Procesy i wtki

(1)

Procesy i wątki

Jacek Matulewski

7 kwietnia 2015 Programowanie Windows

http://www.fizyka.umk.pl/~jacek/dydaktyka/winprog/

(2)

Definicje

• Proces to egzemplarz/instancja programu z własną wirtualną przestrzenią adresową, kontekstem bezpieczeństwa, dostępem do obiektów systemowych, unikalnym identyfikatorem (PID), przynajmniej jednym wątkiem (tzw. głównym, primary)

• Wątek to kod wykonywany w obrębie procesu; proces może uruchomić wiele wątków, wykonywanych współbieżnie. Wątki współdzielą przestrzeń adresową procesu, mając dostęp do

wspólnych zmiennych i struktur (tu ostrożnie).

• MSDN: https://msdn.microsoft.com/en-

us/library/windows/desktop/ms684841(v=vs.85).aspx

• Pula wątków (ang. thread pool) – na poziomie aplikacji

• UMS (ang. user-mode scheduler) w obrębie aplikacji, lekki

(3)

Uruchamianie procesów

• Tworzenie procesów to de facto uruchamianie programów

• Wcześniej poznaliśmy funkcje WinExec i ShellExecute

• Obie otaczają funkcję CreateProcess

• Proces zwraca strukturę PROCESS_INFORMATION

zawierającą uchwyt procesu, uchwyt głównego wątku, PID, i identyfikator głównego wątku.

• Dodatkowo CreateProcessAsUser ,

CreateProcessWithLogon (np. dodatkowe uprawnienia)

• Czekanie na zakończenie procesu WaitForSingleObject

• Sprzątanie: CloseHandle dla uchwytu procesu i uchwytu wątku (nie zamyka procesu, tylko sprząta)

(4)

Uruchamianie procesów

• Przykładowy kod:

bool Wynik=CreateProcess(

NULL, //plik exe aplikacji

lFileName,//polecenie uruchamiające program

NULL, //korzystamy z domyślnego opisu bezpieczeństwa procesu NULL, //korzystamy z domyślnego opisu bezpieczeństwa wątku false, //czy uchwyty dziedziczone w procesie

priority, //priorytet

NULL, //korzystanie ze zmiennych środowiska aplikacji wywołującej lDirectory, //katalog bieżący aplikacji

&startupInfo, //parametry uruchomienia aplikacji

&lProcessInformation //informacje o uruchomionej aplikacji );

• Zmienne środowiskowe zastąpił rejestr systemu Windows

(5)

Demo: CreateProcess

• Klasa CCreateProcess

• Uruchamianie procesu – Execute, ExecuteAndWait

• Przykład 1: uruchamianie okna konsoli

• Przykład 2: uruchamianie kalkulatora i minimalizowanie okna do czasu

zamknięcia

• Rozszerzenie w BCB:

TControlProcess

(6)

Demo: ShellExecute

• Przed CreateProcess była funkcja WinExec (Win16)

• Dla kontrastu funkcja ShellExecute (wysokopoziomowa)

• Funkcja powłoki (ShellAPI), m.in. dla Exploratora Windows

• F. ShellExecute jest bardzo często używana w praktyce, mniejsza liczba argumentów, możliwość edytowania

dokumentów (aplikacje skojarzone przez rozszerzenia plików)

(7)

Priorytet procesów

• Odczytanie i zmiana priorytetu procesu

GetPriorityClass i SetPriorityClass

• Wymagane uprawnienia PROCESS_QUERY_INFORMATION

• Zwraca jedną z wartości:

REALTIME_PRIORITY_CLASS HIGH_PRIORITY_CLASS

ABOVE_NORMAL_PRIORITY_CLASS NORMAL_PRIORITY_CLASS

BELOW_NORMAL_PRIORITY_CLASS IDLE_PRIORITY_CLASS

• Priorytet to wskazówka dla planisty systemu Windows

(8)

Obsługa procesów

• Maksymalne uprawnienia PROCESS_ALL_ACCESS

• TerminateProcess - przerywanie procesu i jego wątków (asynchroniczna, podobnie jak CreateProcess)

• ExitProcess – z wnętrza procesu

(return w procedurze wątku też woła tę funkcję)

• GetCurrentProcess – pobieranie niby-uchwytu do bieżącego procesu (stałej interpretowana w funkcjach)

• GetProcessId, GetCurrentProcessId –

„prawdziwe” PID wskazanego procesu i bieżącego procesu

• GetProcessInformation, GetProcessIoCounters, GetProcessTimes, Get/SetProcessAffinityMask

• IsImmersiveProcess (czy proces z Windows Store App)

(9)

Tworzenie wątków

• Funkcja CreateThread

(zob. też CreateRemoteThread – w innym procesie)

HANDLE uchwytWątku = CreateThread(

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,

//wskaźnik do SECURITY_ATTRIBUTES SIZE_T dwStackSize, //początkowy rozmiar stosu w bajtach

LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, //uruchamiana funkcja typu: DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter);

LPVOID lpParameter, //parametr przesyłany do funkcji DWORD dwCreationFlags,

LPDWORD lpThreadId //zwraca ID wątku );

• Dobrze mieć uprawnienia THREAD_ALL_ACCESS

(10)

Priorytety wątków

• Analogiczne, jak w przypadku procesów

• Także priorytety wątków mogą być zmieniane po utworzeniu

• Priorytety wątków są względne wobec priorytetów procesów

• Funkcje SetThreadPriority i GetThreadPriority

Priority boost

(dla wątków o priorytecie NORMAL_PRIORITY_CLASS)

• Planista przyspiesza procesy/wątki będące w pierwszym planie

• Planista zwiększa wątek okna, które ma focus

• Wątek jest wznawiany po użyciu funkcji Wait..

