Процессы в Windows и потоковая многозадачность

Win9X/NT. Windows, в отличие от MS DOS, представляет собой многозадачную операционную сис­тему, созданную для одновременной работы ряда приложений и/или меньших процессов с максимальными возможностями использования аппаратного обеспечения. Это означа­ет, что Windows является разделяемой средой: ни одно приложение не может получить в свое распоряжение всю систему целиком. Хотя Windows 95, 98, ME, ХР и 2000/NT похо­жи, они имеют ряд технических отличий. Однако в этой книге рассматриваются общие черты, а не отличия, так что делать большую драму из различия операционных систем не стоит.

Windows – это многозадачная операционная система, то есть она может одновременно выполнять две и более программ. Конечно, программы используют единственный процессор и, строго говоря, выполняются не одновремен­но. Однако высокое быстродействие компьютера создает такую иллюзию. Windows поддерживает два типа многозадачности: процессную и потоковую.

1. Процесс – это программа (или приложение – в терминологии Windows), находящиеся в фазе выполнения. Процессная многозадачность заключается в том, что Windows может выполнять одновременно более одной программы. Таким образом, Windows поддерживает «традиционную» процессную многозадачность, с которой Вы, ве­роятно, знакомы.

2. Поток – это отдельно выполняемая и управляемая часть программы. Название происходит от термина «поток выполнения». Любой процесс имеет как минимум один поток. В Windows процесс может иметь несколько (много) потоков.

Тот факт, что Windows способна управлять потоками, и каждый процесс может иметь несколько потоков, означает, что любой процесс может иметь две или более частей, выполняющихся одновременно. Следовательно, работая в Windows, можно одновременно выполнять как несколько программ, так и частей отдельной програм­мы. Вы увидите ниже, что это свойство делает возможным написание очень эффек­тивных программ.

Для доступа к системе интерфейс в Windows использует множество функций, определенных в ней. Это множество функций называется Программным Интерфейсом Приложений (Application Program Interface, API). API содержит несколько сотен функций, которые программа пользователя может вызывать для доступа к Windows. Функции включают все необходимые системно-зависимые действия, такие как выделение памяти, вывод на экран, создание окон и т.п. Аналогичные WinAPI средства имеются и в современных версиях операционной системы Unix.

Планировщик может быть очень простым, обеспечивающим выполнение каждого из процессов одинаковое количество миллисекунд, а может быть и очень сложным, рабо­тающим с учетом различных уровней приоритета приложений и вытесняющим низко­приоритетные приложения. В Windows 9X/NT используется вытесняющий планировщик, ра­ботающий с учетом приоритетов. Это означает, что одни приложения могут получить больше процессорного времени, чем другие.

Однако беспокоиться о работе планировщика не стоит, если только Вы не разработ­чик операционной системы или программы, работающей в реальном времени. В боль­шинстве случаев Windows сама запустит и спланирует приложение, и с вашей стороны для этого не требуется никаких специальных действий.

Познакомившись с Windows поближе, мы увидим, что это не только многозадачная, но и многопоточная операционная система. Это означает, что в действительности про­граммы состоят из ряда более простых потоков выполнения. Выполнение этих потоков планируется так же, как и выполнение более мощных процессов, таких, как программы. Вероятно, в настоящий момент на вашем компьютере работает от 30 до 50 потоков, вы­полняющих разные задачи. Итак, в Windows единая программа может состоять из одного или нескольких потоков выполнения.

На рис. 1.2 схематически показана многопоточность в Windows. Как видите, каждая программа в действительности состоит, в дополнение к основному потоку, из нескольких рабочих потоков.

Для развлечения посмотрим, сколько потоков выполняется на вашей машине в на­стоящий момент. Нажмите < Ctrl+Alt+Delete> на компьютере под управлением Windows для вызова Active Program Task Manager и посмотрите, чему равно количество выпол­няющихся в системе потоков (или процессов). Это не совсем та величина, которая нас интересует, но весьма близкая к ней. Нас интересует приложение, способное сообщить реальное количество выполняющихся процессов. Для этого подходит множество условно бесплатных и коммерческих программ, но они нас не интересуют, поскольку в Windows есть встроенное средство для получения этой информации.

