Jacek Matulewski 7 kwietnia 2015 Programowanie Windows Procesy i wątki Jacek Matulewski 7 kwietnia 2015 http://www.fizyka.umk.pl/~jacek/dydaktyka/winprog/

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

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)

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

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

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)

Priorytet procesów Priorytet to wskazówka dla planisty systemu Windows 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

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)

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

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..)

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

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

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).

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

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;

Synchronizacja - problemy Problem ucztujących filozofów Na dwóch wątkach - przelew Scenariusz czytelników i pisarzy Dwa wątki z jednym zasobem – problem producent-konsument

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.

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.

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