Особливості багатозадачності в середовищі Windows
Контрольна робота з інформатики Особливості багатозадачності в середовищі Windows Вступ Основні поняття багатозадачності в Windows 95 - процес (задача) і потік (нитка). Під процесом розуміється виконання програми в цілому (WinWord, Excel, Visual C++ і т.д.) Потоками у свою чергу є частини процесу, що виконуються паралельно. Процесом звичайно називають екземпляр програми, що виконується. Хоча на перший погляд здається, що програма і процес поняття практично однакові, вони фундаментально відрізняються один від одного. Програма представляє собою статичний набір команд, а процес це набір ресурсів і даних, що використовуються при виконанні програми. Процес в Windows складається з наступних компонентів: - Структура даних, що включає в себе всю інформацію про процес, в тому числі список відкритих дескрипторів різних системних ресурсів, унікальний ідентифікатор процесу, різноманітну статистичну інформацію і т.д.; - Адресний простір - діапазон адресів віртуальної пам`яті, яким може користуватися процес; - Програма, що виконується і дані, що проектуються на віртуальний адресний простір процесу. Будь який процес має хоча б один потік (у цьому випадку його можна ототожнити з потоком). Це первинний потік створюється системою автоматично при створенні процесу. Далі цей потік може породити інші потоки, ті в свою чергу нові і т.д. Таким чином, один процес може володіти декількома потоками, і тоді вони одночасно виконують код в адресному просторі процесу. Windows краще всього працює, коли всі потоки можуть займатися своїм ділом, не взаємодіючи один з одним. Але така ситуація дуже рідкісна. Звичайно потік створюється для виконання певної роботи, про завершення якої, ймовірно, захоче узнати інший потік. Приклад: один потік підготовляє дані, інший їх сортує, а третій виводить результат у файл. Передавши готові дані другому потоку на сортування, перший починає обробку нового блоку. Тим часом другий потік повідомляє третьому, що можна виводити результати. Роботу цих трьох потоків необхідно синхронізувати. Всі потоки в системі повинні мати доступ до системних ресурсів -- кучам, послідовним портам, файлам, вікнам і т д. Якщо один із потоків запросить монопольний доступ до якого-небудь ресурсу, іншим потокам, яким теж потрібен цей ресурс, не вдасться виконати свої задачі. А с другої сторони, просто недопустимо, щоб потоки безконтрольно користувались ресурсами. Інакше може статися так, що один потік пише в блок пам`яті, з якого інший щось зчитує. Потоки повинні взаємодіяти один з одним в двох основних випадках: 1) спільно використовуючи один і той же ресурс (щоб не розрушити його); 2) коли треба повідомити інші потоки про завершення яких-небудь операцій В Windows є маса засобів, що спрощують синхронізацію потоків. Але точно спрогнозувати, в який момент потоки будуть робити то-то и то-то, надзвичайно складно. Механізми синхронізації Найбільш простим механізмом синхронізації є використання Interlocked-функцій. Використання цих функцій гарантує “атомарне” виконання потрібних операцій, тобто потоки не будуть заважати один одному. Пояснимо на прикладі: // definition of global viriable lorig g_x = 0; DWORD WINAPI ThreadFunc1(PVOID pvParam) { g_x++; return(0); } DWORD WINAPI ThreadFunc2(PVOID pvParam} { g_x++; return(0); } Нема ні якої впевненості, що отримаємо двійку, тому що ми не управляємо механізмом витіснення потоків. // definition of global viriable long g_x = 0; DWORD WINAPI ThreadFunc1(PVOID pvParam) { InterlockedExchangeAdd(&g_x, 1); return(0); } DWORD WINAPI ThreadFunc2(PVOID pvPararr) { InterlockedExchangeAdd(&g_x, 1); return(0); } Тут вже можна бути впевненим, що значення g_x=2. Розглянемо ці функції більш детально Якщо кілька потоків мають доступ до однієї змінного, те