Процессы, потоки и задания Windows

Работа операционной системы Windows основана на работе процессов. В этой статье разберём что такое Windows процессы, их свойства, состояния и другое.
Tags:

Процессы

Процесс стоит воспринимать как контейнер с набором ресурсов для выполнения программы. То есть запускаем мы программу, для неё выделяется часть ресурсов компьютера и эта программа работает с этими ресурсами.

Процессы нужны операционной системе для многозадачности, так как программы работают в своих процессах и не мешают друг другу, при этом по очереди обрабатываются процессором.

Windows процессы состоят из следующего:

  • Закрытое виртуальное адресное пространство, то есть выделенная для процесса часть оперативной памяти, которая называется виртуальной.
  • Исполняемая программа выполняя свой код, помещает его в виртуальную память.
  • Список открытых дескрипторов. Процесс может открывать или создавать объекты, например файлы или другие процессы. Эти объекты нумеруются, и их номера называют дескрипторами. Ссылаться на объект по дескриптору быстрее, чем по имени.
  • Контекст безопасности. Сюда входит пользователь процесса, группа, привилегии, сеанс и другое.
  • Идентификатор процесса, то есть его уникальный номер.
  • Программный поток (как минимум один или несколько). Чтобы процесс хоть что-то делал, в нем должен существовать программный поток. Если потока нет, значит что-то пошло не так, возможно процесс не смог корректно завершиться, или стартовать.

У процессов есть еще очень много свойств которые вы можете посмотреть в «Диспетчере задач» или «Process Explorer«.

Процесс может быть в различных состояниях:

  • Выполняется — обычно все фоновые процессы будут в этом состоянии, а если процесс с окошком, то значит что приложение готово принимать данные от пользователя.
  • Приостановлен — означает что все потоки процесса находятся в приостановленном состоянии. Приложения Windows Apps переходят в это состояние при сворачивании окна для экономии ресурсов.
  • Не отвечает — означает что программный поток не проверял свою очередь сообщений более 5 секунд. Поток может быть занят работой и интенсивно загружать процессор, или может ожидать операции ввода/вывода. При этом окно приложения зависает.

В Windows существуют процессы трёх типов:

  • Приложения. Процессы запущенных приложений. У таких приложений есть окно на рабочем столе, которое вы можете свернуть, развернуть или закрыть.
  • Фоновые процессы. Такие процессы работают в фоне и не имеют окна. Некоторые процессы приложений становятся фоновыми, когда вы сворачиваете их в трей.
  • Процессы Windows. Процессы самой операционной системы, например «Диспетчер печати» или «Проводник».

Дерево процессов

В Windows процессы знают только своих родителей, а более древних предков не знают.

Например у нас есть такое дерево процессов:

Процесс_1
|- Процесс_2
  |- Процесс_3

Если мы завершим дерево процессов Процесс_1, то завершатся все процессы. Потому что Процесс_1 знает про Процесс_2, а Процесс_2 знает про Процесс_3.

Если мы вначале завершим Процесс_2, а затем завершаем дерево процессов Процесс_1, то завершится только Процесс_1, так как между Процесс_1 и Процесс_3 не останется связи.

Например, запустите командную строку и выполните команду title parrent чтобы изменить заголовок окна и start cmd чтобы запустить второе окно командной строки:

>title parrent
>start cmd

Измените заголовок второго окна на child и из него запустите программу paint:

>title child
>mspaint

В окне командной строке child введите команду exit, окно закроется а paint продолжит работать.

После этого на рабочем столе останутся два приложения, командная строка parrent и paint. При этом parrent будет являться как бы дедом для paint.

Запустите «Диспетчер задач», на вкладке «Процессы» найдите процесс «Обработчик команд Windows», разверните список и найдите “parrent”. Затем нажмите на нём правой копкой мыши и выберите «Подробно»:

Вы переключитесь на вкладку Подробно с выделенным процессом cmd.exe. Нажмите правой кнопкой по этому процессу и выберите Завершить дерево процессов:

Окно командной строки Parrent завершится а Paint останется работать. Так мы убедились что связи между первым процессом и его внуком нет, если у внука нет непосредственного родителя.

