Джонсон Харт - Системное программирование в среде Windows

• Название: Системное программирование в среде Windows
• Автор: Джонсон Харт
• Издательство: Издательский дом "Вильямс"
• Жанр: Программирование
• Год: 2005
• ISBN: 5-8459-0879-5

Эта книга посвящена вопросам разработки приложений с использованием интерфейса прикладного программирования операционных систем компании Microsoft (Windows 9х, Windows XP, Windows 2000 и Windows Server 2003). Основное внимание уделяется базовым системным службам, включая управление файловой системой, процессами и потоками, взаимодействие между процессами, сетевое программирование и синхронизацию. Рассматривается методика переноса приложений, написанных в среде Win32, в среду Win64. Подробно описываются все аспекты системы безопасности Windows и ее практического применения. Изобилие реальных примеров, доступных также и на Web-сайте книги, существенно упрощает усвоение материала.

Книга ориентирована на разработчиков и программистов, как высокой квалификации, так и начинающих, а также будет полезна для студентов соответствующих специальностей.

---

Ниже приводятся некоторые дополнительные рекомендации и мнемонические правила, которые вам могут пригодиться.

• Правильно пользуйтесь моделью переменных условий, проверяя, чтобы два разных мьютекса не использовались с одним и тем же событием. Хорошо изучите модель переменных условий, на которой основана ваша программа. Прежде чем вызывать функцию ожидания перехода переменной условия в сигнальное состояние, убедитесь в выполнении условия, выраженного предикатом. 

• Старайтесь вникнуть в смысл используемых инвариантов и предикатов переменных условий, даже если они имеют неформальное выражение. Убедитесь в том, что условие, выраженное предикатом, всегда выполняется за пределами критического участка кода.

• Стремитесь к упрощению. Многопоточное программирование уже само по себе является достаточно сложным, чтобы еще дополнительно усложнять его введением трудно воспринимаемых моделей и логики. Если ваша программа становится чрезмерно сложной, постарайтесь оценить, продиктована ли эта сложность действительной необходимостью или же является следствием того, что программа была неудачно спроектирована.

• Тестируйте программы как на однопроцессорных, так и на многопроцессорных системах, а также на системах с различными тактовыми частотами и другими характеристиками. Природа некоторых дефектов такова, что на однопроцессорных системах они проявляются лишь в редких случаях или вообще никогда, в то время как на SMP-системах вы их сразу определите, и наоборот. Аналогичным образом, чем шире круг характеристик систем, на которых будет выполняться программа, содержащая дефекты, тем выше вероятность сбоя.

• Тестирование является необходимой, но не достаточной мерой, которая могла бы гарантировать корректную работу программы. Известны многочисленные примеры программ, заведомо содержащих дефекты, которые лишь в редких случаях удавалось обнаруживать средствами обычного и даже расширенного тестирования.

• Смиритесь! Как бы вы ни старались следовать этим советам, ошибок в своих программах вам не избежать. Это утверждение справедливо даже в случае однопоточных программ, не говоря уже о многопоточных, которые предоставляют нам гораздо больше разнообразных и интереснейших возможностей создавать себе проблемы.

За рамками Windows API

В своем рассмотрении мы намеренно ограничились случаем Windows API. Вместе с тем, Microsoft предоставляет дополнительные средства доступа к таким объектам ядра, как потоки. Так, класс ThreadPool, доступный в C++, С# и других языках программирования, позволяет создавать пулы потоков и очереди задач потоков (для этого служит метод QueueUserWorkItem класса ThreadPool).

Кроме того, Microsoft реализует службу Microsoft Message Queuing (MSMQ), которая предоставляет услуги по передаче сообщений между сетевыми системами. Приведенный в данной главе пример должен был продемонстрировать вам, насколько полезными могут быть универсальные системы очередизации сообщений. MSMQ документирована на Web-сайте компании Microsoft.

Резюме

Разработка многопоточных программ значительно упрощается, если используются хорошо себя зарекомендовавшие, известные модели и методы программирования. В этой главе была продемонстрирована полезность модели переменных условий и решен ряд сравнительно сложных, но важных проблем программирования. АРС позволяют одному потоку посылать сигналы другому и вызывать в нем выполнение определенных действий, что позволяет отменять выполнение потоков таким образом, чтобы все потоки в системе имели возможность корректно завершиться.

Сложность синхронизации и управления потоками объясняется тем, что существует множество путей решения одной и той же задачи, и при выборе метода следует учитывать его сложность и характер влияния, которое он может оказать на производительность. Чтобы проиллюстрировать все многообразие доступных возможностей, пример трехступенчатого конвейера был реализован несколькими отличными друг от друга способами.