В каталоге Windows (в большинстве случаев это папка \WINDOWS) можно обнаружить программу SYSMON.EXE (она не включена в установку Windows по умолчанию, так что при ее отсутствии просто добавьте ее в систему посредством Control Panel Þ Add/Remove Programs Þ System Tools) или, в Windows NT, PERFMON.EXE. Данная программа предоставляет и другую важную информацию, такую, как использование памяти и загрузка процессора. Часто эта программа используется, чтобы отслеживать, что происходит при работе создаваемых программ.

А теперь о приятном: Вы можете сами управлять созданием потоков в своих програм­мах. Это одна из наиболее увлекательных возможностей при программировании игр – мы можем создать столько потоков, сколько нам потребуется для выполнения различных задач в дополнение к основному процессу игры.

Замечание: в Windows 98/NT введен новый тип объекта выполнения – нить (fiber), который еще проще, чем поток.

Вот основное отличие игр для Windows от игр для DOS. Поскольку DOS – одноза­дачная операционная система, в ней после запуска программы на выполнение больше ничего другого выполняться не может (не считая время от времени вызываемых обработ­чиков прерываний). Следовательно, если вы хотите добиться многозадачности или мно­гопоточности в DOS, вам придется эмулировать ее самостоятельно (см., например, книгу Teach Yourself Game Programming in 21 Days, где описано многозадачное ядро на основе DOS). И это именно то, чем многие годы занимались программисты игр. Конечно, эму­ляция многозадачности и многопоточности никогда не будет такой же надежной, как ре­альная многозадачность и многопоточность в поддерживающей их операционной систе­ме, но для отдельной игры такой эмуляции вполне достаточно.

Перед тем как перейти к программированию в Windows, нужно упомянуть еще одну де­таль. Вы можете подумать, что Windows – «волшебная» операционная система, поскольку позволяет одновременно решать несколько задач и выполнять несколько программ. Но это не так. Если в системе только один процессор, то одновременно может выполняться только один поток, программа или другая единица выполнения. Windows просто пере­ключается между ними так быстро, что создается иллюзия одновременной работы нескольких программ. Если же в системе несколько процессоров, то несколько задач могут выполняться действительно одновременно. Например, есть компьютер с двумя процессорами Pentium II 400MHz, работающий под управлением Windows 2000. В этой системе действительно возможно одновременное выполнение двух потоков инструкций. В ближайшем будущем следует ожидать новую архитектуру микропро­цессоров для персональных компьютеров, которая обеспечит одновременное выполне­ние нескольких потоков как часть конструкции процессора. Например, процессор Pen­tium имеет два модуля выполнения – U- и V-каналы. Следовательно, он может одновре­менно выполнять две инструкции, однако эти инструкции всегда из одного и того же потока. Аналогично, процессоры Pentium II, III, IV также могут выполнять несколько инструкций одновременно, но только из одного и того же потока.

Модель событий. Windows является многозадачной и многопоточной операционной системой, но при этом она остается операционной системой, управляемой событиями (event-driven). В отли­чие от программ DOS, большинство программ Windows попросту ждут, пока пользователь не сделает что-то, что запустит событие, в ответ на которое Windows предпримет некоторые действия. На рис. 1.3 Вы можете рассмотреть работу этой системы. Здесь изображены не­сколько окон приложений, каждое из которых посылает свои события или сообщения Win­dows для последующей обработки. Windows выполняет обработку определенных сообще­ний, но большинство из них передаются для обработки вашему приложению.

Хорошая новость состоит в том, что Вам нет необходимости беспокоиться о других рабо­тающих приложениях – Windows сама разберется с ними. Все, что вы должны сделать, – это позаботиться о вашем собственном приложении и обработке сообщений для вашего окна (окон). Ранее, в Windows 3.0/3.1, это было не так. Эти версии Windows не были истинно многозадачными операционными системами, и каждое приложение должно было передать управ­ление следующему. Это означало, что если находилось приложение, которое ухитрялось на­долго захватить систему, другие приложения ничего не могли с этим поделать.

Далее Вы встретитесь с реальным программированием и увидите, на­сколько простое это занятие. Но (всегда это «но»!) пока что Вам следует познакомиться с некоторыми соглашениями, используемыми программистами Microsoft. Применяя их, Вы никогда не запутаетесь среди имен функций и переменных.