немає ніякої гарантії, що в процесі зміни значення цієї змінний одним потоком не відбудеться переключення на інший потік, що може читати її значення. Інший потік у цьому випадку одержить невірну інформацію. Для запобігання таких конфліктів у Windows 95 уведений ряд функцій, що дозволяють коректно змінювати змінні, доступ до яких мають кілька потоків. Перелічимо функції, що охороняють від переключення під час зміни значення змінної: LONG InterlockedIncrement (LPLONG lpAddend) - збільшує значення за адресою lpAddend на одиницю; LONG InterlockedDecrement (LPLONG lpAddend) - зменшує значення за адресою lpAddend на одиницю; LONG InterlockedExchange (LPLONG Target, LONG Value) - заміняє значення, що знаходиться за адресою Target, на значення, передане в параметрі Value; LONG InterlockedExchangeAdd (PLONG Addend, LONG Increment) - додає до значення за адресою Addend значення Increment; PVOID InterlockedCompareExchange (PVOID *Destination, PVOID Exchange, PVOID Comperand) - порівнює значення за адресою Destination зі значенням, переданим у параметрі Comperand, і якщо ці значення рівні, то за адресою Destination міститься значення, передане в параметрі Exchange. Іншими словами, якщо в тексті програми є загальна змінна, те її зміна повинна вироблятися в такий спосіб: { long Val; .... Val++; // неправильно InterlockedIncrement(&Val); // правильно ... } Усі спроби зробити щось, що вимагає моментальної реакції на зовнішні події, у середовищі Windows 3.x приводили до більш ніж скромних результатів, тому що подібні програми здобували відносно стандартизований, але неповороткий графічний інтерфейс, і більше нічого. Windows 95 у принципі дозволяє розробляти критичне вчасно реакції ПО типу систем керування. Цей метод хороший для дуже простих речей, для більш складної синхронізації він не допоможе. На щастя у Windows передбачено п'ять стандартних механізмів для синхронізації процесів і потоків: семафор критична секція м'ютекс подія таймер Розглянемо кожний з цих механізмів. Критична секція Критична секція - це частина коду, доступ до якого тепер має тільки один потік. Інший потік може звернутися до критичного розділу, тільки коли перший вийде з нього. Для роботи з критичними секціями використовуються наступні функції: VOID InitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection) - ініціалізація синхронізатора типу критичний розділ. lpCriticalSection - покажчик на змінну типу CRITICAL_SECTION. VOID EnterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection) - запит на вхід у критичну секцію(розділ) lpCriticalSection - покажчик на змінну типу CRITICAL_SECTION. VOID LeaveCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection) - вихід із критичного розділу (звільнення семафора). lpCriticalSection - покажчик на змінну типу CRITICAL_SECTION. VOID DeleteCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection) - видалення критичного розділу (звичайно при виході з програми). lpCriticalSection - покажчик на змінну типу CRITICAL_SECTION. Отже, для створення критичного розділу необхідно ініціалізувати структуру CRITICAL_SECTION. Що Windows у цій структурі зберігає, нас не стосується - важливо, що покажчик на цю структуру ідентифікує наш семафор. Створивши об'єкт CRITICAL_SECTION, ми можемо працювати з ним, тобто можемо позначити код, доступ до якого для одночасно виконуються задач потрібно синхронізувати. Розглянемо такий приклад. Ми хочемо записувати і зчитувати значення з деякого глобального масиву mas. Причому запис і зчитування повинні вироблятися двома різними потоками. Цілком природно, що краще якщо ці дії не будуть виконуватися одночасно. Тому введемо обмеження на доступ до масиву. І хоча приведений нами приклад подібного обмеження (см. лістинг 1)надзвичайно спрощений, він добре ілюструє роботу