WinCE 进程、线程和内存管理(一)

3/23/2008来源:软件工程人气:7768


  进程、线程、内存治理是一个内核最基本的服务,也是一个内核最主要的组成部分。这几方面的知识是一个软件开发人员必须把握的基础知识。虽然一个人不懂这些知识也能编写简单的程序,但这样的程序只能算是皮毛。把握了进程、线程和内存治理方面的知识,就能够充分利用操作系统内核提供的服务,提高你编写的软件的执行效率、更节省资源、更健壮。顺便说一下,在Windows CE.net下可以运行用Visual Studio.net开发的.net平台上运行的软件,但这样的软件是最上层的软件,离操作系统内核太远了。不但执行效率相对较低,而且还要把.net 框架加到内核中。所以在大多数情况下,EVC仍然是第一选择。

WinCE 进程、线程和内存治理(一)
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图一 CE内核结构

  一、进程和线程

  1、概念:

  Windows CE.NET是一个抢占多任务操作系统,抢占多任务又被称为调度。在调度过程中,内核的调度系统包含一个当前所有进程中线程的优先级列表,并对所有的线程按优先级排列顺序。当中断发生时,调度系统重新安排所有线程的排列顺序。

  一个进程是一个正运行的应用程序的实例。它由两个部分组成:一个是操作系统用来治理这个进程的内核对象。另一个是这个进程拥有的地址空间。这个地址空间包含应用程序的代码段、静态数据段、堆、栈,非Xip(Execute In Place)DLL。从执行角度方面看,一个进程由一个或多个线程组成。一个线程是一个执行单元,它控制CPU执行进程中某一段代码段。一个线程可以访问这个进程中所有的地址空间和资源。一个进程最少包括一个线程来执行代码,这个线程又叫做主线程。

  2、进程:

  Windows CE.NET最多支持32个进程同时运行。这是由整个系统分配给所有进程的总地址空间决定的。低于Windows CE 4.0版本(也就是低于.NET的版本)的CE操作系统,总进程空间从0x0000 0000到0x4200 0000 ,每32MB地址空间为一个槽(Slot),共33个槽。当一个进程启动时,内核选择一个没有被占用的槽作为这个进程的地址空间。其中0x0000 0000到0x01FF FFFF这个槽称为Slot 0。每个进程在即将得到CPU控制权时,将整个地址映射到Slot 0。这个进程在帮助文档中称为当前运行进程(currently running PRocess)。分配一个槽后,内核在这个槽内按由低地址到高地址顺序为代码段、静态数据段分配足够的地址空间,然后是堆、栈,栈之后的空间为所有 DLL保留,包括XIP和非XIP DLL。注重Slot 0最底部64KB是永远保留的。从Slot 1 到 Slot32 为进程使用。前几个槽一般为系统程序使用。如filesys.exe、device.exe、gwes.exe等。

  Windows CE.NET与低版本操作系统略有不同。这一点是从MSDN 的"Technical Articles"和"Knowledge Base"的文章中找到的,这的确让我费了一番功夫。在Windows CE.NET的帮助文件中只能找到和早期版本相同的说法,而"Technical Articles"和"Knowledge Base"中有几篇文章清楚的说明了Windows CE.NET 和低版本操作系统的不同。在低版本操作系统中,的确如上所说分为33个槽,Slot 0用于当前运行进程,共支持32个进程同时运行。而且所有DLL都加载到进程的地址空间。但Windows CE.NET下 Slot 1也用于当前进程(Slot 1只用于加载所有XIP DLL)。那么一个进程就不是占有32MB地址空间了,而是64MB。在讲解内存治理时我会具体讲解。

  创建一个进程的API函数如下:

BOOL CreateProcess(LPCTSTR lpapplicationName, LPTSTR lpCommandLine,
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpProcessAttributes,
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,
BOOL bInheritHandles,
DWord dwCreationFlags,
LPVOID lpEnvironment,
LPCTSTR lpCurrentDirectory,
LPSTARTUPINFO lpStartupInfo,
LPPROCESS_INFORMATION lpProcessInformation );
  Windows CE.NET不支持安全性、当前目录、继续性,所以这个函数很多参数都必须设为0或FALSE。具体第3、4、7、8、9设为0,第5设为FALSE。第1参数为应用程序名称,这个参数不能为NULL。假如只传递应用程序名称而没有指定路径,那么系统将先搜索\Windows目录,接着搜索OEM指定的搜索路径。第2参数用于传递启动参数,必须为UNICODE码。第6参数为创建标志。可以为0(创建一个常规进程)、CREATE_SUSPENDED(启动后挂起)、DEBUG_PROCESS(用于创建这个进程的父进程调试用)、DEBUG_ONLY_THIS_PROCESS(不调试子进程)、CREATE_NEW_CONSOLE(控制台进程)。第10参数传递给它一个PROCESS_INFORMATION结构变量的地址。返回进程和主线程的句柄和ID。

