第6章：线程调度

优先级（Priorities）

在 Windows 中，每个线程都有一个关联的优先级（Priority），数值范围为 0 到 31，31 为最高优先级。优先级 0 被保留给零页线程（Zero Page Thread），它是内核内存管理器的一部分，用于在系统空闲时将物理内存页清零。因此，用户模式下实际可用的优先级范围是 1 到 31。

在用户模式下，线程的最终优先级由两个因素共同决定：进程的优先级类（Priority Class）（即基本优先级）和线程的相对偏移量。

进程优先级类

Windows 定义了以下进程优先级类：

优先级类	优先级值	API 常量
空闲（Idle）	4	IDLE_PRIORITY_CLASS
低于正常（Below Normal）	6	BELOW_NORMAL_PRIORITY_CLASS
正常（Normal）	8	NORMAL_PRIORITY_CLASS
高于正常（Above Normal）	10	ABOVE_NORMAL_PRIORITY_CLASS
高（High）	13	HIGH_PRIORITY_CLASS
实时（Realtime）	24	REALTIME_PRIORITY_CLASS

需要注意的是，"实时"并不意味着 Windows 是一个实时操作系统（RTOS）——它无法提供实时操作系统所具备的严格延迟和定时保证，因为 Windows 需要与种类繁多的硬件协同工作，且内核本身并非为硬实时场景设计。

使用 CreateProcess 创建进程时可以指定优先级类，如果未指定则默认为"正常"（NORMAL_PRIORITY_CLASS）。

SetPriorityClass 函数用于在进程运行期间更改其优先级类：

BOOL SetPriorityClass(
    HANDLE hProcess,
    DWORD  dwPriorityClass
);

进程句柄需要 PROCESS_SET_INFORMATION 权限。需要注意的是，如果试图将进程设置为"实时"优先级类，调用者必须拥有 SeIncreaseBasePriority 特权；否则最终会被设置为"高"而非"实时"。

GetPriorityClass 用于检索进程当前的优先级类：

DWORD GetPriorityClass(
    HANDLE hProcess
);

该函数仅需 PROCESS_QUERY_LIMITED_INFORMATION 权限。

线程相对优先级

SetThreadPriority 函数用于更改线程的相对优先级。其第二个参数 nPriority 不是绝对值，而是相对于所属进程优先级类的偏移量：

优先级值	含义	效果
THREAD_PRIORITY_IDLE	-15	非实时类降至 1，实时类降至 16
THREAD_PRIORITY_LOWEST	-2	相对优先级类降低 2
THREAD_PRIORITY_BELOW_NORMAL	-1	相对优先级类降低 1
THREAD_PRIORITY_NORMAL	0	设置为进程优先级类值
THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL	1	相对提高 1
THREAD_PRIORITY_HIGHEST	2	相对提高 2
THREAD_PRIORITY_TIME_CRITICAL	15	非实时类提到 15，实时类提到 31

"实时"优先级类与这些偏移量的关系较为特殊——在该优先级类中，线程可以被分配到 16 到 31 之间的任意值。"空闲"（Idle）和"时间关键"（Time Critical）这两个取值被称为"饱和值"（Saturation Values），因为它们会将线程的优先级推到该优先级类允许的极限。

进程优先级类与线程相对优先级组合后的最终结果，就是线程的实际优先级（Actual Priority）。从调度器的角度看，"它并不关心这个数值是如何得来的"——调度器只根据最终的数字做决策。

在调试工具中，你可能会看到两个概念：

• 基本优先级（Base Priority）：线程在没有优先级提升时的优先级
• 动态优先级（Dynamic Priority）：考虑临时提升后的当前优先级。动态优先级才是调度器实际用来做决策的值。

线程处于实时范围内（优先级 16-31）时，其优先级永远不会被操作系统自动提升。这意味着实时线程不受优先级提升机制的影响。

调度基础（Scheduling Basics）

Windows 调度器维护一个就绪队列（Ready Queue），其中包含所有处于就绪状态的线程。大多数线程在大部分时间里处于等待状态（例如等待 I/O 完成、等待内核对象、等待用户输入等），调度器不会考虑这些线程。

单 CPU 调度

在单处理器系统上，Windows 调度器的基本算法如下：

1. 优先级最高的就绪线程获得 CPU 并运行
2. 该线程运行一个时间片（Quantum）
3. 时间片到期后，调度器抢占该线程，线程回到就绪状态
4. 同一优先级的多个线程以循环调度（Round-Robin） 的方式轮流执行

