Джонсон Харт - Системное программирование в среде Windows

• Название: Системное программирование в среде Windows
• Автор: Джонсон Харт
• Издательство: Издательский дом "Вильямс"
• Жанр: Программирование
• Год: 2005
• ISBN: 5-8459-0879-5

Эта книга посвящена вопросам разработки приложений с использованием интерфейса прикладного программирования операционных систем компании Microsoft (Windows 9х, Windows XP, Windows 2000 и Windows Server 2003). Основное внимание уделяется базовым системным службам, включая управление файловой системой, процессами и потоками, взаимодействие между процессами, сетевое программирование и синхронизацию. Рассматривается методика переноса приложений, написанных в среде Win32, в среду Win64. Подробно описываются все аспекты системы безопасности Windows и ее практического применения. Изобилие реальных примеров, доступных также и на Web-сайте книги, существенно упрощает усвоение материала.

Книга ориентирована на разработчиков и программистов, как высокой квалификации, так и начинающих, а также будет полезна для студентов соответствующих специальностей.

---

• Поскольку потоки разделяют общую память и другие ресурсы, принадлежащие одному процессу, существует вероятность того, что один поток может случайно изменить данные, относящиеся к другому потоку.

• При определенных обстоятельствах вместо улучшения производительности может наблюдаться ее резкое ухудшение.

• Разделение потоками общей памяти и других ресурсов в контексте одного процесса может стать причиной нарушения условий состязаний между процессами и вызывать блокирование некоторых из них.

Некоторых проблем, с которыми действительно приходится сталкиваться, можно избежать, тщательно проектируя и программируя соответствующие задачи, тогда как природа других проблем обусловлена самим параллелизмом, независимо от того, реализуется он путем разбиения процессов на потоки, использованием нескольких процессов или применением специальных методов, например, методов асинхронного ввода/вывода, предоставляемых Windows.

Основные сведения о потоках

В предыдущей главе на рис. 6.1 было показано, каким образом обеспечивается существование потоков в среде процесса. Использование потоков на примере многопоточного сервера, способного обрабатывать запросы одновременно нескольких клиентов, иллюстрирует рис. 7.1; каждому клиенту отведен поток. Эта модель будет реализована в главе 11.

Потоки, принадлежащие одному процессу, разделяют общие данные и код, поэтому очень важно, чтобы каждый поток имел также собственную область памяти, относящуюся только к нему. В Windows удовлетворение этого требования обеспечивается несколькими способами.

• У каждого потока имеется собственный стек, который она использует при вызове функций и обработке некоторых данных.

• При создании потока вызывающий процесс может передать ему аргумент (Arg на рис. 7.1), который обычно является указателем. На практике этот аргумент помещается в стек потока.

• Каждый поток может распределять индексы собственных локальных областей хранения (Thread Local Storage, TLS), а также считывать и устанавливать значения TLS. TLS, описанные далее, предоставляют в распоряжение потоков небольшие массивы данных, и каждый из потоков может обращаться к собственной TLS. Одним из преимуществ TLS является то, что они обеспечивают защиту данных, принадлежащих одному потоку, от воздействия со стороны других потоков.

Рис. 7.1. Потоки в среде сервера

Аргумент потока и TLS могут использоваться для указания произвольной структуры данных. Применительно к представленному на рис. 7.1 примеру сервера эта структура может содержать текущий запрос и отклик потока на этот запрос, а также предоставлять рабочую память для других целей.

В случае SMP-систем Windows обеспечивает параллельное выполнение различных потоков, в том числе и принадлежащих одному и тому же процессу, на разных процессорах. Правильное использование этой возможности позволяет повысить производительность, однако, как будет показано в двух следующих главах, в результате непродуманных действий без заранее определенной стратегии использования нескольких процессоров производительность SMP-систем может даже ухудшиться по сравнению с однопроцессорными системами.

Управление потоками

Вероятно, вы не будете удивлены, узнав о том, что у потоков, как и у любого другого объекта Windows, имеются дескрипторы и что для создания потоков, выполняющихся в адресном пространстве вызывающего процесса, предусмотрен системный вызов CreateThread. Как и в случае процессов, мы будем говорить иногда о "родительских" и "дочерних" потоках, хотя ОС не делает в этом отношении никаких различий. Системный вызов CreateThread предъявляет ряд специфических требований:

• Укажите начальный адрес потока в коде процесса.

• Укажите размер стека, и необходимое пространство стека будет выделено из виртуального адресного пространства процесса. Размер стека по умолчанию равен размеру стека основного потока (обычно 1 Мбайт). Первоначально для стека отводится одна страница (см. главу 5). Новые страницы стека выделяются по мере надобности до тех пор, пока стек не достигнет своего максимального размера, поэтому не сможет больше расти.