  终止一个进程最好是由WinMain函数返回。在主线程中调用ExitThread函数也可以。在当前进程终止另一个进程使用TerminateProcess函数。CE下的TerminateProcess函数要比其他Windows下TerminateProcess函数功能强大。TerminateThread函数的危险在于,此函数一旦成功执行,指定的线程会马上终止执行,那么可能有很多的结束处理工作还没来得及进行,但是此线程加载的DLL会被通知结束执行。要调用TerminateThread函数就必须先了解要终止的线程的具体情况。另外假如指定的线程正在执行系统API调用时,TerminateThread函数不能马上终止此线程的执行,而是在API函数执行完毕后才退出。所以使用TerminateThread前必须对线程的具体情况要了解。

  3、线程:

  线程除了能够访问进程的资源外,每个线程还拥有自己的栈。栈的大小是可以调整的,最小为1KB或4KB(也就是一个内存页。内存页的大小取决于CPU),一般默认为64KB,但栈顶端永远保留2KB为防止溢出。假如要改变栈初始时大小,在EVC"Project"-"Settings"-"Link"链接选项"/STACK"后的参数中指定大小。其中参数1为默认大小,参数2为一个内存页大小,都用十六进制表示。假如将栈的初始值设置太小,很轻易导致系统访问非法并立即终止进程。

  线程有五中状态,分别为运行、挂起、睡眠、阻塞、终止。当所有线程全部处于阻塞状态时,内核处于空闲模式(Idle mode),这时对CPU的电力供给将减小。

  创建一个线程的API函数如下:


HANDLE CreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,
DWORD dwStackSize,
LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,
LPVOID lpParameter,
DWORD dwCreationFlags,
LPDWORD lpThreadId );
  Windows CE.NET 不支持安全性所以参数1必须设置为0。假如参数5为STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION,那么参数2可以指定栈的大小,内核将按照参数2的数值来为此线程拥有的栈保留地址空间。假如参数5不为STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION,那么参数2必须设置为0。参数3为执行路径的首地址,也就是函数的地址。参数4用来向线程中传递一个参数。参数5除了上面说明外,还可以为0、CREATE_SUSPENDED。CREATE_SUSPENDED表示这个线程在创建后一直处于挂起状态,直到用ResumeThread函数来恢复。最后一个参数保存函数返回的创建的线程ID。

  退出一个线程同退出一个进程有类似的方法。最好是由函数返回,在线程中调用ExitThead函数也可以。

  Windows CE.NET不像其他Windows操作系统将进程分为不同的优先级类,Windows CE.NET只将线程分为256个优先级。0优先级最高,255最低,0到248优先级属于实时性优先级。0到247优先级一般分配给实时性应用程序、驱动程序、系统程序。249到255优先级中,251优先级(THREAD_PRIORITY_NORMAL)是正常优先级。255优先级(THREAD_PRIORITY_IDLE)为空闲优先级。249优先级(THREAD_PRIORITY_HIGHEST)是高优先级。248到255优先级一般分配给普通应用程序线程使用。具体分段见下表:

优先级范围 分配对象 0-96 高于驱动程序的程序 97-152 基于Windows CE的驱动程序 153-247 低于驱动程序的程序 248-255 普通的应用程序  
  Windows CE.NET操作系统具有实时性,所以调度系统必须保证高优先级线程先运行,低优先级线程在高优先级线程终止后或者阻塞时才能得到CPU时间片。而且一旦发生中断,内核会暂停低优先级线程的运行,让高优先级线程继续运行,直到终止或者阻塞。具有相同优先级的线程平均占有CPU时间片,当一个线程使用完了CPU时间片或在时间片内阻塞、睡眠,那么其他相同优先级的线程会占有时间片。这里提到的CPU时间片是指内核限制线程占有CPU的时间,默认为100ms。OEM可以更改这个值,甚至设置为0。假如为0,当前线程将一直占有CPU,直到更高优先级线程要求占有CPU。这个调度算法似乎是很有效、很完美,但却存在着一种情况,当这种情况发生时程序会死锁。举例来说:一个应用程序包含两个线程,线程1是高优先级,线程2是低优先级,当线程1运行过程中处于阻塞时,线程2得到时间片,线程2这次进入了一个临界区,我们都知道临界区内的资源是不会被其它线程访问的,当线程2正运行时,线程1已经从阻塞状态转变为运行状态,而这次线程1却要访问线程2的资源,这个资源却被临界区锁定,那么线程1只能等待,等待线程2从临界区中运行结束并释放资源的独占权。但是线程2却永远不会得到时间片,因为CE保证高优先级线程会先运行。这时程序就会处于死锁状态。当然系统不会死锁,因为还有更高优先级的线程、驱动程序在运行。对于这种情况,CE采取优先级转换的办法来解决。就是当发生这种情况时,内核将线程2的优先级提高到线程1的优先级水平。这样线程2就可以执行完临界区代码了,线程1也就能够访问资源了。然后内核再恢复线程2原来的优先级。

  挂起一个线程使用SuspendThread函数。参数只有一个――线程的句柄。要说明的是假如要挂起的线程正调用一个内核功能,这时执行此函数可能会失败。需要多次调用此函数直到函数返回值不为0xFFFFFFFF,说明挂起成功。恢复线程使用ResumeThread函数。参数也只有一个――线程的句柄。

  关于线程本地存储器和纤程,实际用到的时候非常少,这部分知识可以参考《Windows核心编程》。