【第17节】windows sdk编程：线程与线程调度

目录

一、线程

1.1 线程的基本概念

1.2 何时创建线程

二、线程控制

三、遍历线程

四、线程内核对象

4.1 线程上下文

4.2 暂停次数

4.3 信号

五、线程调度

5.1 什么是线程优先级

5.2 进程优先级与相对线程优先级

5.3 编程改变优先级

5.4 动态优先级的概念

一、线程

1.1 线程的基本概念

        线程是进程中的一个独立控制流，它是程序运行时的调度单位，也是执行代码的基本单元。从 CPU 的角度来看，所有线程都是平等的，不会因为属于某个进程而受到特殊对待。CPU 根据线程的优先级来决定执行哪个线程，并分配相应的时间片。当一个线程的时间片用完时，CPU 会切换到下一个线程继续执行。 

        通常情况下，线程执行的代码属于某个进程，同一个进程中的所有线程共享进程的资源，包括虚拟内存空间、内核对象句柄表等。

        此外，还有一种内核线程，它的代码完全在内核空间中运行，不在我们当前的讨论范围内。每个线程都是一个独立的执行单元。

1.2 何时创建线程

通常在以下情况下需要创建线程：
- 在输入的同时需要输出（例如在显示界面的同时处理数据）；
- 逻辑A的执行依赖于逻辑B的实时反馈（比如进度条的更新）；
- 利用计算机的空闲时间处理一些繁重但不紧急的任务；
- 涉及大量磁盘操作的程序；
- 与网络操作相关的程序；
- 需要处理多个长时间等待的业务逻辑；
- 需要进行密集计算，并充分利用多核CPU性能的程序；
- 需要让其他进程执行自己的代码时（例如远程注入代码）；

        简单来说，当某些操作可能会阻塞当前线程，而当前线程又非常重要不能被阻塞时，就需要创建新的线程。

二、线程控制

相关的线程控制函数如下：
- `CreateProcess`：创建进程。
- `OpenProcess`：打开进程。
- `ExitProcess`：退出本进程。
- `TerminateProcess`：结束其他进程。
- `SuspendThread`：暂停线程（挂起）。
- `ResumeThread`：恢复线程。

创建线程示例代码：

#include "stdafx.h"
#include <windows.h>
int g_nNum = 0;DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lParam) {printf("我是线程！\n");for (int i=0;i<1000;i++){g_nNum++;}printf("%d\n", g_nNum);return 0;
}int main()
{CreateThread(NULL, NULL, ThreadProc, NULL, 0, NULL);CreateThread(NULL, NULL, ThreadProc, NULL, 0, NULL);system("pause");printf("%d\n", g_nNum);return 0;
}

三、遍历线程

        线程的遍历同样可以使用创建快照的方式，以下是遍历某一个进程线程的示例代码：

VOID ListProcessThreads(DWORD dwPID) {HANDLE hThreadSnap = INVALID_HANDLE_VALUE;THREADENTRY32 te32;//创建快照，当前操作系统的线程快照hThreadSnap = CreateToolhelp32Snapshot(TH32CS_SNAPTHREAD, 0);if (hThreadSnap == INVALID_HANDLE_VALUE)return;//设置输入参数，结构的大小te32.dwSize = sizeof(THREADENTRY32);//开始获取信息if (!Thread32First(hThreadSnap, &te32)) {CloseHandle(hThreadSnap);   //关闭句柄return;}do {if (te32.th32OwnerProcessID == dwPID) {//显示相关信息printf("\n THREAD ID=0x%08X", te32.th32ThreadID);printf("\t base priority =%d", te32.tpBasePri);printf("\t delta priority =%d", te32.tpDeltaPri);}} while (Thread32Next(hThreadSnap, &te32));CloseHandle(hThreadSnap);
}

        这段代码的功能是列出指定进程id（通过 dwPID 参数标识）的所有线程信息。它使用了 Windows API 中的 Toolhelp32 系列函数来遍历系统中的线程，并输出每个线程的 ID 和优先级信息。 

四、线程内核对象

        线程的创建伴随着在内核中创建一个线程内核对象的过程，在线程内核对象的数据结构中包含了一些重要信息。

4.1 线程上下文

        对于CPU来说，系统里有大量线程等着被执行。CPU会依据线程的优先级，来决定先执行哪个线程，并且在执行前给它分配一定的时间片。当正在执行的线程把时间片用完了，CPU就会切换去执行其他线程，就这样循环往复，让操作系统里的线程都有机会依次执行。而在这个切换线程的过程中，就会涉及到线程环境的保存和加载操作。 

        具体来讲，当一个线程暂时不使用CPU了，它得把自己当前的执行环境保存起来，这样下次再轮到它执行的时候，就能接着之前的状态继续。相反，当一个线程即将要被CPU执行时，得先把它对应的执行环境加载到CPU里。 

        在线程的内核对象中，存在一个结构体专门用来存储当前线程的执行环境。在用户层面，我们可以借助特定的API来获取和设置线程环境 。 

 

获取线程环境的函数：

BOOL WINAPI GetThreadContext(_In_ HANDLE hThread,_Inout_ LPCONTEXT lpContext
);

 

设置线程环境的函数：

BOOL WINAPI SetThreadContext(_In_ HANDLE hThread,_In_ CONST CONTEXT* lpContext
);

