Особенности реализации многозадачности ОС Windows

Другим  решением по преодолению ограничений  невытесняющей многозадачности является вызов функции PeekMessage. Обычно программа использует вызов функции GetMes-sage для извлечения сообщений из очереди. Однако, если в данный момент времени очередь сообщений пуста, то функция GetMessage будет ждать поступления сообщения в очередь, а затем возвратит его. Функция PeekMessage работает иначе – она возвращает управление программе даже в том случае, если нет сообщений в очереди. Таким образом, выполнение работы, требующей больших затрат времени, будет продолжаться до того момента, пока в очереди не появятся сообщения для данной или любой другой программы.[3, c. 103, 1 том]

1.3. Presentation Manager и последовательная очередь сообщений

Первой  попыткой фирмы Microsoft (в сотрудничестве с IBM) внедрить многозадачность в квази-DOS/Windows оболочку была система OS/2 и Presentation Manager (PM). Хотя OS/2, конечно, поддерживала вытесняющую многозадачность, часто казалось, что это вытеснение не было перенесено в PM. Дело в том, что PM выстраивал в очередь сообщения, формируемые в результате пользовательского ввода от клавиатуры или мыши. Это означает, что PM не предоставляет программе такое пользовательское сообщение до тех пор, пока предыдущее сообщение, введенное пользователем, не будет полностью обработано.

Хотя  сообщения от клавиатуры или мыши – это только часть множества сообщений, которые может получить программа в PM или Windows, большинство других сообщений являются результатом событий, связанных с клавиатурой или мышью. Например, сообщение от меню команд является результатом выбора пункта меню с помощью клавиатуры или мыши. Сообщение от клавиатуры или мыши не будет обработано до тех пор, пока не будет полностью обработано сообщение от меню.

Основная  причина организации последовательной очереди сообщений состоит в том, чтобы отследить все действия пользователя. Если какое-либо сообщение от клавиатуры или мыши вызывает переход фокуса ввода от одного окна к другому, то следующее сообщение клавиатуры должно быть направлено в окно, на которое установился фокус ввода. Таким образом, система не знает, в какое окно передавать сообщение на обработку до тех пор, пока не будет обработано предыдущее сообщение.

В настоящее  время принято соглашение о том, что не должно быть возможности для какого-либо одного приложения парализовать работу всей системы, и что требуется использовать непоследовательную очередь сообщений, поддерживаемую системами Windows 95 и Windows NT. Если одна программа занята выполнением протяженной во времени операции, то существует возможность переключить фокус ввода на другое приложение.

Выше  был рассмотрен Presentation Manager операционной системы OS/2 только из-за того, что это была первая оболочка, которая подготовила сознание некоторых ветеранов программирования под Windows (в том числе и автора) к введению многопоточности. Интересно, что ограниченная поддержка многопоточности в РМ дала программистам основную идею организации программ, использующих многопоточность. Хотя эти ограничения сейчас преимущественно преодолены в Windows 95, тем не менее уроки, полученные при работе с более ограниченными системами, остаются актуальными и по сей день.

В многопоточной  среде программы могут быть разделены  на части, называемые потоками выполнения (threads), которые выполняются одновременно. Поддержка многопоточности оказывается лучшим решением проблемы последовательной очереди сообщений в РМ и приобретает полный смысл при ее реализации в Windows 95.

В терминах программы "поток" – это просто функция, которая может также вызывать другие функции программы.[3, c. 412, 2 том] Программа начинает выполняться со своего главного (первичного) потока, который в традиционных программах на языке С является функцией main, а в Windows-программах – WinMain. Будучи выполняемой, функция может создавать новые потоки обработки, выполняя системный вызов с указанием функции инициализации потока (initial threading function). Операционная система в вытесняющем режиме переключает управление между потоками подобно тому, как она это делает с процессами.

В РМ системы OS/2 любой поток может либо создавать очередь сообщений, либо не создавать. РМ-поток должен создавать очередь сообщений, если он собирается создавать окно. С другой стороны, поток может не создавать очередь сообщений, если он осуществляет только обработку данных или графический вывод. Поскольку потоки, не создающие очереди сообщений, не обрабатывают сообщения, то они не могут привести к "зависанию" системы. На поток, не имеющий очереди сообщений, накладывается только одно ограничение – он не может посылать асинхронное сообщение в окно потока, имеющего очередь сообщений, или вызывать какую-либо функцию, если это приведет к посылке сообщения. (Однако эти потоки могут посылать синхронные сообщения потокам, имеющим очередь сообщений.)

