Собственно приоритет связывается не с процессом, а с каждой его нитью. Приоритет нити определяется базовым приоритетом процесса, к которому прибавляется относительный приоритет нити – величина от –2 до +2. Относительный приоритет назначается нити при ее создании и может при необходимости изменяться. Имеется также возможность назначить нити критический приоритет (31 для процессов реального времени, 15 для остальных) или холостой приоритет (16 для процессов реального времени, 0 для остальных).
Для нитей процессов реального времени приоритеты являются статическими в том смысле, что система не пытается их изменять по своему усмотрению. Предполагается, что для этой группы процессов соотношение приоритетов должно быть именно таким, как задумал программист.
Для процессов трех низших классов их приоритеты не случайно называются динамическими. Планировщик может изменять приоритеты, а заодно и кванты времени для нитей в ходе их выполнения, чтобы достичь более справедливого распределения процессорного времени. Правила изменения динамических приоритетов следующие.
· Когда заблокированная нить дождалась нужного ей события, к приоритету нити прибавляется величина, зависящая от причины ожидания. Эта прибавка может достигать 6 единиц (но приоритет не должен превысить 15), если нить разблокирована вследствие нажатия клавиши или кнопки мыши. Таким способом система стремится уменьшить время реакции на действия пользователя. Всякий раз, когда нить полностью использует свой квант времени, прибавка уменьшается на 1, пока приоритет нити не вернется к своему заданному значению.
· Если нить владеет окном переднего плана (т.е. тем, с которым работает пользователь), то ради уменьшения времени реакции планировщик может увеличить квант времени для этой нити с 20 мс до 40 или 60 мс, в зависимости от настроек системы.
· Если планировщик обнаруживает, что некоторая нить пребывает в очереди более 3 с, то он повышает ее приоритет аж до 15 и удваивает ее квант. Но эта благотворительность разовая: когда Золушка-нить израсходует увеличенный квант или заблокируется, ее приоритет и квант возвращаются к прежним значениям. Смысл акции понятен: система пытается обеспечить хоть какое-то продвижение даже для низкоприоритетных нитей.
4.5.4. Процесс и нить как объекты
Подсистема управления процессами в Windows позволяет рассматривать процессы и нити как объекты, над которыми нити различных процессов могут выполнить целый ряд действий. Для этого требуется иметь хэндл процесса или нити. Как нам известно, такие хэндлы возвращаются как побочные результаты работы функций CreateProcess и CreateThread. Это позволяет процессу, запустившему другой процесс или нить, выполнять с ними необходимые действия. Однако в некоторых случаях желательно дать возможность управлять процессом не процессу-«родителю», а другому, совершенно постороннему процессу (например, программе администрирования системы). Проблема при этом в том, что, как уже отмечалось, хэндл в Windows имеет смысл только в пределах того процесса, который вызвал функцию Create и не может быть просто передан другому процессу.
Функция OpenProcess позволяет одному процессу получить хэндл любого другого процесса, указав для этого два параметра: идентификатор интересующего процесса и маску, задающую набор запрашиваемых прав по отношению к этому процессу. Если подсистема безопасности Windows, сверив маркер доступа запрашивающего процесса с дескриптором безопасности процесса-объекта (см. п. 3.8.4.1), сочтет запрос законным, то функция вернет требуемый хэндл.
А о каких, собственно, правах идет речь? Что именно один процесс может сделать с другим процессом? Основные права следующие:
· запускать новую нить процесса;
· запрашивать и изменять класс приоритета процесса;
· читать и записывать данные в памяти процесса;
· использовать процесс в качестве объекта синхронизации;
· принудительно прекращать выполнение процесса;
· запрашивать код завершения процесса.
Все перечисленные действия выполняются с помощью соответствующих API-функций (например, для прекращения процесса вызывается функция TerminateProcess), одним из параметров которых указывается хэндл открытого процесса-объекта.
4.5.5. Синхронизация нитей
Windows предоставляет разнообразные возможности для синхронизации работы нитей, т.е., иначе говоря, для организации пассивного ожидания нитью некоторых событий, связанных с работой других нитей того же процесса или других процессов.
· Традиционной для Windows формой синхронизации является обмен сообщениями (messages). При этом, механизм сообщений предназначен не только для синхронизации, но и для обмена данными. Далее работа с сообщениями будет рассмотрена подробно.
· Разнообразные условия ожидания могут быть реализованы с помощью объектов синхронизации и функций ожидания, которые позволяют заблокировать нить до момента перехода указанного объекта в сигнальное состояние.
· Использование переменных типа CRITICAL_SECTION, в отличие от предыдущих способов, возможно только для синхронизации нитей одного и того же процесса, но зато реализуется более эффективно по времени и памяти.