线程进入等待状态的常见原因包括：

• 执行同步 I/O 操作
• 等待一个未发出信号的内核对象（如事件、信号量、互斥体）
• 没有 UI 消息需要处理时的等待
• 主动调用 Sleep 进入睡眠

如果高优先级线程的等待结束，它会**抢占（Preempt）**当前正在运行的低优先级线程。如果被抢占的线程优先级为 16 或更高（即处于实时范围内），当它重新回到就绪状态时，其剩余时间片会被恢复，不会因为抢占而损失 CPU 时间。

关于**饥饿（Starvation）**问题：系统大约每 4 秒会将低优先级线程的优先级临时提升到 15，让它们有机会执行至少一个时间片——这是一种临时优先级提升机制，确保即使是优先级最低的线程也能在繁忙的系统中取得进展。

时间片（The Quantum）

调度器通过定时器来工作，默认每隔 15.625 毫秒触发一次。可以使用 Sysinternals 工具集中的 clockres 工具查看当前的时钟间隔。

客户端机器（如 Windows 家庭版、专业版等）的默认时间片为 2 个时钟周期（约 31.25 毫秒），而服务器机器的默认时间片为 12 个时钟周期（约 187.5 毫秒）。

服务器版本的时间片更长，是为了增加客户端请求在单个时间片内被完全处理的机会，从而减少上下文切换开销，提高吞吐量。

可以通过"性能选项"对话框中的两个选项在短时间片和长时间片之间切换：

• "程序"选项：短时间片（2 个时钟周期），前台进程中的线程获得三倍时间片
• "后台服务"选项：长时间片（12 个时钟周期），无前台时间片拉伸效果

控制时间片长度和前台进程时间片拉伸的是注册表值：

HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\PriorityControl\Win32PrioritySeparation

此外，**作业对象（Job Object）**也可以控制其内部线程的时间片长度（仅适用于使用长固定时间片的系统）。计算公式为：

时间片 = 2 ×（定时器间隔）×（调度类 + 1）

默认的调度类值为 5。最高值（9）会使线程变为非抢占式（无限时间片）。设置大于 5 的值需要 SeIncreaseBasePriority 特权。

处理器组（Processor Groups）

最初的 Windows NT 设计最多支持 32 个处理器（因为处理器掩码使用一个 32 位机器字表示）。64 位 Windows 将这一最大值扩展到 64 个。从 Windows 7 / Server 2008 R2 开始，为了支持超过 64 个处理器的系统，微软引入了**处理器组（Processor Groups）**的概念。每个处理器组最多包含 64 个逻辑处理器。

不同版本的 Windows 支持的处理器总数上限：

• Windows 7 / Server 2008 R2：最多 256 个处理器（4 个组）
• Windows 8 / Server 2012：支持 640 个处理器（10 个组）
• Windows 10 / Server 2016 及更新版本：支持更多处理器

线程是某个处理器组的成员，它只能在当前组内的 64 个处理器之一上被调度执行。进程创建时，系统以循环（Round-Robin）方式将进程分配到处理器组。

父进程可以影响子进程初始处理器组的方式有两种：

1. 使用 INHERIT_PARENT_AFFINITY 标志，让子进程继承父进程的处理器关联设置
2. 使用 PROC_THREAD_ATTRIBUTE_GROUP_AFFINITY 进程属性，在创建时显式指定处理器组

相关 API：

// 获取进程的处理器组关联
BOOL GetProcessGroupAffinity(
    HANDLE  hProcess,
    PUSHORT GroupCount,
    PUSHORT GroupArray
);

// 设置线程的处理器组关联
BOOL SetThreadGroupAffinity(
    HANDLE               hThread,
    const GROUP_AFFINITY *GroupAffinity,
    PGROUP_AFFINITY      PreviousGroupAffinity
);

多处理器调度（Multiprocessor Scheduling）

在多处理器系统上，Windows 仅保证至少一个最高优先级的就绪线程正在运行。调度器的决策变得更加复杂。

亲和力（Affinity）

理想处理器（Ideal Processor）

理想处理器是一种"软关联"（Soft Affinity），它是对调度器的一个提示——在其他条件相同的情况下，调度器会优先将线程调度到其理想处理器上执行。默认情况下，系统以循环方式为线程选择理想处理器。