Таким образом, программисты, работавшие с РМ, научились разбивать свои программы на один поток с очередью сообщений, создающий все окна и обрабатывающий сообщения для них, и один или несколько потоков, не имеющих очередей сообщений, и выполняющих продолжительные действия в фоновом режиме. Кроме того, программисты, работавшие с РМ, узнали о "правиле 1/10 секунды". Оно состоит в том, что поток с очередью сообщений тратит не более 1/10 секунды на обработку любого сообщения. Все, что требует большего времени, следовало выделять в отдельный поток. Если все программисты придерживались этого правила, то никакая РМ-программа не могла вызвать зависание системы более чем на 1/10 секунды.

1.4. Многопоточная архитектура

Как уже  отмечалось выше, ограничения РМ дали программистам основные идеи для понимания того, как использовать множество потоков в программе, выполняемой в графической среде. Ниже приведены наши рекомендации по архитектуре многопоточных программ: первичный или главный (primary) поток вашей программы создает все окна и соответствующие им оконные процедуры, необходимые в программе и обрабатывает все сообщения для этих окон. Все остальные потоки – это просто фоновые задачи. Они не имеют интерактивной связи с пользователем, кроме как через первичный поток.

Один  из способов добиться этого состоит в том, чтобы первичный поток обрабатывал пользовательский ввод и другие сообщения, возможно создавая при этом вторичные (secondary) потоки в процессе. Эти вторичные потоки выполняют не связанные с пользователем задачи.

Другими словами, первичный поток вашей программы является губернатором, а вторичные потоки – свитой губернатора. Губернатор поручает всю большую работу своим помощникам на то время, пока он осуществляет контакты с внешним миром. Поскольку вторичные потоки являются членами свиты, они не могут проводить свои пресс-конференции. Они скромно выполняют каждый свое задание, делают отчет губернатору и ждут новых указаний.

Потоки  внутри отдельной программы являются частями одного процесса, поэтому они разделяют все ресурсы процесса, такие как память и открытые файлы. Поскольку потоки разделяют память, отведенную программе, то они разделяют и статические переменные. Однако, у каждого потока есть свой собственный стек, и значит, автоматические переменные являются уникальными для каждого потока. Каждый поток, также, имеет свое состояние процессора, которое сохраняется и восстанавливается при переключении между потоками.[5, c. 123]

Собственно  разработка, программирование и отладка  сложного многопоточного приложения являются, естественно, самыми сложными задачами, с которыми приходится сталкиваться программисту для Windows. Поскольку в системе с вытесняющей многозадачностью поток может быть прерван в любой момент для переключения на другой поток, то может случайно произойти любое нежелательное взаимодействие между двумя потоками.

Одной из основных ошибок в многопоточных  программах является так называемое состояние гонки (race condition). Это случается, если программист считает, что один поток закончит выполнение своих действий, например, подготовку каких-либо данных, до того, как эти данные потребуются другому потоку. Для координации действий потоков операционным системам необходимы различные формы синхронизации. Одной из таких форм является семафор (semaphore), который позволяет программисту приостановить выполнение потока в конкретной точке программы до тех пор, пока он не получит от другого потока сигнал о том, что он может возобновить работу. Похожи на семафоры критические разделы (critical sections), которые представляют собой разделы кода, во время выполнения которого, поток не может быть прерван.

Но использование  семафоров может привести к другой распространенной ошибке, связанной с потоками, которая называется тупиком (deadlock). Это случается, когда два потока блокируют выполнение друг друга, а для того, чтобы их разблокировать необходимо продолжить работу.

К счастью, 32-разрядные программы более устойчивы  к определенным проблемам, включая проблемы с потоками, чем 16-разрядные программы. Например, предположим, что один поток выполняет простое действие: lCount++ ; где ICount – 32-разрядная глобальная переменная типа длинное целое, используемая другими потоками.[2, c. 286] В 16-разрядной программе, в которой такой оператор языка С транслируется в две инструкции машинного кода (сначала инкрементируется младшие 16 разрядов, а затем добавляется перенос в старшие 16 разрядов). Допустим, что операционная система прервала поток между этими двумя инструкциями машинного кода. Если переменная ICount имела значение $0000FFFF, то после выполнения первой инструкции машинного кода ICount будет иметь нулевое значение. Если в этот момент произойдет прерывание потока, то другой поток получит нулевое значение переменной ICount. Только после окончания этого потока значение ICount будет увеличено на единицу до своего истинного значения $00010000.

