Лекция №5. Многозадачность в Windows

Многозадачность в Windows.

MSDN: Platform SDK documentation/base services/dll processes and threads

В Windows имеется 2 способа использования многозадачности: многозадачность на уровне процессов и на уровне потоков.

Если требуется изоляция адресного пространства и ресурсов, используется многозадачность на уровне процессов.

Пример: системные службы Windows – автономные процессы. Крах системной службы не приводит к краху других процессов.

Процесс может использовать несколько нитей для выполнения следующих задач:

1. управление вводом из нескольких окон (IE, который для каждой папки создаёт отдельный поток);

2. управление вводом из нескольких коммуникационных устройств (например, сервер, обслуживающий подключенных клиентов отдельными потоками);

3. различение задач различного приоритета (например, выполнение критичных по времени задач высокоприоритетным потоком);

4. сохранение интерактивности приложения при выполнении фоновой задачи.

Реализация многозадачности с использованием одного процесса и нескольких потоков предпочтительна по следующим соображениям:

1. более быстрое переключение контекста между нитями одного процесса;
2. нити одного процесса разделяют глобальные переменные;
3. нити одного процесса разделяют описатели системных ресурсов HANDLE (в Windows).

Win32API обеспечивает альтернативные нитям методы многозадачности:

· асинхронный ввод/вывод;

· порты завершения ввода/вывода (I/O Completion Port);

· асинхронный вызовы процедур (APC);

· возможность ожидать множества коммуникационных событий с использованием WaitForMultipeObjects().

Данные способы более быстрые, чем использование нескольких нитей, каждой ожидающей своего события с WaitForSingleObject().

Рекомендации по многозадачности: использовать как можно меньше потоков для одного приложения, т.к. требуются ресурсы для хранения контекста потока, для отслеживания нескольких активных потоков и, обычно, более сложная синхронизация.

Планировщик Windows

В документации MSDN не описывается конкретный алгоритм планирования, он может изменяться в разных версиях ОС. Основными средствами, влияющими на алгоритм планирования в API, является класс и уровень приоритета (Class и Level).

Класс указывается при создании процесса (используется функция CreateProcess()). Существует 6 классов приоритета:

· IDLE_PRIORITY_CLASS – самый низкий уровень приоритета, его имеют хранители экрана, средства сбора диагностики.

· BELOW_NORMAL_ PRIORITY_CLASS

· NORMAL_ PRIORITY_CLASS – приоритет по умолчанию.

· ABOVE_NORMAL_ PRIORITY_CLASS – приоритет по умолчанию.

· HIGH_PRIORITY_CLASS – приоритет, непосредственно работающий с оборудованием.

· REALTIME_PRIORITY_CLASS – более приоритетен, чем многие системные потоки, работает с диском, клавиатурой и мышью.

Класс приоритета определяется и задается с помощью функций GetPriorityClass() и SetPriorityClass().

Типичному процессу нужно гарантировать непрерывное выполнение некоторой операции, для этого кратковременно приоритет повышается, затем понижается.

Внутри процесса устанавливаются относительные приоритеты для нитей (уровни приоритета, levels):

· THREAD_PRIORITY_IDLE

· THREAD_PRIORITY_LOWEST

· THREAD_PRIORITY_BELOW_NORMAL

· THREAD_PRIORITY_NORMAL

· THREAD_PRIORITY_ABOVE _NORMAL

· THREAD_PRIORITY_HIGHEST

· THREAD_PRIORITY_TIME_CRITICAL

Уровень приоритета нити определяется и задается с помощью функций GetThreadPriority() и SetThreadPriority().

Всем нитям по умолчанию назначается нормальный уровень приоритета.

Если возникает необходимость задать уровень приоритета при создании нити, то последовательность действий:

CreateThread(CREATE_SUSPE NDED)

SetThreadPriority(…)

ResumeThread(…)

Диспетчер системы планирует нити и ничего не знает о процессах, поэтому класс приоритета и уровень комбинируется в базовый приоритет. Windows использует 32 базовых приоритета (от 0 до 31).

Переключение контекста.

Windows использует следующую последовательность шагов:

1. сохранить контекст только что завершившегося потока;
2. поместить этот поток в очередь соответствующего приоритета;
3. найти очередь наибольшего приоритета, содержащую готовые потоки;
4. удалить дескриптор потока из головы этой очереди, загрузить контекст, приступить к исполнению.

Структуры данных планировщика:

Потоки, не являющиеся готовыми:

1. потоки, созданные флагом SUSPENDED;
2. остановленные командой SuspendThread();
3. ожидающие события синхронизации (WaitFor…Object) или ввод/вывод.

Причины вытеснения текущего потока:

1. истёк квант времени;
2. появился более приоритетный готовый поток;
3. ожидание события или ввод/вывод.

Динамический приоритет используется для продвижения потоков при наличии более приоритетных.

Windows кратковременно повышает приоритеты простаивающих готовых потоков.(Priority Boost) в случае, когда:

1. процесс, содержащий поток, переходит на передний план.
2. окно процесса получает событие от мыши и клавиатуры
3. наступило событие, которое ожидал поток или завершился ввод/вывод.

Также Windows может увеличить квант времени потока.

В любом случае динамический приоритет не может быть меньше базового приоритета. По истечению каждого кванта динамический приоритет уменьшается на 1 до тех пор, пока не достигнет базового приоритета.

Priority Boost получают потоки с базовым приоритетом, не превышающим 15.