• Задайте указатель на аргумент, передаваемый потоку. Этот аргумент может быть чем угодно и должен интерпретироваться самим потоком.

• Функция возвращает значение идентификатора (ID) и дескриптор потока.

В случае ошибки возвращаемое значение равно NULL.

HANDLE CreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsa, DWORD dwStackSize, LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddr, LPVOID lpThreadParm, DWORD dwCreationFlags, LPDWORD lpThreadId) 

Параметры

lpsa — указатель на уже хорошо знакомую структуру атрибутов защиты.

dwStackSize — размер стека нового потока в байтах. Значению 0 этого параметра соответствует размер стека по умолчанию, равный размеру стека основного потока.

lpStartAddr — указатель на функцию (принадлежащую контексту процесса), которая должна выполняться. Эта функция принимает единственный аргумент в виде указателя и возвращает 32-битовый код завершения. Этот аргумент может интерпретироваться потоком либо как переменная типа DWORD, либо как указатель. Функция потока (ThreadFunc) имеет следующую сигнатуру: 

DWORD WINAPI ThreadFunc(LPVOID) 

lpThreadParm — указатель, передаваемый потоку в качестве аргумента, который обычно интерпретируется потоком как указатель на структуру аргумента.

dwCreationFlags — если значение этого параметра установлено равным 0, то поток запускается сразу же после вызова функции CreateThread. Установка значения CREATE_SUSPENDED приведет к запуску потока в приостановленном состоянии, из которого поток может быть переведен в состояние готовности путем вызова функции ResumeThread.

lpThreadId — указатель на переменную типа DWORD, которая получает идентификатор нового потока; в Windows 9x и Windows NT 3.51 значение NULL для этого параметра устанавливать нельзя.

Любой поток процесса может сама завершить свое выполнение, вызвав функцию ExitThread, однако более обычным способом самостоятельного завершения потока является возврата из функции потока с использованием кода завершения в качестве возвращаемого значения. По завершении выполнения потока память, занимаемая ее стеком, освобождается. В случае если поток был создан в библиотеке DLL, будет вызвана соответствующая точка входа DllMain (глава 4) с указанием флага DLL_THREAD_DETACH в качестве "причины" этого вызова. 

VOID ExitThread(DWORD dwExitCode) 

Когда завершается выполнение последнего потока, завершается и выполнение самого процесса.

Выполнение потока также может быть завершено другим потоком с помощью функции TerminateThread, однако освобождения ресурсов потока при этом не происходит, обработчики завершения не выполняются и уведомления библиотекам DLL не посылаются. Лучше всего, когда поток сам завершает свое выполнение; применять для этого функцию TerminateThread крайне нежелательно. Функции TerminateThread присущи те же недостатки, что и функции TerminateProcess.

Поток, выполнение которого было завершено (напомним, что обычно поток должен самостоятельно завершать свое выполнение), продолжает существовать до тех пор, пока посредством функции CloseHandle не будет закрыт ее последний дескриптор. Любой другой поток, возможно и такой, который ожидает завершения другого потока, может получить код завершения потока. 

BOOL GetExitCodeThread(HANDLE hThread, LPDWORD lpExitCode) 

lpExitCode — будет содержать код завершения потока, указывающий на его состояние. Если поток еще не завершен, значение этой переменной будет равно STILL_ACTIVE.

Идентификация потоков

Функции, используемые для получения идентификаторов (ID) и дескрипторов потоков, напоминают те, которые используются для аналогичных целей в случае процессов. 

• GetCurrentThread — возвращает ненаследуемый псевдодескриптор вызывающего потока.

• GetCurrentThreadId — позволяет получить идентификатор потока, а не его дескриптор.

• GetThreadId — позволяет получить идентификатор потока, если известен его дескриптор; эта функция требует использования Windows Server 2003.

• OpenThread — создает дескриптор потока по известному идентификатору.

В программе JobShell (программа 6.3) нам очень пригодилась функция OpenProcess, и функция OpenThread может применяться для аналогичных целей.

Дополнительные функции управления потоками

Несмотря на то что функций управления потоками, которые мы выше обсуждали, вполне достаточно для большинства случаев, в том числе и для примеров, приведенных в этой книге, в Windows XP и Windows Server 2003 были введены две дополнительные функции. Их краткие описания представлены ниже.

1. Функция GetProcessIdOfThread, требующая использования Windows Server 2003, позволяет получать идентификатор процесса, которому принадлежит поток, по известному дескриптору потока. Вы могли бы задействовать эту функцию в программах, предназначенных для управления потоками, принадлежащими другим процессам, или взаимодействия с такими потоками. Если необходимо получить дескриптор процесса, применяйте для этого функцию OpenProcess.