Такого  рода ошибка может быть никогда не выявлена, поскольку довольно редко приводит к проблемам во время выполнения. Для 16-разрядных программ наилучший путь предотвратить такую ошибку – это поместить данное выражение в критический раздел, в рамках которого поток не может быть прерван. В 32-разрядной программе, однако, приведенное выражение является абсолютно корректным, поскольку оно компилируется в одну инструкцию машинного кода.

1.5. Преимущества Windows

Операционные  системы Windows 95 и Windows NT не имеют последовательной очереди сообщений. Такое решение кажется очень хорошим: если программа выполняет длительную обработку сообщения, то курсор мыши принимает форму песочных часов при расположении над окном этой программы, и изменяется на обычную стрелку, если он располагается над окном другой программы. Простым щелчком кнопкой мыши можно перевести другое окно на передний план.

Однако, пользователь по-прежнему не может  работать с приложением, выполняющим длительную операцию, поскольку выполнение длительной операции предотвращает получение сообщений программой. А это нежелательно. Программа должна быть всегда открыта для сообщений, а это требует использования вторичных потоков.

В Windows 95 и Windows NT не существует различия между потоками, имеющими очередь сообщений, и потоками без очереди сообщений. При создании каждый поток получает свою собственную очередь сообщений. Это снижает число ограничений, существующих для потоков в РМ-программе. (Однако, в большинстве случаев все еще обработка ввода и сообщений осуществляется в одном потоке, а протяженные во времени задачи передаются другим потокам, которые не создают окон.) Такая схема организации приложения, как мы увидим, почти всегда является наиболее разумной.

В Windows 95 и Windows NT есть функция, которая позволяет одному потоку уничтожить другой поток, принадлежащий тому же процессу. Как вы обнаружите, когда начнете писать многопоточные приложения под Windows, иногда это очень удобно. Ранние версии операционной системы OS/2 не содержали функции для уничтожения потоков.

Windows 95 и Windows NT поддерживают так называемую локальную память потока (thread local storage, TLS). Для того чтобы понять, что это такое, вспомним о том, что статические переменные, как глобальные так и локальные по отношению к функциям, разделяются между потоками, поскольку они расположены в зоне памяти данных процесса. Автоматические переменные (которые являются всегда локальными по отношению к функции) – уникальны для каждого потока, т. к. они располагаются в стеке, а каждый поток имеет свой стек.[8, c. 301]

Иногда  бывает удобно использовать для двух и более потоков одну и ту же функцию, а статические данные использовать уникальные для каждого потока. Это и есть пример использования локальной памяти потока. Существует несколько вызовов функций Windows для работы с локальной памятью потока. Фирма Microsoft ввела расширение в компилятор С, которое позволяет использовать локальную память потока более прозрачным для программиста образом.

Иногда имеет место тенденция использовать в программе каждую возможность, предлагаемую операционной системой. Нет смысла использовать множество потоков в программе, которая в этом не нуждается. Если программа выводит на экран курсор в виде песочных часов на достаточно долгий период времени, или, если она использует функцию PeekMessage для того, чтобы избежать появления курсора в виде песочных часов, то тогда идея реструктуризации программы в многопоточную, вероятно, может оказаться хорошей. В противном случае, вы только усложните себе работу и, возможно, внесете в программу новые ошибки.

Есть  даже некоторые ситуации, когда появление  курсора мыши в виде песочных часов, может быть совершенно подходящим. Выше уже упоминалось "правило 1/10 секунды". Так вот, загрузка большого файла в память может потребовать больше времени, чем 1/10 секунды. Значит ли это, что функции загрузки файла должны были быть реализованы с использованием разделения на потоки? Совсем необязательно. Когда пользователь дает программе команду открыть файл, то он или она обычно хочет, чтобы операционная система выполнила ее немедленно. Выделение процесса загрузки файла в отдельный поток просто приведет к усложнению программы. Не стоит это делать даже ради того, чтобы похвастаться перед друзьями, что вы пишите многопоточные приложения.