Системное программирование в среде Windows

Резюме

Система управления памятью Windows предоставляет следующие возможности:

• Использование средств Windows, осуществляющих управление кучей, а также обработчиков исключений для обнаружения и обработки ошибок, возникающих при распределении памяти, значительно упрощает логическую организацию.

• Использование нескольких независимых куч обладает рядом преимуществ по сравнению с распределением памяти из одной кучи.

• Методы отображения файлов, доступные в UNIX, но не предоставляемые библиотекой С, обеспечивают обработку файлов в памяти, что было проиллюстрировано несколькими примерами. Отображение файлов в памяти осуществляется независимо от управления кучей и упрощает решение многих задач программирования. Преимущества использования отображения файлов подтверждаются данными о достигаемом за счет этого повышении производительности, приведенными в приложении В.

• DLL являются важным специальным случаем отображения файлов и могут загружаться либо явным, либо неявным образом. DLL, предназначенные для использования многими приложениями, должны предоставлять информацию о версии библиотеки.

В следующих главах

Мы завершили обзор задач, решаемых в рамках одного процесса. Далее мы переходим к изучению методов параллельной обработки, сначала на уровне процессов (глава 6), а затем — потоков (глава 7). В последующих главах показано, как организовать синхронизацию и взаимодействие параллельно выполняющихся операций по обработке данных. 

Дополнительная литература

Отображение файлов, виртуальная память и ошибки страниц

Описание этих важных понятий содержится в книге [38], а их углубленное обсуждение вы можете найти в документации, поставляемой вместе с большинством ОС.

Структуры данных и алгоритмы

Деревьям поиска и алгоритмам сортировки посвящено множество работ, включая [39] и [34].

Использование явного связывания

DLL и явное связывание имеют фундаментальное значение для использования модели СОМ, которая широко применяется при разработке программного обеспечения Windows. Важность функций LoadLibrary и GetProcAddress продемонстрирована в главе 1 книги [3].

Упражнения

5.1. Спроектируйте и проведите эксперименты для оценки выигрыша в производительности, достигаемого за счет использования флага HEAP_NO_SERIALIZE при вызове функций HeapCreate и HeapAlloc. Как зависит этот показатель от размера кучи и размера блока? Заметна ли разница в результатах для различных версий Windows? На Web-сайте книги находится программа HeapNoSr.c, которая поможет вам приступить к выполнению этого и следующего упражнений.

5.2. Измените тестовую программу из предыдущего упражнения таким образом, чтобы она позволяла определить, генерирует ли функция malloc исключения или возвращает нулевой указатель в случае нехватки памяти. Является ли обнаруженное поведение функции корректным? Сравните также производительность, обеспечиваемую функцией malloc, с результатами предыдущего упражнения.

5.3. Доля накладных издержек при распределении памяти из кучи колеблется в зависимости от используемой версии Windows, что особенно заметно в случае выходящих из употребления версий Windows 9x. Спроектируйте и проведите эксперимент для определения количества блоков памяти фиксированного размера, которые каждая из систем предоставляет в одной куче. Используя SEH для определения того момента, когда распределенными оказываются все блоки, вы значительно упростите программу. Подобным образом ведет себя программа clear.с, находящаяся на Web-сайте книги, если игнорировать часть ее кода, ответственную за явное тестирование ОС. Между прочим, эта программа используется в некоторых тестах по измерению временных характеристик для гарантии того, что данные, полученные в процессе выполнении предыдущего теста, не остались в памяти.

5.4. Путем изменения программы sortFL (программа 5.4) создайте программу sortHP, распределяющую память для буфера, размер которого достаточно велик, чтобы в нем уместился весь файл, и выполните считывание файла в этот буфер. Отображение файла использовать не следует. Сравните производительность обеих программ.

5.5. В программе 5.5 применены указатели типа _base, специфические для Microsoft С. Если ваш компилятор не поддерживает это средство (но в любом случае — просто в качестве упражнения) переделайте программу 5.5, используя для генерации значений базового указателя макрос, массив или иной механизм.

5.6. Напишите программу поиска записей по указанному ключу в файле, проиндексированном с применением программы 5.5. Для этой цели удобно воспользоваться функцией bsearch, входящей в состав библиотеки С.

5.7. Реализуйте программу tail из главы 3, используя отображение файлов.

5.8. Поместите вспомогательные функции ReportError, PrintStrings, PrintMsg и ConsolePrompt в DLL и перекомпонуйте некоторые из программ, с которыми мы работали раньше. Проделайте то же самое с функциями Options и GetArgs, предназначенными, соответственно, для обработки параметров командной строки и аргументов. Важно, чтобы как вспомогательная DLL, так и вызывающая программа использовали также и библиотеку С в виде DLL. Например, в Visual C++ и Visual Studio 6.0 выберите, начав со строки главного меню, следующие команды: Project (Проект), Settings (Параметры), вкладку C/C++, Category (Code Generation) (Категория (Генерация кода)), Use Run-Time Library (Multithreaded DLL) (Использовать библиотеку времени выполнения (многопоточная DLL)). Заметьте, что библиотеки DLL, вообще говоря, должны обеспечивать многопоточную поддержку, поскольку они будут использоваться потоками нескольких процессов. Пример возможного решения содержится в проекте Utilities_3_0, доступном на Web-сайте книги.

5.9. Измените программу 5.7 таким образом, чтобы решение относительно того, какую DLL следует использовать, базировалось на размере файла и конфигурации системы. .LIB-файл здесь не требуется, поэтому продумайте, как отменить его генерацию. Для определения типа файловой системы используйте функцию GetVolumeInformation.

5.10. Создайте дополнительные DLL для функции преобразования из предыдущего упражнения, каждая версия которых использует иную методику обработки файлов, и расширьте вызывающую программу таким образом, чтобы она сама решала, когда и какую версию использовать. 

ГЛАВА 6 Управление процессами

Процесс (process) представляет собой объект, обладающий собственным независимым виртуальным адресным пространством, в котором могут размещаться код и данные, защищенные от других процессов. В свою очередь, внутри каждого процесса могут независимо выполняться одна или несколько потоков (threads). Поток, выполняющийся внутри процесса, может сама создавать новые потоки и новые независимые процессы, а также управлять взаимодействием объектов между собой и их синхронизацией.

Создавая процессы и управляя ими, приложения могут организовывать параллельное выполнение нескольких задач, обеспечивающих обработку файлов, проведение вычислений или связь с другими системами в сети. Допускается даже использование нескольких процессоров с целью ускорения обработки данных.

В этой главе объясняются основы управления процессами и вводятся; простейшие операции синхронизации, которые будут использоваться на протяжении оставшейся части книги.

Процессы и потоки Windows

Внутри каждого процесса могут выполняться одна или несколько потоков, и именно поток является базовой единицей выполнения в Windows. Выполнение потоков планируется системой на основе обычных факторов: наличие таких ресурсов, как CPU и физическая память, приоритеты, равнодоступность ресурсов и так далее. Начиная с версии NT4, в Windows поддерживается симметричная многопроцессорная обработка (Symmetric Multiprocessing, SMP), позволяющая распределять выполнение потоков между отдельными процессорами, установленными в системе.