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.

---

• Включите директиву #define _MT во все исходные файлы, в которых используется библиотека С.

• Добавьте включаемый файл <process.h>, содержащий определения функций _beginthreadex и _endthreadex.

• Создайте потоки с помощью функции _beginthreadex; не применяйте для этой цели функцию CreateThread.

• Завершите потоки посредством функции _endthreadex или просто воспользуйтесь оператором return в конце функции потока.

В приложении А вы найдете указания относительно того, как создавать многопоточные приложения. В частности, можно, и даже рекомендуется, указывать библиотеку и определять константу _МТ непосредственно в среде разработки.

Именно так будут построены все наши примеры, и функция CreateThread никогда не будет непосредственно применяться в программах даже в тех случаях, когда библиотека С в функциях потоков не используется. 

Библиотеки с многопоточной поддержкой

При проектировании пользовательских библиотек следует уделять самое пристальное внимание тому, чтобы избежать возникновения проблем, связанных с параллельным выполнением нескольких потоков, особенно в тех случаях, когда речь идет о сохранении информации о состоянии процессов. Одна из возможных стратегий демонстрируется в примере в главе 12 (программа 12.4), где библиотека DLL для сохранения информации о состоянии использует отдельный параметр.

Еще один пример в главе 12 (программа 12.5) иллюстрирует альтернативный подход, в котором применяется функция DllMain и TLS, описанные далее в настоящей главе.

Пример: многопоточный поиск контекста

В программе 6.1 (grepMP) для выполнения одновременного поиска текстового шаблона в нескольких файлах использовались процессы. Программа 7.1 (grepMT), которая включает исходный код функции поиска текстового шаблона grep, обеспечивает выполнение поиска несколькими потоками в рамках одного процесса. Код функции поиска основан на вызовах функций файлового ввода/вывода библиотеки С. Основная программа аналогична той, которая предлагалась в варианте реализации, основанном на использовании процессов.

Этот пример также показывает, что применение потоков позволяет выполнять асинхронные операции ввода/вывода даже без привлечения специально для этого предназначенных методов, описанных в главе 14. В данном примере параллельным вводом/выводом с участием нескольких файлов управляет программа, в то время как основной или любого другого потока предоставляется возможность в ожидании завершения ввода/вывода выполнять дополнительную обработку. По мнению автора, способ реализации асинхронного ввода/вывода, обеспечиваемый потоками, является более простым, а сравнительный анализ эффективности различных методов, представленный в главе 14, поможет вам выработать собственное мнение на этот счет.

Мы увидим, однако, что в сочетании с портами завершения ввода/вывода операции асинхронного ввода/вывода становятся очень полезным, а часто и необходимым средством в тех случаях, когда количество потоков очень велико.

В иллюстративных целях в программу grepMT введено дополнительное отличие по сравнению с программой grepMP. В данном случае функция WaiForMultipleObjects ожидает завершения не всех потоков, а только одного. Соответствующая информация выводится без ожидания завершения других потоков. В большинстве случае порядок завершения потоков будет меняться от одного запуска программы к другому. Программу легко видоизменить таким образом, чтобы результаты отображались в порядке указания аргументов в командной строке; для этого будет достаточно сымитировать программу grepMP. 

Наконец, обратите внимание на ограничение в 64 потока, обусловленное значением константы MAXIMUM_WAIT_OBJECTS, которая ограничивает количество дескрипторов при вызове функции WaitForMultipleObjects. Если у вас возникнет необходимость в большем количестве потоков, организуйте для функций WaitForSingleObjects или WaitForMultipleObjects соответствующий цикл.

Предостережение

Программа grepMP осуществляет асинхронный ввод/вывод в том смысле, что отдельные потоки выполняют параллельное синхронное чтение различных файлов, которые блокируются до момента завершения операции чтения. Можно также организовать параллельное чтение одного и того же файла, если у него имеются различные дескрипторы (обычно, по одному дескриптору для каждого потока). Эти дескрипторы должны быть сгенерированы функцией CreateFile, а не функцией DuplicateHandle. В главе 14 описывается асинхронный ввод/вывод, осуществляемый как с использованием, так и без использования пользовательских потоков, а в примере, доступном на Web-сайте (программа atouMT, описанная в главе 14), операции ввода/вывода выполняются с использованием нескольких потоков по отношению к одному и тому же файлу.

