Windows CE 進程、線程和記憶體管理（一）

進程、線程、記憶體管理是一個核心最基本的服務，也是一個核心最主要的組成部分。這幾方面的知識是一個軟體開發人員必須掌握的基礎知識。雖然一個人不懂這些知識也能編寫簡單的程式，但這樣的程式只能算是皮毛。掌握了進程、線程和記憶體管理方面的知識，就能夠充分利用作業系統核心提供的服務，提高你編寫的軟體的執行效率、更節省資源、更健壯。順便說一下，在Windows CE.net下可以運行用Visual Studio.net開發的.net平台上啟動並執行軟體，但這樣的軟體是最上層的軟體，離作業系統核心太遠了。不但執行效率相對較低，而且還要把.net 架構加到核心中。所以在大多數情況下，EVC仍然是第一選擇。

圖一 CE核心結構

一、進程和線程

1、概念：
　　Windows CE.NET是一個搶佔多任務作業系統，搶佔多任務又被稱為調度。在調度過程中，核心的調度系統包含一個當前所有進程中線程的優先順序列表，並對所有的線程按優先順序排列順序。當中斷髮生時，調度系統重新安排所有線程的排列順序。
　　一個進程是一個正啟動並執行應用程式的執行個體。它由兩個部分組成：一個是作業系統用來管理這個進程的核心對象。另一個是這個進程擁有的地址空間。這個地址空間包含應用程式的程式碼片段、待用資料段、堆、棧，非XIP（Execute In Place）DLL。從執行角度方面看，一個進程由一個或多個線程組成。一個線程是一個執行單元，它控制CPU執行進程中某一段程式碼片段。一個線程可以訪問這個進程中所有的地址空間和資源。一個進程最少包括一個線程來執行代碼，這個線程又叫做主線程。

2、進程：
　　Windows CE.NET最多支援32個進程同時運行。這是由整個系統分配給所有進程的總地址空間決定的。低於Windows CE 4.0版本（也就是低於.NET的版本）的CE作業系統，總進程空間從0x0000 0000到0x4200 0000 ，每32MB地址空間為一個槽（Slot），共33個槽。當一個進程啟動時，核心選擇一個沒有被佔用的槽作為這個進程的地址空間。其中0x0000 0000到0x01FF FFFF這個槽稱為Slot 0。每個進程在即將得到CPU控制權時，將整個地址映射到Slot 0。這個進程在協助文檔中稱為當前運行進程（currently running process）。分配一個槽後，核心在這個槽內按由低地址到高地址順序為程式碼片段、待用資料段分配足夠的地址空間，然後是堆、棧，棧之後的空間為所有 DLL保留，包括XIP和非XIP DLL。注意Slot 0最底部64KB是永遠保留的。從Slot 1 到 Slot32 為進程使用。前幾個槽一般為系統程式使用。如filesys.exe、device.exe、gwes.exe等。
　　Windows CE.NET與低版本作業系統略有不同。這一點是從MSDN 的"Technical Articles"和"Knowledge Base"的文章中找到的，這的確讓我費了一番功夫。在Windows CE.NET的協助檔案中只能找到和早期版本相同的說法，而"Technical Articles"和"Knowledge Base"中有幾篇文章清楚的說明了Windows CE.NET 和低版本作業系統的不同。在低版本作業系統中，的確如上所說分為33個槽，Slot 0用於當前運行進程，共支援32個進程同時運行。而且所有DLL都載入到進程的地址空間。但Windows CE.NET下 Slot 1也用於當前進程（Slot 1隻用於載入所有XIP DLL）。那麼一個進程就不是佔有32MB地址空間了，而是64MB。在講解記憶體管理時我會具體講解。
建立一個進程的API函數如下：

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不支援安全性、目前的目錄、繼承性，所以這個函數很多參數都必須設為0或FALSE。具體第3、4、7、8、9設為0，第5設為FALSE。第1參數為應用程式名稱，這個參數不能為NULL。如果只傳遞應用程式名稱而沒有指定路徑，那麼系統將先搜尋\Windows目錄，接著搜尋OEM指定的搜尋路徑。第2參數用於傳遞啟動參數，必須為UNICODE碼。第6參數為建立標誌。可以為0（建立一個常規進程）、CREATE_SUSPENDED（啟動後掛起）、DEBUG_PROCESS（用於建立這個進程的父進程調試用）、DEBUG_ONLY_THIS_PROCESS（不調試子進程）、CREATE_NEW_CONSOLE（控制台進程）。第10參數傳遞給它一個PROCESS_INFORMATION結構變數的地址。返回進程和主線程的控制代碼和ID。
　　終止一個進程最好是由WinMain函數返回。在主線程中調用ExitThread函數也可以。在當前進程終止另一個進程使用TerminateProcess函數。CE下的TerminateProcess函數要比其他Windows下TerminateProcess函數功能強大。CE下的TerminateProcess函數在使進程退出時，會通知每個載入的DLL並做出進程退出時該做的所有處理工作。

