【Windows核心编程学习笔记】线程基础

线程基础

一、概述

由于编程中遇到的诸多问题，这周终于开始下决心学习进程线程编程部分。首先看的是这部分的基础知识，主要是线程的创建和终止以及线程优先级与调度。下面对现在自己所理解的东西简单做一个笔记，以资日后复习回顾。这篇笔记主要简单谈谈以下几个问题：

1.       线程内幕

l  线程的创建和终止

l  线程内核对象

2.       线程的调度与优先级

l  线程调度

l  查看修改上下文Context

l  线程优先级

 

二、线程内幕

虽说是“线程内幕”，也不是很深入的内容，只是相对于自己之前对线程的理解而言又深入了一步。

Ø  线程的创建和终止

尽管Windows所提供的C/C++运行库中也有_beginthreadex()这样的创建线程的函数，但是其实质也只是在调用Windows API的基础上又做了一些优化工作。在Windows下创建线程的实质还是调用CreateThread()函数来实现的。

HANDLE  CreateThread(

PSECURITY_ATTRIBUTES  psa,     //线程的安全属性结构，NULL为使用默认值

DWORD  cbStackSize,           //线程堆栈的大小，0为默认大小

PTHREAD_START_ROUTINE  pfnStartAddress,   //线程函数的地址

PVOID  pvParam,              //线程函数的参数

DWORD  dwCreateFlags,    //创建线程时标志，0表示立即执行，Create_Suspend表示//挂起

PDWORD  pdwThreadID    //新线程的ID，NULL时表示不需要返回该值

);

函数执行成功会返回新线程句柄，这同CreateProcess()不同，它没有PROCESS_INFORMATION结构，不能在参数中返回新进程相关的进程句柄和线程句柄，因而需要作为函数的返回值返回。

终止一个线程一般有以下几种方式：

F  线程函数返回

这是我们最希望发生的情况，因为可以保证所有资源都被正确清理。比如：

1.       线程函数中创建的所有C++对象都通过其析构函数得以执行

2.       操作系统正确释放线程栈使用的内存

3.       操作系统把线程退出代码设为线程函数的返回值

4.       系统递减线程内核对象的使用计数

F  使用ExitThread()结束一个线程

VOID ExitThread(DWORD dwExitCode);

本函数可以终止一个线程，并且导致系统清理该线程使用的所有操作系统资源，如线程栈。但是不会销毁C/C++对象。退出代码可以在参数中进行设置。因此，本函数只能实现上述的2,3,4项。

F  使用TerminateThread()结束线程

可以利用本函数结束另一个线程。参数需要指定线程句柄和退出代码。这个函数要注意两点：

1.       该函数是一个异步函数，即便函数本身已经返回也不代表目标线程已经被成功结束

2.       该函数直接“杀死”了目标线程，目标线程提前没有任何“觉察”，因而所有的线程资源都没有得以释放。即只是实现了上述的3和4项。线程堆栈依旧可以使用，当然这是Microsoft为了使相关的其他线程可以继续使用该线程栈而故意为之的。

F  进程终止时，所有线程都会终止执行。随着进程清理，所有的线程资源也会被系统干净的彻底清理。

Ø  线程内核对象

系统创建一个进程时，会同时创建一个主线程；系统对进程和线程的管理都是通过相应的内核对象实现的。如同进程有进程内核对象和地址空间两个组成部分一样，创建线程时也会有两个工作：

1. 创建一个线程内核对象，操作系统用它来管理线程。系统还用内核对象来存放线程统计信息

2. 在进程地址空间中分配一个线程栈，用户维护线程执行所需的所有函数参数和局部变量

一个线程内核对象的结构大致如下：

 

线程内核对象主要由两个部分组成。上下文(Context)用来存储线程执行状态的一系列CPU寄存器的值，这里面最重要的是堆栈指针SP和指令指针IP，分别指向了线程执行的数据和指令的地址。统计信息部分中需要特别注意的是使用计数一开始就被初始化为了2，如果要完全释放该线程内核对象，除了线程函数正常退出之外，主调线程还需要CloseHandle()一次。

