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HongMain 的博客

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VC++中进程与多进程管理的方法  

2011-08-06 08:22:44|  分类: Windows |  标签: |举报 |字号 订阅

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  进程

   进程是当前操作系统下一个被加载到内存的、正在运行的应用程序的实例。每一个进程都是由内核对象和地址空间所组成的,内核对象可以让系统在其内存放有关 进程的统计信息并使系统能够以此来管理进程,而地址空间则包括了所有程序模块的代码和数据以及线程堆栈、堆分配空间等动态分配的空间。进程仅仅是一个存 在,是不能独自完成任何操作的,必须拥有至少一个在其环境下运行的线程,并由其负责执行在进程地址空间内的代码。在进程启动的同时即同时启动了一个线程, 该线程被称作主线程或是执行线程,由此线程可以继续创建子线程。如果主线程退出,那么进程也就没有存在的可能了,系统将自动撤消该进程并完成对其地址空间 的释放。

  加载到进程地址空间的每一个可执行文件或动态链接库文件的映象都会被分配一个与之相关联的全局唯一的实例句柄( Hinstance )。该实例句柄实际是一个记录有进程加载位置的基本内存地址。进程的实例句柄在程序入口函数 WinMain ()中通过第一个参数 HINSTANCE hinstExe 传递,其实际值即为进程所使用的基本地址空间的地址。对于 VC++ 链接程序所链接产生的程序,其默认的基本地址空间地址为 0x00400000 ,如没有必要一般不要修改该值。在程序中,可以通过 GetModuleHandle ()函数得到指定模块所使用的基本地址空间。

  子进程的创建

  进程的创建通过 CreateProcess ()函数来实现, CreateProcess ()通过创建一个新的进程及在其地址空间内运行的主线程来启动并运行一个新的程序。具体的,在执行 CreateProcess ()函数时,首先由操作系统负责创建一个进程内核对象,初始化计数为 1 ,并立即为新进程创建一块虚拟地址空间。随后将可执行文件或其他任何必要的动态链接库文件的代码和数据装载到该地址空间中。在创建主线程时,也是首先由系统负责创建一个线程内核对象,并初始化为 1 。最后启动主线程并执行进程的入口函数 WinMain (),完成对进程和执行线程的创建。

   CreateProcess ()函数的原型声明如下:

BOOL CreateProcess(

  LPCTSTR lpApplicationName, // 可执行模块名

  LPTSTR lpCommandLine, // 命令行字符串

  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpProcessAttributes, // 进程的安全属性

  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, // 线程的安全属性

  BOOL bInheritHandles, // 句柄继承标志

  DWORD dwCreationFlags, // 创建标志

  LPVOID lpEnvironment, // 指向新的环境块的指针

  LPCTSTR lpCurrentDirectory, // 指向当前目录名的指针

  LPSTARTUPINFO lpStartupInfo, // 指向启动信息结构的指针

  LPPROCESS_INFORMATION lpProcessInformation // 指向进程信息结构的指针

);

   在程序设计时,某一个具体的功能模块可以通过函数或是线程等不同的形式来实现。对于同一进程而言,这些函数、线程都是存在于同一个地址空间下的,而且在 执行时,大多只对与其相关的一些数据进行处理。如果算法存在某种错误,将有可能破坏与其同处一个地址空间的其他一些重要内容,这将造成比较严重的后果。为 保护地址空间中的内容可以考虑将那些需要对地址空间中的数据进行访问的操作部分放到另外一个进程的地址空间中运行,并且只允许其访问原进程地址空间中的相 关数据。具体的,可在进程中通过 CreateProcess () 函数去创建一个子进程,子进程在全部处理过程中只对父进程地址空间中的相关数据进行访问,从而可以保护父进程地址空间中与当前子进程执行任务无关的全部数 据。对于这种情况,子进程所体现出来的作用同函数和线程比较相似,可以看成是父进程在运行期间的一个过程。为此,需要由父进程来掌握子进程的启动、执行和 退出。下面这段代码即展示了此过程:

// 临时变量

CString sCommandLine;

char cWindowsDirectory[MAX_PATH];

char cCommandLine[MAX_PATH];

DWORD dwExitCode;

PROCESS_INFORMATION pi;

STARTUPINFO si = {sizeof(si)};

// 得到 Windows 目录

GetWindowsDirectory(cWindowsDirectory, MAX_PATH);

// 启动 " 记事本 " 程序的命令行

sCommandLine = CString(cWindowsDirectory) + "\\NotePad.exe";