Тщательное продумывание проекта и путей его реализации является предпочтительным способом улучшения качества программы. Возложение чрезмерных надежд на результаты тестирования и отладку без того, чтобы уделить должное внимания деталям, может привести к возникновению серьезных проблем, обнаружить и устранить которые будет очень трудно.

В следующих главах

В главе 11 показано, как организовать взаимодействие между процессами и потоками, выполняющимися внутри этих процессов, используя именованные каналы (named pipes) и почтовые ящики (mailslots) Windows. В качестве основного примера выбрана клиент-серверная система, в которой для обслуживания запросов клиентов используется пул рабочих потоков. В главе 12 эта же система реализуется с привлечением гнезд Windows Sockets, что делает ее пригодной для использования стандартных протоколов. В обновленной клиент-серверной системе применяются безопасные библиотеки DLL с многопоточной поддержкой, а сервер использует внутрипроцессный сервер (in-process server) на основе DLL.

Дополнительная литература

Источником большей части информации и советов по программированию, приведенных в конце настоящей главы, послужила книга [6]. Из нее же было взято в переработанном виде и решение на базе объекта барьера, использованное в программах 10.1 и 10.2.

В статье Дугласа Шмидта (Douglas Schmidt) и Ирфана Пьярали (Irfan Pyarali) "Strategies for Implementing POSIX Condition Variables in Win32" ("Стратегии реализации переменных условий POSIX в Win32") (доступна по адресу http:// www.es.wustl.edu/~schmidt/win32-cv-1.html), обсуждается ограниченность событий Win32 (Windows) и эмуляция переменных условий, а также дан глубокий анализ и оценка нескольких подходов. Вместе с тем, этот материал был написан еще до появления функции SignalObjectAndWait, и поэтому большое внимание в статье уделяется тому, как избежать потери сигналов. Чтение этой статьи позволит вам по достоинству оценить возможности новых функций. В другой статье тех же авторов (http://www.cs.wustl.edu/~schmidt/win32-cv-2.html) рассматривается создание объектно-ориентированных оболочек вокруг объектов синхронизации Windows, позволяющих добиться независимости интерфейса синхронизации от платформы. Основанная на работе Шмидта и Пьярали реализация, в которой используются потоки Pthreads, доступна по адресу http://sources.redhat.com/pthreads-win32/.

Упражнения

10.1. Переработайте программу 10.1, исключив из нее функцию SignalObjectAndWait; для тестирования полученного результата воспользуйтесь Windows 9х.

10.2. Модифицируйте программу evenpc (программа 8.2), использовав модель переменных условий и обеспечив возможность существования нескольких потребителей. События какого типа потребуются в данном случае?

10.3. Измените логику работы программы 10.2 таким образом, чтобы объект события переходил в сигнальное состояние только один раз.

10.4. Замените мьютекс в объекте очереди, который используется в программе 10.2, объектом CS. Какое влияние это изменение оказывает на производительность и пропускную способность программы? Решение находится на Web-сайте книги, а соответствующие экспериментальные данные приведены в приложении В.

10.5. Для индикации состояний очереди, в которых она не пуста или не заполнена, в программе 10.4 применяется широковещательная модель CV. Будет ли в данном случае работать сигнальная модель CV? Не является ли она даже более предпочтительной в некоторых отношениях? Соответствующие экспериментальные данные приведены в приложении В.

10.6. Поэкспериментируйте с размерами очереди и величиной коэффициента блокирования "передатчик/приемник" в программе 10.5 для выяснения того, какое влияние оказывают эти факторы на загрузку ЦП, а также производительность и пропускную способность программы.

10.7. Видоизмените программы 10.3–10.5, обеспечив их соответствие принятым в Windows соглашениям о правилах образования имен, которых мы придерживаемся на протяжении всей книги.

10.8. Для программистов на C++. Приведенный в программах 10.3 и 10.4 код можно использовать для создания в C++ класса синхронизированной очереди; создайте этот класс и протестируйте его, модифицировав соответствующим образом программу 10.5. Какие из функций должны быть общедоступными, а какие — закрытыми?

10.9. Исследуйте, как изменятся показатели производительности программы 10.5 после замены мьютексов объектами CRITICAL_SECTIONS.

10.10. Улучшите программу 10.5, исключив необходимость прекращения выполнения потоков передатчика и приемника. Потоки должны самостоятельно завершать свое выполнение.

10.11. На web-сайте находится файл multisem.c, который реализует сложный семафор, имитирующий объекты Windows (они имеют имена и атрибуты безопасности, могут разделяться процессами, и для них предусмотрены две модели ожидания), а также файл тестовой программы TestMultiSem.c. Выполните сборку и тестирование этой программы. Как в ней используется модель переменных условий? Повышается ли производительность в результате использования объекта CRITICAL_SECTION? Что здесь выступает в роли инвариантов и предикатов переменных условий?