синхронізатора типу критичний розділ: поки один потік "володіє" масивом, інший доступу до нього не має. М`ютекси (взаємовиключення) М'ютекс (взаємовиключення, mutex) - це об'єкт синхронізації, який установлюється в особливий сигнальний стан, коли не зайнятий яким-небудь потоком. Тільки один потік володіє цим об'єктом в любий момент часу, звідси и назва таких об`єктів - одночасний доступ до спільного ресурсу виключається. Наприклад, щоб виключити запис двох потоків в спільний участок пам'яті в один і то й же час, кожний потік очікує, коли звільниться м'ютекс, стає його власником и тільки потім пише щось в цю ділянку пам'яті. Після всіх необхідних дій м'ютекс звільняється, надаючи іншим потокам доступ до спільного ресурсу. Два (або більше) процесів можуть створити м`ютекс з одним і тим же іменем, визвавши метод CreateMutex. Перший процес дійсно створює м'ютекс, а наступні процеси отримують хендл існуючого вже об`єкта. Це дає можливість декільком процесам отримати хендл одного і того ж м'ютекса, звільняючи програміста від необхідності турбуватися про те, хто насправді створює м'ютекс. Якщо використовується такий підхід, бажано встановити флаг bInitialOwner в FALSE, інакше виникнуть певні труднощі при визначенні справжнього “творця” м'ютекса. Декілька процесів можуть отримати хендл (handle) одного й того ж м`ютекса, що робить можливим взаємодію між процесами. Ви можете використовувати наступні механізми такого підходу: Дочірній процес, створений за допомогою функції CreateProcess може наслідувати хендл м`ютекса у випадку, якщо при його (м`ютекса) створенні функцією CreateMutex був вказаний параметр lpMutexAttributes. Процес може отримати дублікат існуючого м`ютекса з допомогою функції DuplicateHandle. Процес може вказати ім`я існуючого м`ютекса при виклику функцій OpenMutex або CreateMutex. #include <windows.h> #include <process.h> #include <stdio.h> HANDLE hMutex; int a[ 5 ]; void Thread(void* pParams) { int i, num = 0; while (TRUE) { WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE); for (i = 0; i < 5; i++) a[ i ] = num; ReleaseMutex(hMutex); num++; } } int main(void) { hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL); _beginthread(Thread, 0, NULL); while(TRUE) { WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE); printf("%d %d %d %d %d\n", a[ 0 ], a[ 1 ], a[ 2 ], a[ 3 ], a[ 4 ]); ReleaseMutex(hMutex); } return 0; } Як видно з результату роботи процесу, основний потік (сама програма) і потік hMutex дійсно працюють паралельно (червоним кольором позначений стан, коли основний потік виводить масив під час його заповнення потоком hMutex): 81751652 81751652 81751651 81751651 81751651 81751652 81751652 81751651 81751651 81751651 83348630 83348630 83348630 83348629 83348629 83348630 83348630 83348630 83348629 83348629 83348630 83348630 83348630 83348629 83348629 Приклад. Допустимо, в програмі використовується ресурс, наприклад, файл або буфер в пам`яті. Функція WriteToBuffer() викликається з різних потоків. Щоб уникнути колізій при одночасному зверненні до буферу з різних потоків, використовуємо м`ютекс. Перед тим як звернутися до буфера, очікуємо „звільнення” м`ютекса. HANDLE hMutex; int main() { hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL); // Создаем мьютекс в свободном состоянии //... // Создание потоков, и т.д. //... } BOOL WriteToBuffer() { DWORD dwWaitResult; // Ждем освобождения мьютекса перед тем как обратиться к буферу. dwWaitResult = WaitForSingleObject(hMutex, 5000L); // 5 секунд на таймаут if (dwWaitResult == WAIT_TIMEOUT) // Таймаут. Мьютекс за єто время не освободился. { return FALSE; } else // Мьютекс освободился, и наш поток его занял. Можно работать. { Write_to_the_buffer(). ... ReleaseMutex(hMutex); // Освобождаем мьютекс. } return TRUE; Семафор
Страницы: 1, 2, 3
| 