// 更改线程的理想处理器（编号 0-63）
DWORD SetThreadIdealProcessor(
    HANDLE hThread,
    DWORD  dwIdealProcessor
);
// 返回值是之前的理想处理器编号，出错返回 -1

// 获取当前线程的理想处理器（不改变设置）
DWORD GetThreadIdealProcessor(HANDLE hThread);
// 使用 MAXIMUM_PROCESSORS 常量表示仅查询

对于跨处理器组的场景，使用扩展版本：

BOOL SetThreadIdealProcessorEx(
    HANDLE            hThread,
    PPROCESSOR_NUMBER lpIdealProcessor,
    PPROCESSOR_NUMBER lpPreviousIdealProcessor
);

其中 PROCESSOR_NUMBER 结构体包含 Group（组号）和 Number（组内处理器编号）两个成员。

硬关联（Hard Affinity）

硬关联限制线程或进程能够在哪些处理器上执行。基本规则是：线程不能超出其进程设置的关联范围——即线程的硬关联是进程硬关联的子集。

设置硬关联约束通常不是个好主意。它限制了调度器的自由调度能力，可能减少线程获得的 CPU 时间。但某些特定场景下仍然有用，例如为了优化 CPU 缓存利用率，或者在进行压力测试时隔离 CPU。

SetProcessAffinityMask 设置进程级的硬关联：

BOOL SetProcessAffinityMask(
    HANDLE    hProcess,
    DWORD_PTR dwProcessAffinityMask
);
// 掩码中位为 1 表示允许该处理器

GetProcessAffinityMask 获取进程关联掩码，同时提供系统关联掩码：

BOOL GetProcessAffinityMask(
    HANDLE     hProcess,
    PDWORD_PTR lpProcessAffinityMask,
    PDWORD_PTR lpSystemAffinityMask
);

SetThreadAffinityMask 进一步限制线程的关联范围（但不能超出进程关联）：

DWORD_PTR SetThreadAffinityMask(
    HANDLE    hThread,
    DWORD_PTR dwThreadAffinityMask
);

在超过 64 个处理器的系统上，可使用 SetThreadGroupAffinity 同时更改处理器组和关联掩码。如果更改了组，该组将成为该线程所属进程的默认处理器组。

CPU 集与硬亲和力

**CPU 集（CPU Sets）**是 Windows 10 / Server 2016 新增的功能。CPU 集是对处理器的抽象视图，每个 CPU 集映射到一个逻辑处理器。

GetSystemCpuSetInformation 用于获取系统的 CPU 集信息：

BOOL GetSystemCpuSetInformation(
    PSYSTEM_CPU_SET_INFORMATION  Information,
    ULONG                        BufferLength,
    PULONG                       ReturnedLength,
    HANDLE                       hProcess,
    ULONG                        Flags
);

该函数返回 SYSTEM_CPU_SET_INFORMATION 结构体数组。CPU 集的 ID 从 256（0x100）开始递增。

SetProcessDefaultCpuSets 为进程设置默认的 CPU 集：

BOOL SetProcessDefaultCpuSets(
    HANDLE hProcess,
    const ULONG *CpuSetIds,
    ULONG CpuSetIdCount
);
// 若 CpuSetIds 为 NULL，则移除当前 CPU 集分配

SetThreadSelectedCpuSets 为特定线程选择 CPU 集，这可能与其进程分配的 CPU 集不同：

BOOL SetThreadSelectedCpuSets(
    HANDLE hThread,
    const ULONG *CpuSetIds,
    ULONG CpuSetIdCount
);

这允许一种有趣的用法：让某个线程拥有自己的专用 CPU，而进程中其他线程无法使用该 CPU，从而实现资源隔离。

CPU 集与硬关联冲突

当 CPU 集与硬关联设置同时存在且发生冲突时，硬关联始终优先。如果 CPU 集与硬关联约束相矛盾，CPU 集设置将被忽略。

系统 CPU 集

操作系统本身也有自己的 CPU 集，可以通过 GetSystemCpuSetInformation 来确定系统当前使用哪些 CPU。可以通过原生 API NtSetSystemInformation 调用来更改系统 CPU 集。这项功能在 Windows 10 1703 版本及之后引入的**游戏模式（Game Mode）**中有所应用——游戏模式下，系统 CPU 集会排除一部分处理器，专门用于游戏进程。