::strcpy(cCommandLine, sCommandLine);

// 启动 " 记事本 " 作为子进程

BOOL ret = CreateProcess(NULL, cCommandLine, NULL, NULL, FALSE, 0, NULL, NULL, &si, &pi);

if (ret) {

  // 关闭子进程的主线程句柄

  CloseHandle(pi.hThread);

  // 等待子进程的退出

  WaitForSingleObject(pi.hProcess, INFINITE);

  // 获取子进程的退出码

  GetExitCodeProcess(pi.hProcess, &dwExitCode);

  // 关闭子进程句柄

  CloseHandle(pi.hProcess);

}

  此段代码首先通过 CreateProcess ()创建 Windows 自带的 记事本 程序为子进程,子进程启动后父进程通过 WaitForSingleObject ()函数等待其执行的结束,在子进程没有退出前父进程是一直处于阻塞状态的,这里子进程的作用同单线程中的函数类似。一旦子进程退出, WaitForSingleObject ()函数所等待的 pi.hProcess 对象将得到通知,父进程将得以继续,如有必要可以通过 GetExitCodeProcess ()来获取子进程的退出代码。

   相比而言,更多的情况是父进程在启动完子进程后就再不与其进行任何数据交换和通讯,由其创建的子进程的执行成功与否均与父进程无关。许多大型软件在设计 时也多采用了这类思想,将某些功能完全通过独立的应用程序来完成,当需要执行某操作时只要通过主程序启动相应的子进程即可,具体的处理工作均由子进程去完 成。这类子进程的创建过程更为简单,例如对于上面那段代码只需去除对子进程句柄 pi.hProcess 的等待即可:

BOOL ret = CreateProcess(NULL, cCommandLine, NULL, NULL, FALSE, 0, NULL, NULL, &si, &pi);

if (ret) {

  // 关闭子进程的主线程句柄

  CloseHandle(pi.hThread);

  // 关闭子进程句柄

  CloseHandle(pi.hProcess);

}

  可以通过 dwCreationFlags 参数在创建进程时设置子进程的优先级。前面的示例代码在创建子进程时使用的均是默认的优先级,如果要将优先级设置为高,可以修改如下:

BOOL ret = CreateProcess(NULL, cCommandLine, NULL, NULL, FALSE, HIGH_PRIORITY_CLASS, NULL, NULL, &si, &pi);

  如果在进程创建时没有特别设置优先级,可以通过 SetPriorityClass ()函数来动态设定,该函数需要待操作进程的句柄和优先级标识符作为入口参数,函数原型为:

BOOL SetPriorityClass(HANDLE hProcess, DWORD dwPriorityClass);

  对于前面没有设定优先级的例子代码,可以在子进程启动后由父进程来动态改变其优先级设置:

SetPriorityClass(pi.hProcess, HIGH_PRIORITY_CLASS);

  或是由子进程在其启动后自行改变优先级设置,需要注意的是这时进程句柄应设置为子进程自身的句柄,可通过 GetCurrentProcess ()函数来获取:

HANDLE hProcess = GetCurrentProcess();

SetPriorityClass(hProcess, HIGH_PRIORITY_CLASS);

  进程的互斥运行

   正常情况下,一个进程的运行一般是不会影响到其他正在运行的进程的。但是对于某些有特殊要求的如以独占方式使用串行口等硬件设备的程序就要求在其进程运 行期间不允许其他试图使用此端口设备的程序运行的,而且此类程序通常也不允许运行同一个程序的多个实例。这就引出了进程互斥的问题。

   实现进程互斥的核心思想比较简单:进程在启动时首先检查当前系统是否已经存在有此进程的实例,如果没有,进程将成功创建并设置标识实例已经存在的标记。 此后再创建进程时将会通过该标记而知晓其实例已经存在,从而保证进程在系统中只能存在一个实例。具体可以采取内存映射文件、有名事件量、有名互斥量以及全 局共享变量等多种方法来实现。下面就分别对其中具有代表性的有名互斥量和全局共享变量这两种方法进行介绍:

// 创建互斥量

HANDLE m_hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, "Sample07");

// 检查错误代码

if (GetLastError() == ERROR_ALREADY_EXISTS) {

  // 如果已有互斥量存在则释放句柄并复位互斥量

  CloseHandle(m_hMutex);

  m_hMutex = NULL;

  // 程序退出

  return FALSE;

