操作系统实验[2]---Windows下创建进程和线程(Console下使用API)
EmilMatthew(EmilMatthew@126.com)
摘要:
参照[1]中所提供的方法，实现了Windows下，基于Console控制台模式的进程及线程的创建.
Abstract:
By the reference of passage [1], realize the creation of threads and processes under the console mode, with the usage of win32 APIs.
关键词:Win32 APIs,进程创建，线程创建.
Key Words:Win32 APIs,Process Creation,Thread Creation
前言:
谈到在Windows创建线程的例子,在网上的很多的参考都是基于MFC的。其实，就操作系统实验这个前提而言,大可不必去碰那个大型的MFC的框架。[1]中提到了在Windows命令控制台下创建进程及线程的方法，本文对[1]中的方法加以了实现，并做些简单的进程及线程的测试程序.
1实验准备:
要实验的Windows下的多线程实验，应做如下准备:
a) 在新建中选”Win32 Console Application”àAn empty project
b) 选”工程”à”设置”选项，在”设置”中选择“C/C++”标签,在”Project Option”中，将”MLd”参数改成“MTd”(如图1).
图1
以上两步对实验成功至关重要，否则，即是代码无误，在连接时同样会出现问题。
2Windows下进程的创建:
在[1]中，Windows的进程和线程模型被描述成”多进程，基于单进程的多线程”.
在创建一个线程时，Windows会做大量的工作---创建一个新的地址空间，为进程分配资源以及创建一个基线程.
CreateProcess函数的原型如下:
CreateProcess(
LPCTSTR lpApplicationName,
//pointer to name of executable moudle
LPTSTR cmdLine,
//pointer to command line string
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpProcessAttributes,
//pointer to process security attributes
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,
//pointer to theread security attributes
BOOL bInheritHandle ,
//handle inheritance flag
DWORD dwCreationFlag,//various creation flags
LPVOID lpEnviroment,//Enviroment variable
LPCTSTR lpCurrentDirectory, //Child's current directory
LPSTARTUPINFO lpStartupInfo, //pointer to StartupInfo
LPPROCESS_INFORMATION lpProcessInformation
//pointer to PROCESS_INFORMATION
)
虽然参数多了些，不过在现阶段的实验级别，大多数参数只要用默认值即可。
下面要做的关于Windows使用进程的实验，在Linux系统下，可以使用类似:
execve(char* cmdName , char* cmdArgu)的语句从一个程序中去执行其它的程序。
而如果在Windows下，当使用CreateProcess去执行相应的功能时，只要去改变cmdLine中的内容即可,其它的参数使用默认值,具体见代码1:
代码1执行的功能是从命令行中启动这个名叫的launch的测试程序，在launch后面应加上保存有需要打开程序路径的文件名:
如在命令行中键入:
>launch set.txt
而set.txt中的内容为:
C:\\WINDOWS\\SYSTEM32\\CALC.EXE
C:\\WINDOWS\\SYSTEM32\\NOTEPAD.EXE NEW.TXT
C:\\WINDOWS\\SYSTEM32\\CHARMAP.EXE
路径的前半部分为”C:\\WINDOWS\\”,这当然要视你的Windows系统的类型以及系统盘的存放位置而定。如果是NT或2000的机器，则应使用WINNT.
/*测试程序1:
示例如何使用进程的launch程序，通过在命令行中加载相应的命令文件，去按照命令文件中指定的程序路径打开相应的程序去执行*/
#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#define MAX_LINE_LEN 80
int main(int argc,char* argv[])
{
//local variables
FILE* fid;
char cmdLine[MAX_LINE_LEN];
//CreateProcess parameters
LPSECURITY_ATTRIBUTES processA=NULL;//Default
LPSECURITY_ATTRIBUTES threadA=NULL;//Default
BOOL shareRights=TRUE;//Default
DWORD creationMask=CREATE_NEW_CONSOLE;//Window per process.
LPVOID enviroment=NULL;//Default
LPSTR curDir=NULL;//Default
STARTUPINFO startInfo;//Result
PROCESS_INFORMATION procInfo;//Result
//1.Read the command line parameters
if(argc!=2)
{
fprintf(stderr,"Usage:lanch<launch_set_filename>\n");
exit(0);
}
//2.Open a file that coutain a set of commands
fid=fopen(argv[1],"r");
//3.For every command in the launch file
while(fgets(cmdLine,MAX_LINE_LEN,fid)!=NULL)
{
//Read a command from the file
if(cmdLine[strlen(cmdLine)-1]=='\n')
cmdLine[strlen(cmdLine)-1]='\0';//Remove NEWLINE
//Create a new process to execute the command
ZeroMemory(&startInfo,sizeof(startInfo));
startInfo.cb=sizeof(startInfo);
if(!CreateProcess(
NULL,//File name of executable
cmdLine,//command line
processA,//Process inherited security
threadA, //Thread inherited security
shareRights,//Rights propagation
creationMask,//various creation flags
enviroment,//Enviroment variable
curDir, //Child's current directory
&startInfo,
&procInfo
)
)
{
fprintf(stderr,"CreatProcess failed on error %d\n",GetLastError());
ExitProcess(0);
}
}
//Terminate after all commands have finished.
return 0;
}
通过上面这段极其简洁的代码，完成了看似有些难度的任务，让我们充分感受到采用一些高级的编程手段所带来的便捷与高效.