• Przyspieszenie takie można to zablokować używając funkcji SetThreadPriorityBoost (podobnie SetProcess..)

(11)

Wstrzymywanie wątków

• Usypianie wątku: Sleep na określoną liczbę milisekund

• Wstrzymywanie i wznawianie wątku:

SuspendThread, ResumeThread

• Jeżeli funkcja SuspendThread została wywołana trzy razy, tyle samo musi być wywołana funkcja ResumeThread.

• Wątki można tworzyć funkcją CreateThread od razu wstrzymane – flaga CREATE_SUSPENDED

(12)

Przerywanie wątków

• Zła praktyka: TerminateThread – przerywanie bez dania szansy wątkowi na dokończenie procedury

(w tym na zwolnienie zasobów, m.in. pamięci).

Jeżeli wątek jest w sekcji krytycznej – może nigdy nie zostać zwolniona.

Procedura wątku nie jest powiadamiana o zamknięciu.

• Lepiej powiadomić procedurę wątku, że powinna się zakończyć np. przesłać do procedury jako parametr uchwyt zdarzenia

(funkcja CreateEvent) i wywołać go z funkcji wywołującej (funkcja SetEvent).

• TerminateThread vs. ExitThread

(13)

Synchronizacja wątków

• Zasadnicze problemy programowania współbieżnego to

1) określenie, które zmienne powinny być współdzielone, a które

dostępne tylko z wątku oraz 2) wydzielenie fragmentów, które powinny być wykonane tylko przez jeden wątek na raz (np. zapis do pliku).

• Funkcje Wait.., np. WaitForSingleObject,

• Zdarzenia (CreateEvent, SetEvent),

• Sekcje krytyczne (ang. critical sections),

• Slim Reader/Writer (SRW) locks,

• MemoryBarrier – makro implementujące barierę I/O,

• Muteksy (ang. mutex od mutual exclusion) – między procesami,

• Semafory (sekcja krytyczna dla więcej niż jednego wątku).

(14)

Sekcje krytyczne

• Zakres: tylko w obrębie jednego procesu

• Obiekt CRITICAL_SECTION – identyfikuje sekcję

• Inicjowanie i usuwanie obiektu sekcji krytycznej:

InitializeCriticalSection, DeleteCriticalSection

• Wejście do sekcji krytycznej EnterCriticalSection – inne wątki zatrzymują się na tej funkcji, jeżeli mają ten sam argument identyfikujący sekcję, dopóki bieżąca nie opuści sekcji

• Wyjście z sekcji: LeaveCriticalSection (do sekcji krytycznej wchodzi następny wątek)

• TryEnterCriticalSection – wersja asynchroniczna

(15)

Muteksy

• Zakres: w obrębie sesji systemu – działa między procesami

• Można użyć, aby umożliwić tylko jedną instancję aplikacji

WINAPI WinMain(HINSTANCE, HINSTANCE, LPSTR, int) {

try {

HANDLE hMutex = OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS, 0, "Unikalny");

if (!hMutex) hMutex = CreateMutex(0, 0, "Unikalny");

else return 0;

//Kod aplikacji (m.in. tworzenie wątku UI) ReleaseMutex(hMutex);

}

catch { ... } return 0;

}

(16)

Synchronizacja - problemy

• Problem ucztujących filozofów

• Na dwóch wątkach - przelew

• Scenariusz czytelników i pisarzy

• Dwa wątki z jednym zasobem – problem producent-konsument

(17)

Włókna (ang. fibers)

• Wątki są kontrolowane przez system, włókna – przez sam kod

• Wywłaszczanie wątków – algorytm szeregujący może

wstrzymać jeden wątek, aby uruchomić lub wznowić inny (inicjatywa po stronie systemu, a nie wątku).

To może przerwać działanie ważnej operacji lub pozostawić aplikację w niedookreślonym stanie (koncept thread safety)

• Włókno to lekki „wątek” bez wywłaszczania; włókno samo decyduje, kiedy inne może przejąć procesor (odpowiedzialność programisty). Same włókna nie dają współbieżności.

• Włókna mogą być przenoszone do innego wątku (w obrębie procesie). Wątek może wykonywać wiele włókien.

(18)

Włókna (ang. fibers)

• Pierwsze włókno musi być utworzone z wątku za pomocą funkcji ConvertThreadToFiber. Tylko włókna mogą uruchamiać inne włókna.

• Tworzenie nowych włókien CreateFiber z istniejącego

• Gdy włókno się kończy, kończy się też wątek. Aby temu zapobiec SwitchToFiber.

• Pobieranie i czyszczenie danych używanych przez włókno:

GetFiberData, DeleteFiber.

(19)

Przykładowe pytania

• Czym są proces i wątek?

• Czy możliwe jest utworzenie procesu jako użytkownik inny, niż uruchamiający bieżący proces?

• Jakie funkcje służą do zarządzania działaniem wątków?

Jakie funkcje służą do kontroli priorytetu procesu i wątku?

• Synchronizacja wątków w obrębie procesów i na poziomie systemu?

• Sekcje krytyczne

• Współdzielenie zasobów przez wątki.

„Zakliszcz” – problem ucztujących filozofów