Windows核心编程 第十二章 纤程

第1 2章 纤 程

M i c r o s o f t公司给Wi n d o w s添加了一种纤程，以便能够非常容易地将现有的
U N I X服务器应用程序移植到Wi n d o w s中。U N I X服务器应用程序属于单线程应用程序（由
Wi n d o w s定义） ，但是它能够为多个客户程序提供服务。换句话说，
U N I X应用程序的开发人员已经创建了他们自己的线程结构库，他们能够使用这种线程结构库来仿真纯线程。该线程包能够创建多个堆栈，

保存某些C P U寄存器，并且在它们之间进行切换，以便为客户机请求提供服务。

显然，若要取得最佳的性能，这些 U N I X应用程序必须重新设计，仿真的线程库应该用Wi n d o w s提供的纯线程来替代。然而，这种重新设计需要花费数月甚至更长的时间才能完成，因此许多公司首先将它们现有的
U N I X代码移植到Wi n d o w s中，这样就能够将某些应用软件推向Wi n d o w s市场。

当你将U N I X代码移植到Wi n d o w s中时，一些问题就会因此而产生。尤其是
Wi n d o w s管理线程的内存栈的方法要比简单地分配内存复杂得多。
Wi n d o w s内存栈开始时的物理存储器的容量比较小，然后根据需要逐步扩大。这个过程在第
1 6章“线程的堆栈”中详细介绍。由于结构化异常处理机制的原因，代码的移植就更加复杂了。

为了能够更快和更正确地将它们的代码移植到 Wi n d o w s中，M i c r o s o f t公司在操作系统中添加了纤程。本章将要介绍纤程的概念、负责操作纤程的函数以及如何利用纤程的特性。要记住，如果有设计得更好的使用Wi
n d o w s自身线程的应用程序，那么应该避免使用纤程。

纤程的操作

首先要注意的一个问题是，实现线程的是Wi n d o w s内核。操作系统清楚地知道线程的情况，并且根据M i c r o s o f t定义的算法对线程进行调度。纤程是以用户方式代码来实现的，内核并不知道纤程，并且它们是根据用户定义的算法来调度的。由于你定义了纤程的调度算法，因此，就内核而言，纤程采用非抢占式调度方式。

需要了解的下一个问题是，单线程可以包含一个或多个纤程。就内核而言，线程是抢占调度的，是正在执行的代码。然而，线程每次执行一个纤程的代码 — 你决定究竟执行哪个纤程（随着我们讲解的深入，这些概念将会越来越清楚） 。

当使用纤程时，你必须执行的第一步操作是将现有的线程转换成一个纤程。可以通过调用C o n v e r t T h r e a d To F i b e r函数来执行这项操作：

PVOID ConvertThreadToFiber(PVOID pvParam);

该函数为纤程的执行环境分配相应的内存（约为2 0 0字节） 。该执行环境由下列元素组成：

• 一个用户定义的值，它被初始化为传递给C o n v e r t T h r e a d To F i b e r的p v P a r a m参数的值。

• 结构化异常处理链的头。

• 纤程内存栈的最高和最低地址（当将线程转换成纤程时，这也是线程的内存栈） 。

• CPU寄存器，包括堆栈指针、指令指针和其他。

当对纤程的执行环境进行分配和初始化后，就可以将执行环境的地址与线程关联起来。该线程被转换成一个纤程，而纤程则在该线程上运行。 C o n v e r t T h r e a d To F i b e r函数实际上返回纤程的执行环境的内存地址。虽然必须在晚些时候使用该地址，但是决不应该自己对该执行环境数据进行读写操作，因为必要时纤程函数会为你对该结构的内容进行操作。现在，如果你的纤程（线程）返回或调用E
x i t T h r e a d函数，那么纤程和线程都会终止运行。

除非打算创建更多的纤程以便在同一个线程上运行，否则没有理由将线程转换成纤程。若要创建另一个纤程，该线程（当前正在运行纤程的线程）可以调用 C r e a t e F i b e r函数：

PVOID CreateFiber(

DWORD dwStackSize,

PFIBER_START_POUTINE pfnStartAddress,

PVOID pvParam);

C r e a t e F i b e r首先设法创建一个新内存栈，它的大小由d w S t a c k S i z e参数来指明。通常传递的参数是0，按照默认设置，它创建一个内存栈，其大小可以扩展为
1 M B，不过开始时有两个存储器页面用于该内存栈。如果设定一个非0值，那么就用设定的大小来保存和使用内存栈。接着，C r
e a t e F i b e r函数分配一个新的纤程执行环境结构，并对它进行初始化。该用户定义的值被设置为传递给C r e a t e F i b e r的p v P a r a m参数的值，新内存栈的最高和最低地址被保存，同时，纤程函数的内存地址（作为p
f n S t a r t A d d r e s s参数来传递）也被保存。P f n S t a r t A d d r e s s参数用于设定必须实现的纤程例程的地址，它必须采用下面的原型:

VOID WINAPI FiberFunc(PVOID pvParam);

当纤程被初次调度时，该函数就开始运行，并且将原先传递给 C r e a t e F i b e r的p v P a r a m的值传递给它。可以在这个纤程函数中执行想执行的任何操作。但是该函数的原型规定返回值是V
O I D，这并不是因为返回值没有任何意义，而是因为该函数根本不应该返回。如果纤程确实返回了，那么线程和该线程创建的所有纤程将立即被撤消。

与C o n v e r t T h r e a d To F i b e r函数一样，C r e a t e F i b e r函数也返回纤程运行环境的内存地址。
但是，与C o n v e r t T h r e a d To F i b e r不同的是，这个新纤程并不执行，因为当前运行的纤程仍然在执行。在单个线程上，每次只能运行一个纤程。若要使新纤程能够运行，可以调用
Switch To Fiber函数：

VOID SwitchToFiber(PVOID pvFiberExecutionContext);

Switch To Fiber函数只有一个参数，即
p v F i b e r E x e c u t i o n C o n t e x t，它是上次调用C o n v e r t T h r e a d To F i b e r或C
r e a t e F i b e r函数时返回的纤程的执行环境的内存地址。该内存地址告诉该函数要对哪个纤程进行调度。S w i t c h To F i b e r函数在内部执行下列操作步骤：

1) 它负责将某些当前的C P U寄存器保存在当前运行的纤程执行环境中，包括指令指针寄存器和堆栈指针寄存器。

2) 它将上一次保存在即将运行的纤程的执行环境中的寄存器装入
C P U寄存器。这些寄存器包括堆栈指针寄存器。这样，当线程继续执行时，就可以使用该纤程的内存栈。

3) 它将纤程的执行环境与线程关联起来，线程运行特定的纤程。

4) 它将线程的指令指针设置为已保存的指令指针。线程（纤程）从该纤程上次执行的地方开始继续执行。

S w i t c h To F i b e r函数是纤程获得C P U时间的唯一途径。由于你的代码必须在相应的时间显式调用S w i t c h To
F i b e r函数，因此你对纤程的调度可以实施全面的控制。记住，纤程的调度与线程调度毫不相干。纤程运行所依赖的线程始终都可以由操作系统终止其运行。当线程被调度时，当前选定的纤程开始运行，而其他纤程则不能运行，除非显式调用
S w i t c h To F i b e r函数。若要撤消纤程，可以调用D e l e t e F i b e r函数：

VOID DeleteFiber(PVOID pvFiberExecutionContext);

该函数用于删除p v F i b e r E x e c u t i o n C o n t e x t参数指明的纤程，当然这是纤程的执行环境的地址。该函数能够释放纤程栈使用的内存，然后撤消纤程的执行环境。但是，如果传递了当前与线程相关联的纤程地址，那么该函数就在内部调用
E x i t T h r e a d函数，该线程及其创建的所有纤程全部被撤消。

D e l e t e F i b e r函数通常由一个纤程调用，以便删除另一个纤程。已经删除的纤程的内存栈将被撤消，纤程的执行环境被释放。注意，纤程与线程之间的差别在于，线程通常通过调用E x i t T h r e a d函数将自己撤消。实际上，用一个线程调用
Te r m i n a t e T h r e a d函数来终止另一个线程的运行，是一种不好的方法。如果你确实调用了
Te r m i n a t e T h r e a d函数，系统并不撤消已经终止

运行的线程的内存栈。可以利用纤程的这种能力来删除另一个纤程，后面介绍示例应用程序时将说明这是如何实现的。

为了使操作更加方便，还可以使用另外两个纤程函数。一个线程每次可以执行一个纤程，操作系统始终都知道当前哪个纤程与该线程相关联。如果想要获得当前运行的纤程的执行环境的地址，可以调用G e t C u r r e n t F i b e r函数：

PVOID GetCurrentFiber();

另一个使用非常方便的函数是G e t F i b e r D a t a：

PVOID GetFiberData();

前面讲过，每个纤程的执行环境包含一个用户定义的值。这个值使用作为 C o n v e r t T h r e a dTo F i b e r或C r e a t e F i b e r的p
v P a r a m参数而传递的值进行初始化。该值也可以作为纤程函数的参数来传递。G e t F i b e r D a t a只是查看当前执行的纤程的执行环境，并返回保存的值。

无论G e t C u r r e n t F i b e r还是G e t F i b e r D a t a，运行速度都很快，并且通常是作为内蕴函数(infrinsic
funcfion)来实现的，这意味着编译器能够为这些函数生成内联代码。