3、線程：
　　線程除了能夠訪問進程的資源外，每個線程還擁有自己的棧。棧的大小是可以調整的，最小為1KB或4KB（也就是一個記憶體頁。記憶體頁的大小取決於CPU），一般預設為64KB，但棧頂端永遠保留2KB為防止溢出。如果要改變棧初始時大小，在EVC"Project"－"Settings"－"Link"連結選項"/STACK"後的參數中指定大小。其中參數1為預設大小，參數2為一個記憶體頁大小，都用十六進位表示。如果將棧的初始值設定太小，很容易導致系統訪問非法並立即終止進程。
　　線程有五中狀態，分別為運行、掛起、睡眠、阻塞、終止。當所有線程全部處於阻塞狀態時，核心處於空閑模式（Idle mode），這時對CPU的電力供應將減小。
建立一個線程的API函數如下：

HANDLE  CreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTES  lpThreadAttributes,DWORD  dwStackSize,LPTHREAD_START_ROUTINE  lpStartAddress,LPVOID  lpParameter,DWORD  dwCreationFlags,LPDWORD  lpThreadId );      

Windows CE.NET 不支援安全性所以參數1必須設定為0。如果參數5為STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION，那麼參數2可以指定棧的大小，核心將按照參數2的數值來為此線程擁有的棧保留地址空間。如果參數5不為STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION，那麼參數2必須設定為0。參數3為執行路徑的首地址，也就是函數的地址。參數4用來向線程中傳遞一個參數。參數5除了上面說明外，還可以為0、CREATE_SUSPENDED。CREATE_SUSPENDED表示這個線程在建立後一直處於掛起狀態，直到用ResumeThread函數來恢複。最後一個參數儲存函數返回的建立的線程ID。
　　退出一個線程同退出一個進程有類似的方法。最好是由函數返回，線上程中調用ExitThead函數也可以。在當前線程中終止另一個線程使用TerminateThread函數。此函數在使一個線程退出時，會通知這個線程載入的所有DLL。這樣DLL就可以做結束工作了。
　　Windows CE.NET不像其他Windows作業系統將進程分為不同的優先順序類，Windows CE.NET只將線程分為256個優先順序。0優先順序最高，255最低，0到248優先順序屬於即時性優先順序。0到247優先順序一般分配給即時性應用程式、驅動程式、系統程式。249到255優先順序中，251優先順序（THREAD_PRIORITY_NORMAL）是正常優先順序。255優先順序（THREAD_PRIORITY_IDLE）為空白閑優先順序。249優先順序（THREAD_PRIORITY_HIGHEST）是高優先順序。248到255優先順序一般分配給普通應用程式線程使用。具體分段見下表：
　

優先順序範圍	指派至
0-96	高於驅動程式的程式
97-152	基於Windows CE的驅動程式
153-247	低於驅動程式的程式
248-255	普通的應用程式

　　Windows CE.NET作業系統具有即時性，所以調度系統必須保證高優先順序線程先運行，低優先順序線程在高優先順序線程終止後或者阻塞時才能得到CPU時間片。而且一旦發生中斷，核心會暫停低優先順序線程的運行，讓高優先順序線程繼續運行，直到終止或者阻塞。具有相同優先順序的線程平均佔有CPU時間片，當一個線程使用完了CPU時間片或在時間片內阻塞、睡眠，那麼其他相同優先順序的線程會佔有時間片。這裡提到的CPU時間片是指核心限制線程佔有CPU的時間，預設為100ms。OEM可以更改這個值，甚至設定為0。如果為0，當前線程將一直佔有CPU，直到更高優先順序線程要求佔有CPU。這個調度演算法好像是很有效、很完美，但卻存在著一種情況，當這種情況發生時程式會死結。舉例來說：一個應用程式套件組合含兩個線程，線程1是高優先順序，線程2是低優先順序，當線程1運行過程中處於阻塞時，線程2得到時間片，線程2這次進入了一個臨界區，我們都知道臨界區內的資源是不會被其它線程訪問的，當線程2正運行時，線程1已經從阻塞狀態轉變為運行狀態，而這次線程1卻要訪問線程2的資源，這個資源卻被臨界區鎖定，那麼線程1隻能等待，等待線程2從臨界區中運行結束並釋放資源的獨佔權。但是線程2卻永遠不會得到時間片，因為CE保證高優先順序線程會先運行。這時程式就會處於死結狀態。當然系統不會死結，因為還有更高優先順序的線程、驅動程式在運行。對於這種情況，CE採取優先順序轉換的辦法來解決。就是當發生這種情況時，核心將線程2的優先順序提高到線程1的優先順序水平。這樣線程2就可以執行完臨界區代碼了，線程1也就能夠訪問資源了。然後核心再恢複線程2原來的優先順序。
　　掛起一個線程使用SuspendThread函數。參數只有一個――線程的控制代碼。要說明的是如果要掛起的線程正調用一個核心功能，這時執行此函數可能會失敗。需要多次調用此函數直到函數傳回值不為0xFFFFFFFF，說明掛起成功。恢複線程使用ResumeThread函數。參數也只有一個――線程的控制代碼。
　　關於執行緒區域儲存空間和纖程，實際用到的時候非常少，這部分知識可以參考《Windows核心編程》。