Объекты синхронизации представляют собой частный случай объектов ядра Windows. Отличительной особенностью объектов синхронизации является возможность использовать в качестве аргументов функций ожидания.
Для создания объекта нужно вызвать функцию CreateXxx, где вместо Xxx указывается название конкретного типа объектов, например, CreateMutex или CreateEvent.
Общей чертой всех объектов синхронизации является наличие двух состояний, одно из которых называется сигнальным (signaled), а другое, соответственно, несигнальным. Смысл сигнального состояния различен для разных типов объектов, общим же является то, что состояние ожидания для нити заканчивается тогда, когда объект переходит в сигнальное состояние.
Для конкретных типов объектов вместо термина «сигнальное состояние» может быть удобно использовать как синонимы «свободно», «включено», «имеется», «произошло» и т.п., а для несигнального, соответственно, «занято», «выключено», «нет» и т.п.
Поскольку объекты существуют в системной памяти, процессы могут получить к ним доступ только с помощью хэндлов. Это требует затрат времени на переключение контекста памяти при работе с объектами, но зато дает возможность синхронизации нитей, принадлежащих разным процессам. Для этого при создании объектов ядра одним из параметров функции CreateXxx может указываться имя этого объекта. Если после этого другой процесс попытается создать объект того же типа и с тем же именем, то он получит хэндл уже существующего объекта. В результате оба процесса будут работать с одним и тем же объектом синхронизации.
К функциям ожидания относятся WaitForSingleObject (ожидание одного объекта) и WaitForMultipleObjects (ожидание нескольких объектов). Рассмотрим сначала первую из них.
Функция WaitForSingleObject имеет два аргумента:
· хэндл какого-либо объекта синхронизации;
· тайм-аут ожидания, т.е. максимальное время ожидания (в миллисекундах).
Эта функция – блокирующая: если в момент ее вызова указанный объект находится в несигнальном состоянии, то вызвавшая нить переводится в состояние ожидания (разумеется, пассивного!). Ожидание, как правило, завершается в одном из двух случаев: либо объект переходит в сигнальное состояние, либо истекает заданный тайм-аут. Третий, особый случай завершения связан с понятием «заброшенный мьютекс», которое будет пояснено ниже. Значение, возвращаемое функцией, позволяет узнать, какая из трех причин пробуждения нити имела место.
Если в момент вызова функции указанный объект уже находился в сигнальном состоянии, то ожидания не происходит, функция сразу же возвращает результат.
Если задана нулевая величина тайм-аута, то выполнение функции сводится к проверке, находится ли в данный момент объект в сигнальном состоянии.
Если значение тайм-аута равно константе INFINITE, то время ожидания не ограничено, т.е. нить может пробудиться только по сигнальному состоянию объекта.
Функция WaitForMultipleObjects отличается тем, что вместо единственного хэндла принимает в качестве аргументов адрес массива, содержащего несколько хэндлов, и количество этих хэндлов (размер массива). Как и в предыдущем случае, задается величина тайм-аута. Дополнительный, четвертый аргумент – булевский флаг режима ожидания. Значение FALSE означает ожидание любого объекта (достаточно, чтобы хоть один из них перешел в сигнальное состояние), TRUE – ожидание всех объектов (ожидание завершится, только когда все объекты окажутся в сигнальном состоянии).
Возвращаемое значение позволяет определить причину пробуждения:
· переход одного из заданных объектов в сигнальное состояние, и какого именно объекта;
· переход одного из объектов-мьютексов в «заброшенное» состояние (будет пояснено ниже), и какого именно объекта;
· истечение тайм-аута ожидания.
Кроме двух названных, имеется еще ряд функций ожидания. Функции WaitForSingleObjectEx и WaitForMultipleObjectsEx позволяют также дожидаться завершения асинхронных операций ввода/вывода для указанного файла. Функция MsgWaitForMultipleObjects позволяет, наряду с объектами синхронизации, использовать для пробуждения появление сообщений, ожидающих обработки. Функция SignalObjectAndWait выполняет редкостный трюк: она переводит один объект в сигнальное состояние и тут же начинает дожидаться другого объекта.
Список объектов синхронизации включает следующие типы объектов:
· процессы;
· нити;
· события (в узком смысле);
· мьютексы (двоичные семафоры);
· семафоры (недвоичные);
· таймеры;
· уведомления об изменениях в каталоге;
· консольный ввод.
Рассмотрение объектов синхронизации проще всего начать с процессов и нитей. Для тех и других сигнальным состоянием является только состояние завершения работы. Другими словами, можно заставить нить одного процесса ожидать завершения работы другой нити или процесса.