Suspend count计数初始化为1，创建线程时会检查dwCreateFlags参数，只有当参数是CREATE_SUSPEND时才会真正挂起此线程。

 

三、线程的调度与优先级

了解了线程内核对象的大致结构，我们现在来趁热打铁来了解下线程的调度问题。

Ø  线程的调度

Windows系统是一个抢占式多线程操作系统，什么意思呢？我的理解有以下几点：

1. 系统可以在任何时刻停止一个线程而另行调度另一个线程；

2. 调度的依据是各线程的优先级，0~31，依次从高到低优先调用。

我们知道，真正的执行流程是由线程实现的，因而，实质上不存在调度进程的问题，调度的实质对象都是各个线程。一般来说，如果各条件相同，CPU先运行一个线程大约20ms，之后将该线程的Context存入内核对象，从剩余的其他线程中选择一个新线程，载入其Context，再运行大约20ms,之后再次重复轮询线程。这里注意的是各个线程上下文的来回切换。

当然，系统每次只会调度可以调度的线程，有些线程本身是不可调度的。比如被挂起的线程，比如等待某种事件发生的线程。很简单的例子，打开一个记事本程序，不输入任何数据，也不拖动窗口，该线程就会陷入睡眠，等待点击触发。

一般来说，挂起一个线程有两种方法，一种是在CreateThread()时指定CREATE_SUSPEND参数，新线程一旦创建即被挂起；另一种是利用函数

DWORD SuspendThread(HANDLE hThread);  //挂起线程

DWORD ResumeThread(HANDLE hThread);   //恢复线程

两个函数都会返回调用之前线程的挂起计数，只有当计数为0，线程才会执行。多次挂起的线程需要多次恢复。

Windows没有直接提供挂起进程的函数，只是提供了调试器使用的方法来挂起进程。

Ø  查看修改上下文(Context)

Conetext结构在线程的调度切换中起着至关重要的作用，其实质是当时CPU一系列寄存器的值。Windows定义了CONTEXT结构体，主要包含：

CONTEXT_CONTROL：CPU控制寄存器

CONTEXT_INTEGER：CPU整数寄存器

CONTEXT_SEGMENTS：CPU段寄存器

CONTEXT_DEBUG_REGISTERS：CPU调式寄存器

各个部分分别由变量来存放寄存器中相应的数值。Windows同样提供了查看和修改CONETXT的函数

BOOL GetThreadContext(

     HANDLE hThread,

     PCONTEXT  pContext );

BOOL SetThreadContext(

     HANDLE hThread,

     CONST CONTEXT *pContext );

当然，使用这些函数之前，我们需要先定义一个CONTEXT结构，具体使用例子如下：

 

 

//定义CONTEXT结构体

CONTEXT Context;

SuspendThread(hThread);   //需要先挂起目标线程

//获取上下文中控制寄存器的值

Context.ContextFlags = CONTEXT_CONTROL;  //指定CONETXT中包含的寄存器类型

GetThreadContext(hThread, &Context);

//修改寄存器的值

Context.Eip = 0x00010000;

SetThreadContext(hThread, &Context);

//继续线程

ResumeThread(hThread);

Ø  线程优先级

线程的优先级由进程优先级类和线程相对于进程的优先级决定，具体的对应关系在不同的版本中会有所变化。一般来说normal类的进程中的normal线程优先级值为8。系统调度时当然从可调度的线程中从高到低来选择线程。这里需要具体说明几个问题：

1. 优先级的值范围为0～31，但是应用程序最大值是16，至于17～21，27～30是只有内核模式下的设备驱动程序才可以获得的优先级。后面我们会看到360木马防火墙中就存在着优先级为16的最高级应用程序线程。

2. 虽然系统调度依据优先级来选择线程，但是如果优先级较低的线程长期不能得到执行，比如（2～4秒），系统就会认为该线程处于“饥饿”状态，就会临时提高该线程的优先级使得其可以执行一到两次。

3. 实际应用中，我们应当确保优先级高的程序能够快速执行，然后恢复到睡眠或者挂起状态，以保证最大的实时性；而另优先级低的程序在大多时候可以调度执行。

最后，看下360中的线程优先级，说不定会为如何免杀提供些思路