Потоки

На центральном процессоре обрабатываются не сами процессы, а программные потоки. Каждый поток, это код загруженный программой. Программа может работать в одном потоке или создавать несколько. Если программа работает в несколько потоков, то она может выполняться на разных ядрах процессора. Посмотреть на потоки можно с помощью программы Process Explorer.

В колонках видна информация по каждому потоку:

  • TID — идентификатор потока.
  • CPU — загрузка процессора.
  • Cycles Delta — общее количество циклов процессора, которое этот процесс использовал с момента последнего обновления работы Process Explorer. Скорость обновления программы можно настроить, указав например 5 минут.
  • Suspend Count — количество приостановок потока.
  • Service — название службы.
  • Start Address — начальный адрес процедуры, который начинает выполнение нового потока. Выводится в формате:«модуль!функция».

Поток содержит:

  • два стека: для режима ядра и для пользовательского режима;
  • локальную памятью потока (TLS, Thread-Local Storage);
  • уникальный идентификатор потока (TID, Thread ID).

Приложение может создать дополнительный поток, например, когда у приложения есть графический интерфейс, который работает в одном потоке и ожидает от пользователя ввода каких-то данных, а второй поток в это время занимается обработкой других данных.

Изучение активности потока важно, если вам нужно разобраться, почему тот или иной процесс перестал реагировать, а в процессе выполняется большое число потоков. Потоков может быть много в следующих процессах:

  • svchost.exe — главный процесс для служб Windows.
  • dllhost.exe — отвечает за обработку приложений, использующих динамически подключаемые библиотеки. Также отвечает за COM и .NET. И ещё управляет процессами IIS.
  • lsass.exe — отвечает за авторизацию локальных пользователей, без него вход в систему для локальных пользователей будет невозможен.

Волокна и планирование пользовательского режима

Потоки выполняются на процессоре, а за их переключение отвечает планировщик ядра. В связи с тем что такое переключение это затратная операция. В Windows придумали два механизма для сокращения таких затрат: волокна (fibers) и планирование пользовательского режима (UMS, User Mode Scheduling).

Во-первых, поток с помощью специальной функции может превратится в волокно, затем это волокно может породить другие волокна, таким образом образуется группа волокон. Волокна не видимы для ядра и не обращаются к планировщику. Вместо этого они сами договариваются в какой последовательности они будут обращаться к процессору. Но волокна плохо реализованы в Windows, большинство библиотек ничего не знает о существовании волокон. Поэтому волокна могут обрабатываться как потоки и начнутся различные сбои в программе если она использует такие библиотеки.

Потоки UMS (User Mode Scheduling), доступные только в 64-разрядных версиях Windows, предоставляют все основные преимущества волокон при минимуме их недостатков. Потоки UMS обладают собственным состоянием ядра, поэтому они «видимы» для ядра, что позволяет нескольким потокам UMS совместно использовать процессор и конкурировать за него.

Работает это следующим образом:

  • Когда двум и более потокам UMS требуется выполнить работу в пользовательском режиме, они сами могут периодически уступать управление другому потоку в пользовательском режиме, не обращаясь к планировщику. Ядро при этом думает что продолжает работать один поток.
  • Когда потоку UMS все таки нужно обратиться к ядру, он переключается на специально выделенный поток режима ядра.

Задания

Задания (Job) позволяют объединить несколько процессов в одну группу. Затем можно этой группой управлять:

  • устанавливать лимиты (на память или процессорное время) для группы процессов входящих в задание;
  • останавливать, приостанавливать, запускать такую группу процессов.

Посмотреть на задания можно с помощью Process Explorer. Можно выделить процессы, управляемые заданиями. Чтобы включить такое выделение откройте меню «Options» и выберите команду «Configure Colors», далее поставьте галочку «Jobs»:

Более того, страницы свойств таких процессов содержат дополнительную вкладку Job с информацией о самом объекте задания. Например приложение Skype работает со своими процессами как за заданием:

Если понравилась статья, подпишись на мой канал в  VK  или  Telegram .