修订后的调度算法

多处理器（MP）调度非常复杂——硬关联、理想处理器、CPU 集、功耗考量、游戏模式等各种因素都会影响调度决策。

在早期的多处理器系统中，就绪队列被扩展为每个处理器拥有自己的就绪队列（Per-Processor Ready Queue）。从 Windows 8 / Server 2012 开始，为减少锁竞争，引入了处理器组内的共享就绪队列（Shared Ready Queue），每组最多 4 个处理器共享一个就绪队列。

简化版的调度算法流程如下：

1. 优先尝试使用线程的理想处理器
2. 其次是线程上次运行所在的处理器（利用缓存热度）
3. 如果所有候选处理器都处于忙碌状态，调度器不会抢占某个正在运行低优先级线程的处理器；相反，它会将线程放入其理想处理器的就绪队列中等待

观察调度（Observing Scheduling）

可以使用 性能监视器（Performance Monitor） 来观察线程调度行为。在性能监视器中，选择"线程"类别，添加以下计数器：

• Priority Current：线程当前的动态优先级
• Thread State：线程状态（2 = 运行，1 = 就绪，5 = 等待）

通过 Sysinternals 工具集中的 CPUStress 可以观察硬亲和性的效果：将进程的亲和性限制为单个 CPU 后，可以看到两个线程在该 CPU 上交替处于运行和就绪状态。

对于 CPU 集的观察，需要使用更高级的工具：

• Windows 性能记录器（WPR, Windows Performance Recorder）：录制系统性能事件
• Windows 性能分析器（WPA, Windows Performance Analyzer）：分析录制数据，筛选目标进程后查看线程在哪些 CPU 上运行

通用调度

在介绍了优先级、时间片、多处理器调度等核心概念后，下面总结 Windows 调度器的通用行为模式：

1. 调度器始终优先选择优先级最高的就绪线程运行
2. 同一优先级的线程以循环方式共享 CPU 时间
3. 线程的完整调度周期为：就绪 -> 运行 -> 等待 -> 就绪
4. 高优先级线程会抢占低优先级线程，除非处于实时范围（此时时间片被保留）
5. 系统通过临时优先级提升防止低优先级线程饥饿

硬亲和力（Hard Affinity）

如前文所述，硬亲和力允许将线程或进程限制在特定的处理器子集上运行。关键规则：

• 进程级的硬关联定义了该进程中所有线程可以运行的处理器集合
• 线程级的硬关联可以进一步缩小这个范围，但不能扩大
• 在多核 NUMA 系统上，硬关联可能导致内存访问延迟增加，因为线程可能被迫在远离其内存的处理器上运行

使用场景包括：

• 在特定核心上运行遗留的单线程应用
• 测试和基准测试中的 CPU 隔离
• 实时场景下为关键线程预留专用核心

CPU 集（CPU Sets）

CPU 集是 Windows 10 / Server 2016 引入的更灵活的处理器抽象。与硬关联相比，CPU 集的主要优势在于：

• CPU 集是一个更高层次的抽象，不直接绑定到物理处理器编号
• 系统可以在运行时调整 CPU 集到物理处理器的映射
• CPU 集与硬关联可以共存（虽然冲突时硬关联优先）

CPU 集的典型使用场景：

• 为关键应用保留专用 CPU 资源
• 在虚拟化环境中灵活分配处理器资源
• 与 Windows 游戏模式配合，隔离游戏进程

后台模式（Background Mode）

后台模式（Background Mode）同时降低进程的三个维度的优先级：

• CPU 优先级：降至 4
• 内存优先级：默认值从 5 降低（范围 0-7）
• I/O 优先级：降至较低水平（默认为"正常"）

启用和禁用后台模式：

// 启用后台模式 — 针对当前进程
SetPriorityClass(GetCurrentProcess(), PROCESS_MODE_BACKGROUND_BEGIN);

// 恢复 — 针对当前进程
SetPriorityClass(GetCurrentProcess(), PROCESS_MODE_BACKGROUND_END);

类似地，可以针对单个线程设置后台模式：

// 启用后台模式 — 针对当前线程
SetThreadPriority(GetCurrentThread(), THREAD_MODE_BACKGROUND_BEGIN);

// 恢复 — 针对当前线程
SetThreadPriority(GetCurrentThread(), THREAD_MODE_BACKGROUND_END);

关键约束：这些调用要求句柄指向当前进程或当前线程。这意味着一个线程或进程不能被外部"强制"进入后台模式——它必须自愿进入。这是设计上的考量，防止恶意行为者将其他进程降级。