2Windows线程的创建及实验:
2．1使用CreateThread在Windows下创建线程:
在Windows中创建线程可以调用两个函数_beginthreadex和CreateThread两个函数.
这里只介绍后者.
CreateThread函数原型:
HANDLE CreateThread
(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,//pointer to thread security attributes
DWORD dwStackSize,//initial thread stack size, in bytes
LPSECURITY_START_ROUTINE lpStartAddress,//pointer to thread function
LPVOID lpParameter,//argument for new thread
DWORD dwCreationFlags,//creation flags
LPDWORD lpThreadId //pointer to returned thread identifier
)
其中,在本实验阶段比较重要的参数是第三和第四个:
a)第三个参数是一个指向函数的指针，所以应传入的参数应为函数的地址，如&Func的形式.
而这个传入的参数，则必须被声明成为:
DWORD WINAPI threadFunc(LPVOID threadArgu);
的形式.这个函数也就是要执行线程任务的那个函数体实体.这里应注意，传入应使用Func而非&Func。
如：CreateThread(NULL,0,Func,…)
具体原因：我目前认为是系函数前部使用WINAPI所致。
b)第四个参数应是执行线程任务的函数体实体所需要的参数,即上面所举例的函数threadFunc的参数threadArgu,这在WINDOWS中被定义成一个LPVOID的类型，目前我认为，可以把它在功能上看成和void* 类似。
参考:LPVOID的原型:
typedef void far *LPVOID;
所以，当你有自己需要的类型的参数传入时，可以用
typedef struct
{
int firstArgu,
long secArgu,
…
}myType,* pMyType;
将你想要传入的参数装入一个结构体中。
在传入点，使用类似:
pMyType pMyTpeyArgu;
…
CreateThread(NULL,0,threadFunc,pMyTypeArgu,…);
…
在函数threadFunc内部的接收点，可以使用“强行转换”,如:
int intValue=((pMyType)lpvoid)->firstArgu;
long longValue=((pMyType)lpvoid)->secArgu;
… …
2．2线程实验1---创建N个随机线程，所有线程的执行时间均为T秒，观察每个线程的运行状况:
为了使线程的运行趋于随机化,应先使用:
srand((unsigned int)time (NULL));
在每个线程的运行中，每个线程的睡眠时间为:
sleepTime=1000+30*(int)eRandom(50+tNo);
Sleep(sleepTime);
这样，可以使进程的运行趋于随机化.
/*测试程序2：
创建N个随机线程的随机实验.
命令行输入参数:
test threadNo runSecs
*/
#include <windows.h>
#include <math.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#define N 5
#define Type float
static int runFlag=TRUE;
DWORD WINAPI threadWork(LPVOID threadNo);
int parseArgToInt(char* inNumChar);
Type eRandom(int upLimit);
typedef struct
{
int data;
}INTEGER;
void main(int argc,char* argv[])
{
unsigned int runTime;
int i;
int threadNum;
//int N;
SYSTEMTIME now;
WORD stopTimeMinute,stopTimeSecond;
DWORD targetThreadID;
//Get command line argument,N
if(argc!=3)
{
printf("please enter:NThread <ThreadNum> <runTime>\n");
return;
}
threadNum=parseArgToInt(argv[1]);
runTime=parseArgToInt(argv[2]);
//Get the time the threads should run,runtime
//Calculate time to halt
// runTime=60;/*in seconds.*/
GetSystemTime(&now);
printf("mthread:Suite starting aty system time%d,%d,%d\n",now.wHour,now.wMinute,now.wSecond);
stopTimeSecond=(now.wSecond+(WORD)runTime)%60;
stopTimeMinute=now.wMinute+(now.wSecond+(WORD)runTime)/60;
//FOR 1 TO N
INTEGER* tmpInt;
for(i=0;i<threadNum;i++)
{
//CREATE A NEW THREAD TO EXECUTE SIMULATED WORK;
//threadWork(i);
tmpInt=(INTEGER*)malloc(sizeof(INTEGER));
tmpInt->data=i;
CreateThread(NULL,0,threadWork,tmpInt,0,&targetThreadID);
Sleep(100);//Let newly created thread run
}
//Cycle while children work...
