線程的調度、優先級和親緣性

——Windows核心編程學習手札系列之七

每個線程都擁有一個上下文結構，在線程的內核對象中，記錄線程上次運行時該線程的CPU寄存器狀態。Windows會每隔20ms左右查看當前存在的所有線程內核對象，在這些對象中，選擇可調度的對象，將其上下文結構（內核對象中）加載到CPU的寄存器中，其值就是上次保存在線程環境中的值，此為上下文切換。Windows保存了一個記錄，說明每個線程獲得調度的機會，Microsoft的Spy++工具，可以查看這個。操作系統只調度可以調度的線程，實際中，大多數線程是不可調度的，如暫停的線程（CREATE_SUSPENDED標志）以及等待事件觸發的線程等。

線程內核對象的內部有線程的暫停計數值，當調用CreateProcess或CreateThread函數時，就創建了線程的內核對象，且它的暫停計數被初始化為1，防止線程被調度到CPU中，因為線程初始化需要時間，需要在準備好開始執行線程。當線程完全初始化后，CreateProcess或CreateThread要查看是否傳遞了CREATE_SUSPENDED標志，如果傳遞了給標志，那函數返回，新線程處于暫停狀態；如未傳遞該標志，那函數將線程的暫停計數遞減為0，此時如果線程沒有等待事件，那么該線程處在可調度的狀態。在暫停狀態中創建一個線程，就可以在線程有機會執行前改變線程的運行環境（如優先級）。要恢復線程的可調度性，可調用函數ResumeThread，將調用CreateThread函數時返回的線程句柄傳遞給它。DWORD ResumeThread(HANDLE hThread)運行成功將返回線程的前一個暫停計數，否則返回0xFFFFFFFF值，單個線程可以暫停若干次，如一個線程序暫停了3次需要恢復3次才可以被分配給一個CPU。創建線程，除傳遞CREATE_SUSPENDED標志外，還可以調用DWORD SuspendThread(HANDLE hThread)函數來暫停線程的運行。任何線程都可以調用該函數來暫停另一個線程的運行（只要有線程的句柄），線程可以自行暫停運行，但不能自行恢復運行。與ResumeThread一樣，SuspendThread返回的是線程的一個暫停計數，暫停計數最多是MAXIMUM_SUSPEND_COUNT次（在WinNT.h中定義為127），SuspendThread與內核方式是異步運行的，但在線程恢復運行之前，不會發生用戶方式的執行。使用SuspendThread函數暫停線程應該在確切知道目標線程正在做什么情況下，并采取措施避免因暫停線程的運行而帶來的問題或死鎖，因為如果線程正試圖從堆棧中分配內存，該線程會在該堆棧上設置鎖，當其他線程訪問該堆棧時將被停止，直到暫停線程的恢復。

Windows中不存在暫停或恢復進程的概念，允許一個進程暫停另一個進程中所有線程的運行，但從事暫停操作的進程必須是個調試程序，也需要調用WaitForDebugEvent和ContinueDebugEvent之類的函數。總言，Windows沒有提供方法暫停進程中的所有線程運行。這里有一個作者寫的暫停進程函數作為要暫停進程的參考用。

Void SuspendProcess(DWORD dwProcessID,BOOL fSuspend){

?????? //get the list of threads in the system

?????? HANDLE hSnapshot=CreateToolhelp32Snapshot(

?????????????????????????????????????????????????????????????? TH32CS_SNAPTHREAD,dwProcessID);

?????? if(hSnapshot != INVALID_HANDLE_VALUE){

????????????? //walk the list of threads

????????????? THREADENTRY32 te={sizeof(te)};

????????????? BOOL fOk=Thread32First(hSnapshot,&te);

????????????? for(;fOk;fOk=Thread32Next(hSnapshot,&te)){

???????????????????? //Is this thread in the desired process?