优先级提升（Priority Boosts）

Windows 调度器会在特定场景下临时提升（Boost）线程的优先级，以改善响应性和公平性。以下是几种常见的优先级提升原因——但编写代码时不应依赖这些行为，因为它们可能在未来的 Windows 版本中被修改或移除。

完成 I/O 操作

当线程发起同步 I/O 操作并阻塞等待时，在操作完成后，设备驱动程序可以提升该线程的优先级。这种提升不是永久性的：线程每运行一个时间片，优先级降低一级，直到回到其基本优先级。

前台进程

活动窗口所属的进程称为前台进程（Foreground Process）。在短时间片系统（"程序"优化模式）中，前台进程的线程在完成对内核对象的等待后，优先级提升 2 级。这一提升同样会随时间衰减——一个时间片后自动撤销。

GUI 线程唤醒

拥有用户界面（窗口）的线程在收到 Windows 消息时，优先级提升 2 级。这确保了 UI 线程能够快速处理用户输入，提供流畅的交互体验。该提升同样在一个时间片后衰减。

避免饥饿

处于就绪状态至少 4 秒的线程，系统会在单个执行时间片内将其优先级大幅跃升至 15 级，之后降回原级别。这确保了即使是优先级最低的线程，在繁忙系统中也能取得进展，不会被无限期饿死。这是 Windows 防止**饥饿（Starvation）**的关键机制。

调度的其他方面

暂停和恢复

可以使用 CREATE_SUSPENDED 标志创建线程，此时线程的**挂起计数（Suspend Count）**为 1，不会立即执行。

SuspendThread 增加线程的挂起计数并暂停其执行：

DWORD SuspendThread(HANDLE hThread);
// 返回值是先前的挂起计数，0xFFFFFFFF 表示失败

挂起计数的最大值为 MAXIMUM_SUSPEND_COUNT（127）。线程可以挂起自身，但不能恢复自身（因为一旦被挂起就无法执行代码来恢复）。

ResumeThread 减少挂起计数：

DWORD ResumeThread(HANDLE hThread);
// 返回值是先前的挂起计数

当挂起计数降为零时，线程变得可以执行。

一般来说，挂起一个线程不是一个好主意——因为你无法确切知道挂起发生在代码执行的哪一点。如果线程恰好持有一个锁或其他同步对象，可能导致死锁。线程有可能正在堆管理器或其他关键系统组件内部执行，挂起它可能产生不可预知的后果。

暂停和恢复进程

Windows API 没有提供直接挂起整个进程的函数。但原生的 NT API 提供了未公开的 NtSuspendProcess 和 NtResumeProcess：

extern "C" NTSTATUS NtSuspendProcess(HANDLE ProcessHandle);
extern "C" NTSTATUS NtResumeProcess(HANDLE ProcessHandle);

使用这些函数需要在项目中链接 ntdll.lib 库。由于这些是未公开的 API，在正式产品代码中使用需谨慎。

睡眠和让步

Sleep 函数使线程进入等待状态约指定的毫秒数：

void Sleep(DWORD dwMilliseconds);
// 值为 0：将时间片剩余部分让给同优先级的其他线程
// 值为 INFINITE：线程永远睡眠（直到被其他机制唤醒）

SwitchToThread 告诉调度器立即调度下一个就绪线程，即使其优先级更低：

BOOL SwitchToThread();
// 成功调度到另一个线程返回 TRUE，否则返回 FALSE

Sleep(0) 和 SwitchToThread 的区别在于：

• Sleep(0) 仅切换到同等或更高优先级的就绪线程
• SwitchToThread 即使只有更低优先级的线程就绪，也会进行切换

总结

本章涵盖了 Windows 线程调度系统的各个方面：

1. 优先级系统：进程优先级类与线程相对优先级共同决定线程的最终调度优先级（0-31）
2. 单 CPU 调度：基于优先级的抢占式调度，配合时间片和循环调度
3. 多处理器考量：理想处理器（软关联）、硬关联、CPU 集，以及它们之间的优先级关系
4. 处理器组：扩展支持超过 64 个处理器的系统
5. 优先级提升机制：I/O 完成、前台进程、GUI 唤醒、饥饿避免等
6. 后台模式：同时降低 CPU、内存和 I/O 优先级
7. 线程控制：暂停/恢复、睡眠/让步等操作

下一章将探讨线程同步——线程如何协调其操作，以及实现协调的各种方式（互斥体、信号量、事件、临界区等）。