сокеты дейтаграмм и сокеты потоков. Интерфейс Windows Sockets (WinSock) основан на BSD-версии сокетов, но в нем имеются также расширения, специфические для Windows.

Сообщения в Windows (оконные сообщения)

Говоря о Windows нельзя не упомянуть о таких понятиях как windows (окна), messages (сообщения), message queue (очередь сообщений) и т.д.

Window - это (прямоугольная) область экрана в которой приложение отображает информацию (если оно видимо, конечно) и получает информацию от пользователя. Окна принадлежат потокам. Поток, создавший окно считается владельцем этого окна. Поток может быть владельцем нескольких окон.

Окна управляются сообщениями. Все события, происходящие с окном, сопровождаются посылкой ему сообщений: создание и уничтожение окна, ввод с клавиатуры, перемещение мыши, перерисовка и перемещение окна и т.д. Сообщения окну могут посылаться как самой системой, так и пользовательскими приложениями. Каждому окну приписана функция, называемая оконной процедурой (window procedure), которая и вызывается при обработке сообщения.

Сообщения можно посылать не только окну, но и самому потоку. Каждый поток, владеющий окном, имеет очередь сообщений. Как правило, поток, владеющий окнами, только тем и занимается, что обрабатывает сообщения, посылаемые его окнам.

Если описатели объектов ядра процессо-зависимы, то описатели окон уникальны в пределах Deskop. Поэтому одному процессу не составляет никакого труда получить и использовать описатель окна принадлежащему потоку другого процесса.

Посылка же сообщений из одного приложения другому есть не что иное, как один из способов межпроцессного общения.

Похожие работы

Исследование возможностей операционной системы Windows

Скачать

98095

3

11

... Windows XP было выпущено три пакета обновлений (Service Pack), последний из которых вышел в апреле 2008 года. Каждый из пакетов расширял возможности операционной системы, устранял ошибки, делал систему более надежной и защищенной. В 2003 году вышла новая версия Windows Server 2003, пришедшая на замену Windows 2000. Через некоторое время вышло и обновление, получившее название Windows Server 2003 ...

Операционная система Windows

Скачать

33964

0

0

... в зависимости от выполняемой операции. На более быстродействующих системах с большей памятью она остается весьма конкурентоспособной в одно- и многозадачном режимах работы 24 августа 1995 г. в продажу поступила новая операционная система Windows 95, Еще до выхода было продано около 400 тыс. экземпляров beta-версий этой системы. Выход Windows 95 стал главнейшим событием 1995 г. Все журналы писали о ...

Операционная система WINDOWS-98

Скачать

28960

1

1

... : Windows-3.1, Windows-95, Windows-98, Windows-2000, Windows NT. Все они близки между собой по содержанию, поэтому в дальнейшем в работе будет рассматриваться операционная система Windows-98. 2. Объекты Windows и их свойства.   2.1. Ярлыки (пиктограммы).   Помимо программ, документов, папок рабочий стол и папки может содержать ярлыки объектов. Ярлыки позволяют быстро запустить программу или ...

Операционная система Windows Server 2008

Скачать

33411

1

3

... 2008 разделились на отдельные продукты с разными циклами выпуска, многие из усовершенствований нашли применение как в той, так и в другой операционной системе.   2. Усовершенствования операционной системы Windows Server 2008 В Windows Server 2008 не только добавлены новые функции, но и значительно усовершенствованы многие возможности базовой ОС Windows Server 2003. Среди них следует отметить ...