???????????????????? if(te.th32OwnerProcessID = = dwProcessID){

??????????????????????????? //attempt to convert the thread ID into a handle

??????????????????????????? HANLDE hThread=OpenThread(THREAD_SUSPEND_RESUME,FALSE,

??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? te.th32ThreadID);

??????????????????????????? if(hThread!=NULL){

?????????????????????????????????? //suspend or resume the thread

?????????????????????????????????? if(fSuspend)

????????????????????????????????????????? SuspendThread(hThread);

?????????????????????????????????? Else

????????????????????????????????????????? ResumeThread(hThread);

??????????????????????????? }

??????????????????????????? CloseHandle(hThread);

???????????????????? }

????????????? }

????????????? CloseHandle(hSnapShot);

?????? }

}

該函數使用ToolHelp函數枚舉系統中的線程列表，當找到作為指定進程的組成部分的線程時，就調用HANDLE OpenThread(DWORD dwDesiredAccess,BOOL bInheritHandle,DWORD dwThreadID)函數找出匹配線程ID的線程內核對象，對內核對象的使用計數進行遞增，然后返回對象的句柄，運用這個句柄可調用SuspendThread或ResumeThread來暫停或恢復線程的運行。

如果線程不想愛某個時間段被調度，可以調用Sleep函數來實現：void sleep(DWORD dwMillisecondes)，這個函數使線程暫停自己運行，知道dwMillisecondes后，該函數需要注意的是：1）調用sleep函數，使線程自愿放棄它的剩余時間片；2）系統將在大約的指定毫秒內使線程不可調度；3）可為sleep函數的參數dwMillisecondes傳遞INFINITE，告訴系統永不調度該線程，這不提倡，最好讓線程退出，還原其堆棧和內核對象；4）可將0傳遞給sleep，這樣調用線程將釋放剩余時間片，并迫使系統調度另一個線程。

函數BOOL SwitchToThread()可轉換到另一個線程。當調用這個函數時，系統查看是否存在一個迫切需要CPU時間的線程，如沒有，SwitchToThread就會立即返回，如果存在，SwitchToThread就對該線程進行調度。這個函數允許一個需要資源的線程強制另一個優先級較低、而目前卻擁有該資源的線程放棄該資源。如果調用SwitchToThread函數時沒有其他線程能夠運行，則返回FALSE，否則返回非0值。與sleep函數相似，區別在于SwitchToThread允許優先級較低的線程運行，即使低優先級線程迫切需要CPU時間，sleep也能夠立即對調用線程重新進行調度。

要獲取線程的運行時間需要調用GetThreadTimes函數，這個返回線程得到的CPU時間數量。具體實現代碼如下：

#include <windows.h>

?

__int64 FileTimeToQuadWord(PFILETIME pft)

{

?????? return(Int64ShllMod32(pft->dwHighDateTime,32) | pft->dwLowDateTime);

}

?

int main(int argc, char* argv[])

{

?????? FILETIME ftKernelTimeStart,ftKernelTimeEnd;

?????? FILETIME ftUserTimeStart,ftUserTimeEnd;

?????? FILETIME ftDummy;

?????? __int64 qwKernelTimeElapsed,qwUserTimeElapsed,qwTotalTimeElapsed;

?

?????? //Get start times

?????? GetThreadTimes(GetCurrentThread(),&ftDummy,&ftDummy,&ftKernelTimeStart,&ftUserTimeStart);

?

?????? //perform complex algorithm here.

?????? //Get ending times.

?????? GetThreadTimes(GetCurrentThread(),&ftDummy,&ftDummy,&ftUserTimeEnd,&ftUserTimeEnd);

?

?????? //Get the elapsed kernel and user times by converting the start and end times form FILETIMEs

?????? //to quad words and then subtract the start times from the end times.

?????? qwKernelTimeElapsed=FileTimeToQuadWord(&ftKernelTimeEnd)-FileTimeToQuadWord(&ftKernelTimeStart);

?

?????? qwUserTimeElapsed=FileTimeToQuadWord(&ftUserTimeEnd)-FileTimeToQuadWord(&ftUserTimeStart);

?

?????? //Get total time duration by adding the kernel and user times.

?????? qwTotalTimeElapsed=qwKernelTimeElapsed+qwUserTimeElapsed;

?

?????? // the total elapsed time is in qwTotalTimeElapsed and display in console

?????? printf("The executing times of thread is %d /n",qwTotalTimeElapsed);

?????? //printf("Hello World!/n");

?????? return 0;

}

環境結構使系統保留線程的狀態，在下次線程擁有CPU時，能夠回到上次中斷運行的地方。Windows允許查看線程內核對象的內部情況，以便抓取它當前的一組CPU寄存器，若要執行該項操作，可調用GetThreadContext函數：

BOOL GetThreadContext(HANDLE hThread,PCONTEXT pContext);