}

  上面这段代码演示了有名互斥量在进程互斥中的用法。代码的核心是 CreateMutex ()对有名互斥量的创建。 CreateMutex ()函数可用来创建一个有名或无名的互斥量对象,其函数原型为:

HANDLE CreateMutex(

  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes, // 指向安全属性的指针

  BOOL bInitialOwner, // 初始化互斥对象的所有者

  LPCTSTR lpName // 指向互斥对象名的指针

);

  如果函数成功执行,将返回一个互斥量对象的句柄。如果在 CreateMutex ()执行前已经存在有相同名字的互斥量,函数将返回这个已经存在互斥量的句柄,并且可以通过 GetLastError ()得到错误代码 ERROR_ALREADY_EXIST 。可见,通过对错误代码 ERROR_ALREADY_EXIST 的检测可以实现 CreateMutex ()对进程的互斥。

  使用全局共享变量的方法则主要是在 MFC 框架程序中通过编译器来实现的。通过 #pragma data_seg 预编译指令创建一个新节,在此节中可用 volatile 关键字定义一个变量,而且必须对其进行初始化。 Volatile 关键字指定了变量可以为外部进程访问。最后,为了使该变量能够在进程互斥过程中发挥作用,还要将其设置为共享变量,同时允许具有读、写访问权限。这可以通过 #pragma comment 预编译指令来通知编译器。下面给出使用了全局变量的进程互斥代码清单:

#pragma data_seg("Shared")

int volatile g_lAppInstance =0;

#pragma data_seg()

#pragma comment(linker,"/section:Shared,RWS")

……

if(++g_lAppInstance>1)

return FALSE;

  此段代码的作用是在进程启动时对全局共享变量 g_nAppInstancd 1 ,如果发现其值大于 1 ,那么就返回 FALSE 以通知进程结束。这里需要特别指出的是,为了使以上两段代码能够真正起到对进程互斥的作用,必须将其放置在应用程序的入口代码处,即应用程序类的初始化实例函数 InitInstance ()的开始处。

  结束进程

   进程只是提供了一段地址空间和内核对象,其运行是通过在其地址空间内的主线程来体现的。当主线程的进入点函数返回时,进程也就随之结束。这种进程的终止 方式是进程的正常退出,进程中的所有线程资源都能够得到正确的清除。除了这种进程的正常推出方式外,有时还需要在程序中通过代码来强制结束本进程或其他进 程的运行。 ExitProcess ()函数即可在进程中的某个线程中使用,并将立即终止本进程的运行。 ExitProcess ()函数原型为:

VOID ExitProcess(UINT uExitCode);

  其参数 uExitCode 为进程设置了退出代码。该函数具有强制性,在执行完毕后进程即已经被结束,因此位于其后的任何代码将不能被执行。虽然 ExitProcess ()函数可以在结束进程的同时通知与其相关联的动态链接库,但是由于它的这种执行的强制性,使得 ExitProcess ()函数在使用上将存在有安全隐患。例如,如果在程序调用 ExitProcess ()函数之前曾用 new 操作符申请过一段内存,那么将会由于 ExitProcess ()函数的强制性而无法通过 delete 操作符将其释放,从而造成内存泄漏。有鉴于 ExitProcess ()函数的强制性和不安全性,在使用时一定要引起注意。

   ExitProcess ()只能强制执行本进程的退出,如果要在一个进程中强制结束其他的进程就要用 TerminateProcess ()来实现。与 ExitProcess ()不同, TerminateProcess ()函数执行后,被终止的进程是不会得到任何关于程序退出的通知的。也就是说,被终止的进程是无法在结束运行前进行退出前的收尾工作的。所以,通常只有在其他任何方法都无法迫使进程退出时才会考虑使用 TerminateProcess ()去强制结束进程的。下面给出 TerminateProcess ()的函数原型:

BOOL TerminateProcess(HANDLE hProcess, UINT uExitCode);

 

  参数 hProcess uExitCode 分别为进程句柄和退出代码。如果被结束的是本进程,可以通过 GetCurrentProcess ()获取到句柄。 TerminateProcess ()是异步执行的,在调用返回后并不能确定被终止进程是否已经真的退出,如果调用 TerminateProcess ()的进程对此细节关心,可以通过 WaitForSingleObject ()来等待进程的真正结束。

  小结

  多进程是多任务管理中的重要内容,文中上述部分对其基本概念和主要的技术如子进程的创建与结束、进程间的互斥运行等做了较详细的介绍。通过本文读者应能对多进程管理有一个初步的认识。

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