while(runFlag)
{
GetSystemTime(&now);
if((now.wMinute>=stopTimeMinute)&&(now.wSecond>=stopTimeSecond))
runFlag=FALSE;
Sleep(1000);
}
Sleep(5000);
printf("Program ends successfully\n");
}
DWORD WINAPI threadWork(LPVOID threadNo)
{
//local variables
double y;
const double x=3.14159;
const double e=2.7183;
int i;
const int napTime=1000;//in milliseconds
const int busyTime=400;
int tNo=((INTEGER*)threadNo)->data;
int sleepTime;
DWORD result=0;
/*randomasize the random num seeds.*/
srand((unsigned int)time (NULL));
while(runFlag)
{
//Parameterized processor burst phase
for(i=0;i<busyTime;i++)
y=pow(x,e);
//Parameterized sleep phase
sleepTime=1000+30*(int)eRandom(50+tNo);
Sleep(sleepTime);
printf("I am thread No.%d,sleep sec:%ds\n",tNo,sleepTime);
}
//Terminate
return result;
}
int parseArgToInt(char* inNumChar)
{
int equipData=0,i=0;
while(inNumChar[i]>='0'&&inNumChar[i]<='9')
{
equipData=10*equipData+(inNumChar[i]-48);
i++;
}
return equipData;
}
Type eRandom(int upLimit)
{
Type tmpData;
do
{
tmpData=((Type)rand()/(Type)32767)*(Type)100.0*(Type)upLimit;
}
while(tmpData>upLimit);
return tmpData;
}
2．3线程实验2---Windows下可创建的线程的数目的测试:
这里使用的是让测试线程睡眠100秒,如果用的是让测试进程进入死循环的方法,则会很快让系统僵掉。
/*测试程序3:
测试在Windows下最多可创建线程的数目.
*/
DWORD WINAPI threadWork(LPVOID threadNo)
{
DWORD result=0;
while(runFlag)
{
Sleep(100000);
}
//Terminate
return result;
}
void main(int argc,char* argv[])
{
int count=0;
DWORD targetThreadID;
while(runFlag)
{
if(CreateThread(NULL,0,threadWork,NULL,0,&targetThreadID)==NULL)
{
runFlag=false;
break;
}
else
count++;
printf("%d ",count);
}
Sleep(5000);
printf("max threads num:%d\n",count);
printf("Program ends successfully\n");
}
在Windows XP下(赛扬800MHZ,256M内存)，在上述方式下，测得可创建的最多的线程数目为2030个.
2．4线程实验3---最简单的一个临界资源的读者，写者程序.
这个程序要实现的是最简单的读者，写者程序，读者将1~10十个数字依次填入临界资源区gData，当且仅当gData被读者消费后，写者才可以写入下一个数.
/*测试程序4:
最简单的一个临界资源的读者，写者程序.
*/
DWORD WINAPI threadReader(LPVOID lpvoid)
{
int reader_Data;
int busyTime=10000;
float tmp;
int i;
while(gRunFlag)
{
while(stateFlag==WRITER_FLAG)
for(i=0;i<busyTime;i++)
tmp=pow(2,10);
reader_Data=gData;
printf("reader gets data:%d\n",gData);
stateFlag=WRITER_FLAG;
}
printf("reader ends\n");
return NULL;
}
DWORD WINAPI threadWriter(LPVOID lpvoid)
{
int upTime=((INTEGER*)lpvoid)->mInt;
int busyTime=10000;
float tmp;
int i;
while(gRunFlag)
{
while(stateFlag==READER_FLAG)
for(i=0;i<busyTime;i++)
tmp=pow(2,10);
gData++;
printf("writer gets data:%d\n",gData);
if(gData==upTime)
gRunFlag=false;
stateFlag=READER_FLAG;
}
printf("writer ends\n");
return NULL;
}
/*Main 中的调用*/
……
CreateThread(NULL,0,threadReader,tmpInt,0,&targetThreadID);
CreateThread(NULL,0,threadWriter,tmpInt,0,&targetThreadID);
……
测试结果: (如图2)
图2
2.5几点说明:
2.5.1主调用程序在结束时使用Sleep(5000)的意图在于:使得由它所产生的子线程可以在主进程结束之前，完成如资源释放一类的工作。
2.5.2在随机线程产生测试程序中:
之所以采用在每个线程内部用
srand((unsigned int)time (NULL));
去初始化每个线程，是为了使得所有的线程拥有自己的随机数种子，否则，如果是在主调用程序中去初始化随机数种子数，则所有的线程得到的随机数序列都是一样的，将无法产生随机效果。
3应用及推广:
采用这种在Windows下利用控制台调用Windows API进行操作系统实验的方法，具有代码简洁，观察效果好与实现目标接近等优点。
另:[1]是一本富于理论和实践相结合的书,值得在操作系统方面进行学习的同学及进行教学的老师参阅。
参考文献:
[1]Gary Nutt,操作系统（第三版）,机械工业出版社,2005.
[2]何炎祥,李飞,李宁,计算机操作系统,清华大学出版社,2002.
完成日:05/01/21
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