`CONTEXT`结构体定义如下：

typedef struct _CONTEXT {DWORD ContextFlags;DWORD   Dr0;DWORD   Drl;DWORD    Dr2;DWORD   Dr3;DWORD   Dr6;DWORD   Dr7;FLOATING_SAVE_AREA FloatSave;DWORD   SegGs;DWORD  SegFs;DWORD  SegEs;DWORD  SegDs;DWORD  Edi;DWORD  Esi;DWORD  Ebx;DWORD  Edx;DWORDDWORDDWORDDWORDDWORDDWORDDWORDDWORDBYTE }CONTEXT;Ecx;Eax;Ebp;Eip;SegCs;  EFlags;Esp;SegSs;ExtendedRegisters[MAXIMUM_SUPPORTED_EXTENSION];

        可以看出，线程环境基本就是CPU在执行此线程时的寄存器信息。

4.2 暂停次数

        一个线程能够被暂停，且能被暂停多次。一个线程被暂停的次数在线程的内核对象中有记录，每暂停一次线程，暂停次数自增，每恢复一次线程，暂停次数自减，只有暂停次数为0的时候，线程才会运行起来。

4.3 信号

在创建和等待线程时会涉及信号的概念。例如：

//创建一个线程
HANDLE hThread = INVALID_HANDLE_VALUE;
CreateThread(NULL, NULL, Proc, NULL, NULL, NULL);//等待线程结束
WaitForSingleObject(hThread, -1);
//关闭句柄
CloseHandle(hThread);

        信号其实就是线程自身的一种状态。有个`WaitForSingleObject`函数，它专门用来检查这个信号状态。要是信号状态是`FALSE` ，也就是没有信号，处于非激发态，那`WaitForSingleObject`函数就会一直等着。而一旦信号状态变成`TRUE`，也就是有信号，处于激发态了，这个函数就会马上返回。就拿线程来说，当线程运行结束的时候，它的信号状态就会从没有信号的状态转变成有信号的状态。这时候，`WaitForSingleObject`函数就能等到线程结束，然后返回，程序也就可以接着去执行后续的代码了。 

        不光线程是可等待的，还有很多内核对象也是可以等待的，如下表：

五、线程调度

5.1 什么是线程优先级

（1）每个线程都有一个优先级数值，范围从0（最低）到31（最高）。

（2）当一个线程把分配给它的时间片用完了，系统就得决定接下来给哪个线程分配时间片。这时，系统会从优先级最高的线程开始，依次往低优先级查看，优先让高优先级的线程得到执行机会。 

（3）要是有个低优先级的线程正在运行，可恰好有高优先级的线程已经准备好要执行了，那系统就会马上中断低优先级线程，转而给高优先级线程分配时间片，让高优先级线程运行起来。比如说，只要系统里存在优先级为31的线程，那系统就不会去执行那些优先级在0到30之间的线程。

（4）系统刚启动的时候，会有一个特殊的线程，它的优先级是0 ，这个线程专门负责把系统内存里所有闲置的页面都清零，而且整个系统里只有这一个优先级为0的线程 。

5.2 进程优先级与相对线程优先级

        在Windows系统里，我们没办法直接去调整线程的优先级。Windows采用了一种间接的办法，它依据进程优先级以及相对线程优先级，让操作系统自己来算出线程优先级具体是多少。

        进程优先级有这么几种类型，分别是`real-time`（实时）、`high`（高）、`above normal`（高于标准）、`normal`（标准）、`below normal`（低于标准）、`idle`（最低） 。

        进程优先级就像是给这个进程里所有线程的优先级定了个大方向。之后，再结合相对线程优先级，就能确定线程真正的优先级数值。

        这里要特别注意，线程优先级是相对进程优先级而言的。要是你更改了进程优先级，虽然线程的相对优先级不会变，但是它实际的优先级数值却是会跟着改变的 。

5.3 编程改变优先级

1. 当我们使用`CreateProcess`函数创建进程时，能在它的`fdwCreate`参数里设置优先级。
2. 要是想改变进程的优先级，还可以用`SetPriorityClass`这个函数来实现。
3. 要是想知道某个进程的优先级是多少，就得调用`GetPriorityClass`函数。
4. 注意，`CreateThread`函数没有设置线程相对优先级的参数，不能通过它来设置线程相对优先级。
5. 要设置线程的优先级，得使用`SetThreadPriority`函数。
6. 要是想获取线程的相对优先级，就得调用`GetThreadPriority`函数。

5.4 动态优先级的概念

1. 由进程优先级和线程优先级算出来的优先级，我们叫它基本优先级。有时候，系统会自动提高某个线程的优先级，这么做主要有两个原因：
        （1）为了能快点响应一些紧急操作。
        （2）给那些一直没机会执行、处于“饥饿”状态的线程分配时间片。
2. 这里有几点要注意：
        （1）优先级被提高的线程，在得到时间片去执行后，它的优先级数值会自动减小，一直减到基本优先级就不再减了。
        （2）如果一个“饥饿”线程有2到3秒都没执行，它的优先级会临时变为15，等它执行完两个时间片后，优先级又会变回原来的数值。
        （3）系统自动提升优先级的范围是1到15，优先级在16到31之间的线程，系统不会去提升它们的优先级。
        （4）我们能阻止系统提升优先级：
        - 使用`SetProcessPriorityBoost()`函数，能禁止提升当前进程里线程的优先级。
        - 使用`SetThreadPriorityBoost()`函数，能禁止提升某个线程的优先级。
        - 要是想知道进程或线程有没有使用优先级提升功能，可以用`GetProcessPriorityBoost`和`GetThreadPriorityBoost`这两个函数来判断 。

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