Программа 7.1. grepMT: многопоточный поиск текстового шаблона 

/* Глава 7. grepMT. */

/* Параллельный поиск текстового шаблона — версия, использующая несколько потоков. */

#include "EvryThng.h"

typedef struct { /* Структура данных потока поиска. */

 int argc;

 TCHAR targv[4][МАХ_РАТН];

} GREP_THREAD_ARG;

typedef GREP_THREAD_ARG *PGR_ARGS;

static DWORD WINAPI ThGrep(PGR_ARGS pArgs);

int _tmain(int argc, LPTSTR argv[]) {

 GREP_THREAD_ARG * gArg;

 HANDLE * tHandle;

 DWORD ThdIdxP, ThId, ExitCode;

 TCHAR CmdLine[MAX_COMMAND_LINE];

 int iThrd, ThdCnt;

 STARTUPINFO Startup;

 PROCESS_INFORMATION ProcessInfo;

 GetStartupInfo(&StartUp);

 /* Основной поток: создает отдельные потоки поиска на основе функции "grep" для каждого файла. */

 tHandle = malloc((argc – 2) * sizeof(HANDLE));

 gArg = malloc((argc – 2) * sizeof(GREP_THREAD_ARG));

 for (iThrd = 0; iThrd < argc – 2; iThrd++) {

  _tcscpy(gArg[iThrd].targv[1], argv[1]); /* Pattern. */

  _tcscpy(gArg[iThrd].targv[2], argv[iThrd + 2]);

  GetTempFileName /* Имя временного файла. */

   (".", "Gre", 0, gArg[iThrd].targv[3]); 

  gArg[iThrd].argc = 4;

  /* Создать рабочий поток для выполнения командной строки. */

  tHandle[iThrd] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ThGrep, &gArg[iThrd], 0, &ThId);

 }

 /* Перенаправить стандартный вывод для вывода списка файлов. */

 Startup.dwFlags = STARTF_USESTDHANDLES;

 Startup.hStdOutput = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);

 /* Выполняются все рабочие потоки. Ожидать их завершения. */

 ThdCnt = argc – 2;

 while (ThdCnt > 0) {

  ThdIdxP = WaitForMultipleObjects(ThdCnt, tHandle, FALSE, INFINITE);

  iThrd = (int)ThdIdxP – (int)WAIT_OBJECT_0;

  GetExitCodeThread(tHandle [iThrd], &ExitCode);

  CloseHandle(tHandle [iThrd]);

  if (ExitCode ==0) { /* Шаблон найден. */

   if (argc > 3) {

    /* Вывести имя файла, если имеется несколько файлов. */

    _tprintf(_T("\n**Результаты поиска – файл: %s\n"), gArg[iThrd].targv [2]);

    fflush(stdout);

   }

   /* Использовать программу "cat" для перечисления результирующих файлов. */

   _stprintf(CmdLine, _T("%s%s"), _Т("cat "), gArg [iThrd].targv[3]);

   CreateProcess(NULL, CmdLine, NULL, NULL, TRUE, 0, NULL, NULL, &StartUp, &ProcessInfo);

   WaitForSingleObject(ProcessInfo.hProcess, INFINITE);

   CloseHandle(ProcessInfo.hProcess);

   CloseHandle(ProcessInfo.hThread);

  }

  DeleteFile(gArg[iThrd].targv[3]);

  /* Скорректировать массивы потоков и имен файлов. */

  tHandle[iThrd] = tHandle[ThdCnt – 1];

  _tcscpy(gArg[iThrd].targv[3], gArg[ThdCnt – 1].targv[3]);

  _tcscpy(gArg[iThrd].targv[2], gArg[ThdCnt – 1].targv[2]);

  ThdCnt--;

 }

}

/* Прототип функции контекстного поиска:

static DWORD WINAPI ThGrep(PGR_ARGS pArgs){ } */

Потоки и производительность

Программы grepMP и grepMT по своей структуре и сложности сопоставимы друг с другом, однако, как и следовало ожидать, программа grepMT характеризуется более высокой производительностью, так как переключение между потоками осуществляется ядром намного эффективнее, чем переключение между процессами. В приложении В показано, что эти теоретические ожидания отвечают действительности, и это особенно заметно в тех случаях, когда файлы размещены на различных дисках. Оба варианта реализации способны работать в SMP-системах, существенно улучшая показатели производительности в терминах общего времени выполнения (истекшего времени); потоки, независимо от того, принадлежат ли они одному и тому же или разным процессам, параллельно выполняются на различных процессорах. Измеренное пользовательское время в действительности превышает общее время выполнения, поскольку рассчитывается в виде суммарной величины для всех процессоров.

В то же время, существует весьма распространенное заблуждение, суть которого состоит в том, что отмеченный параллелизм, независимо от того, касается ли он использования нескольких процессов, как в случае grepMP, или же применения нескольких потоков, как в случае grepMT, способен приводить к повышению производительности лишь в случае SMP-систем. Выигрыш в производительности можно получить и при использовании нескольких дисков, а также при любом другом распараллеливании в системе хранения. Во всех подобных случаях операции ввода/вывода с участием нескольких файлов будут осуществляться в параллельном режиме.