調用該函數，只需指定一個CONTEXT結構，對某些標志（該結構中的ContextFlags成員）進行初始化，指明想要收回那些寄存器，并將該結構的地址傳遞給函數，函數會將數據填入到所要求的成員中。在調用GetThreadContext函數前，應調用SuspendThread，否則線程可能被調度，且線程的環境與所收回的不同。一個線程實際有兩個環境，一個是用戶方式，一個是內核方式。GetThreadContext只能返回線程的用戶方式環境，如調用SuspendThread來停止線程的運行，但該線程目前正運行在內核方式下，那么即使SuspendThread尚未暫停該線程的運行，它的用戶方式仍然處于穩定狀態。線程在恢復用戶方式之前，無法執行更多的用戶方式代碼，因此可放心將線程視為處于暫停狀態，GetThreadContext函數將能正常運行。CONTEXT結構的ContextFlags成員并不與任何CPU寄存器對應。無論是何種CPU結構，該成員存在于CONTEXT結構定義中。ContextFlags成員用于向GetThreadContext函數指明想要檢索那些寄存器。如想獲得線程的控制寄存器，可以用如下代碼：

//Create a CONTEXT structure.

?????? CONTEXT Context;

?????? //Tell the system that we are interested in only the control registers.

?????? Context.ContextFlags=CONTEXT_CONTROL;

?????? //Tell the system to get the registers associated with a thread.

?????? GetThreadContext(hThread,&Context);

在調用GetThreadContext之前，須對CONTEXT結構中的ContextFlags成員進行初始化，如想獲得線程的控制寄存器和整數寄存器，需要進行下面的ContextFlags初始化：

Context.ContextFlags=CONTEXT_CONTROL | CONTEXT_INTEGER;

也可以獲得線程的所有重要的寄存器（Mcirosoft認為最常用的寄存器）：

Context.ContextFlags=CONTEXT_FULL;

當GetThreadContext返回時，可容易查看線程的任何寄存器值，要編寫與CPU相關的代碼。Windows可修改CONTEXT結構中的成員，然后通過SetThreadContext將新寄存器值放回線程的內核對象中：

BOOL SetThreadContext(HANDLE hThread,CONST CONTEXT *pContext);

修改其環境的線程前應先暫停線程，否則結果不得而知。下面的代碼是演示：

//Create a CONTEXT structure.

?????? CONTEXT Context;

?????? //stop the thead from running

?????? SuspendThread(hThread);

??????

?????? //Get the thread's control registers.

?????? Context.ContextFlags=CONTEXT_CONTROL;

?????? //Tell the system to get the registers associated with a thread.

?????? GetThreadContext(hThread,&Context);

?

?????? //Make the instruction pointer point to the address of your choice.

?????? //Here I've arbitrarily set the address instruction pointer to 0x00010000

#if defined(_ALPHA_)

?????? Context.Fir=0x00010000;

#elif defined(_X86_)

?????? Context.Eip=0x00010000;

#else

#error Module contains CPU-specific code;modify and recompile.

#endif

?

?????? //Set the thread's registers to reflect the changed values.

?????? //It's not really necessary to reset the ControlFlags memeber because it was set earlier.

?????? Context.ContextFlags=CONTEXT_CONTROL;

?????? SetThreadContext(hThread,&Context);

?

?????? //Resuming the thread will cause it to begin execution at address 0x00010000.

?????? RusumeThread(hThread);

如此處理，可能導致遠程線程中的違規，向用戶顯示未處理的異常消息框，同時遠程進程終止運行。GetThreadContext和SetThreadContext函數可以對線程進行多方面控制，但要慎用。

線程被賦予不同的優先級，決定系統調度程序選擇調度哪個線程來運行（使其擁有CPU）。每個線程都被賦予一個從0（最低）到31（最高）的優先級號碼。當系統引導時，會創建一個特殊的線程，稱為0頁線程，該線程被賦予優先級為0，是整個系統中唯一的一個在優先級0上運行的線程。當系統中沒有任何需要執行操作時，0頁線程負責將系統中的所有空閑RAM頁面置0。Windows支持6個優先級類：空閑、低于正常、正常、高于正常、高和實時，一般程序都處在正常這個級別。Windows Explorer是在高優先級上運行的，大多數時間Explorer線程是暫停的，等待用戶按下操作鍵或點擊鼠標按照時被喚醒。當Explorer的線程處于暫停狀態時，系統不分配CPU給它的線程，這樣次優先級的線程可以得到調度。但一旦用戶有按鍵操作，系統就會喚醒Explorer線程，如果低優先級線程正在運行，系統會立即搶在這些線程之前讓Explorer的線程優先運行。應該避免使用實時這個最高的優先級類，因為它可能干涉操作系統任務的運行，可能阻止必要的磁盤I/O信息和網絡信息的產生。

當調用CreateProcess時，fdwCreate參數可以傳遞需要的優先級類。可通過調用SetPriorityClass來改變優先級類：

BOOL SetPriorityClass(HANDLE hProcess,DWORD fdwPriority);

該函數將hProcess標識的優先級改為fdwPriority參數中設定的值。由于該函數帶有一個進程句柄，所以只要擁有進程的句柄和足夠的訪問權，就可以改變系統中運行的任何進程的優先級類。檢索進程的優先級類函數：DWORD GetPriorityClass(HANDLE hProcess)。如果使用Start命令來啟動程序，可以使用一個開關來設定應用程序的起始優先級，如在命令外殼輸入如下命令可使系統啟動Calculator，并在開始時按空閑優先級來運行它：

C:/>START /LOW CALC.EXE

Start命令還能識別/BELOWNORMAL、/NORMAL、/ABOVENORMAL、/HIGT和/REALTIME等開關，以便按它們各自的優先級啟動執行一個應用程序。當然，一旦應用程序啟動運行，可以通過調用SetPriorityClass函數改變自己的優先級。

當系統將線程分配給處理器時，Windows2000使用軟親緣性來進程操作，這意味著如果所有其他因素相同的話，它將設法在它上次運行的哪個處理器上運行線程，讓線程留在單個處理器上，有助于重復使用仍然在處理器的內存高速緩存中的數據。Windows2000允許設置進程和線程的親緣性，可控制哪個CPU運行某些線程，稱為硬親緣性。計算機在引導時，要確定機器中有多少個CPU可供使用。通過調用GetSystemInfo函數，應用程序可查詢機器中的CPU數量。按照默認設置，任何線程都可以調度到這些CPU中的任何一個上去運行。為限制在可用CPU的子集上運行的單個進程中的線程數量，可調用：

BOOL SetProcessAffinityMask(HANDLE hProcess,DWORD_PTR dwProcessAffinityMask);

第一個參數hProcess用于指明影響的是哪個進程；第二個參數dwProcessAffinityMask是位屏蔽，用于指明線程可以在那些CPU上運行，如傳遞0x00000005（二進制0101，0和2位是真值）表示該進程中的線程可以在CPU0和CPU2上運行，但是不能愛CPU1和CPU3至31上運行。子進程可以繼承進程的親緣性。同時可通過下面函數返回進程的親緣性屏蔽：

BOOL GetProcessAffinityMask(HANDLE hProcess,

???????????????????????????????????????????????? PDWORD_PTR pdwProcessAffinityMask,

???????????????????????????????????????????????? PDWORD_PTR pdwSystemAffinityMask);

傳遞親緣性屏蔽的進程句柄，函數將填入pdwProcessAffinityMask變量，同時返回系統的親緣性屏蔽（pdwSystemAffinityMask指向的變量中）。系統的親緣性屏蔽用于指明系統的那個CPU能夠處理線程，進程的親緣性始終是一個系統的親緣性屏蔽的正確子集。上面談到的是將進程的多個線程限制到一組CPU上運行，那么同樣可以設置將進程中的一個線程限制到一組CPU上去運行。如包含4個線程的進程，在擁有4個CPU的計算機上運行，如為線程中的一個線程（正在執行非常重要的操作）增加某個CPU始終供它使用，則需要對其他三個線程限制不能在CPU0上運行，而只能在CPU1、CPU2、CPU3上運行。

通過調用SetThreadAffinityMask函數，能為各個線程設置親緣性屏蔽：

DWORD_PTR SetThreadAffinityMask(HANDLE hThread,

DWORD_PTR dwThreadAffinityMask);

函數中hThread參數用于指明要限制的線程，dwThreadAffinityMask用于指明線程能夠運行在那個CPU上，dwThreadAffinityMask是進程親緣性的相應子集，返回值是線程的前一個親緣性屏蔽。上面例子中將3個線程限制在CPU1、CPU2、CPU3上運行的代碼：

//Thread 0 can only on CPU0.

SetThreadAffinityMask(hThread0,0x00000001);

//Threads1/2/3 run on CPUs 1/2/3

SetThreadAffinityMask(hThread1,0x0000000E);

SetThreadAffinityMask(hThread2,0x0000000E);

SetThreadAffinityMask(hThread3,0x0000000E);

?????????????????? 如非 2008-12-22

總結

以上是生活随笔為你收集整理的线程的调度、优先级和亲缘性——Windows核心编程学习手札系列之七的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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