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编程问答

深入浅出Win32多线程程序设计之线程通信

發(fā)布時間：2023/12/19 编程问答 52 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了深入浅出Win32多线程程序设计之线程通信小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.

簡介

　　線程之間通信的兩個基本問題是互斥和同步。

　　線程同步是指線程之間所具有的一種制約關(guān)系，一個線程的執(zhí)行依賴另一個線程的消息，當(dāng)它沒有得到另一個線程的消息時應(yīng)等待，直到消息到達時才被喚醒。

　　線程互斥是指對于共享的操作系統(tǒng)資源（指的是廣義的"資源"，而不是Windows的.res文件，譬如全局變量就是一種共享資源），在各線程訪問時的排它性。當(dāng)有若干個線程都要使用某一共享資源時，任何時刻最多只允許一個線程去使用，其它要使用該資源的線程必須等待，直到占用資源者釋放該資源。

　　線程互斥是一種特殊的線程同步。

　　實際上，互斥和同步對應(yīng)著線程間通信發(fā)生的兩種情況：

　　（1）當(dāng)有多個線程訪問共享資源而不使資源被破壞時；

　　（2）當(dāng)一個線程需要將某個任務(wù)已經(jīng)完成的情況通知另外一個或多個線程時。

　　在WIN32中，同步機制主要有以下幾種：

　　（1）事件(Event);

　　（2）信號量(semaphore);

　　（3）互斥量(mutex);

　　（4）臨界區(qū)(Critical section)。

　　全局變量

　　因為進程中的所有線程均可以訪問所有的全局變量，因而全局變量成為Win32多線程通信的最簡單方式。例如：

int var; //全局變量
UINT ThreadFunction(LPVOIDpParam)
{
　var = 0;
　while (var < MaxValue)
　{
　　//線程處理
　　::InterlockedIncrement(long*) &var);
　}
　return 0;
}
請看下列程序：
int globalFlag = false;
DWORD WINAPI ThreadFunc(LPVOID n)
{
　Sleep(2000);
　globalFlag = true;

　return 0;
}

int main()
{
　HANDLE hThrd;
　DWORD threadId;

　hThrd = CreateThread(NULL, 0, ThreadFunc, NULL, 0, &threadId);
　if (hThrd)
　{
　　printf("Thread launched\n");
　　CloseHandle(hThrd);
　}

　while (!globalFlag)
　;
　printf("exit\n");
}

　　上述程序中使用全局變量和while循環(huán)查詢進行線程間同步，實際上，這是一種應(yīng)該避免的方法，因為：

　　（1）當(dāng)主線程必須使自己與ThreadFunc函數(shù)的完成運行實現(xiàn)同步時，它并沒有使自己進入睡眠狀態(tài)。由于主線程沒有進入睡眠狀態(tài)，因此操作系統(tǒng)繼續(xù)為它調(diào)度C P U時間，這就要占用其他線程的寶貴時間周期；

　　（2）當(dāng)主線程的優(yōu)先級高于執(zhí)行ThreadFunc函數(shù)的線程時，就會發(fā)生globalFlag永遠不能被賦值為true的情況。因為在這種情況下，系統(tǒng)決不會將任何時間片分配給ThreadFunc線程。

　　事件

　　事件(Event)是WIN32提供的最靈活的線程間同步方式，事件可以處于激發(fā)狀態(tài)(signaled or true)或未激發(fā)狀態(tài)(unsignal or false)。根據(jù)狀態(tài)變遷方式的不同，事件可分為兩類：

　　（1）手動設(shè)置：這種對象只可能用程序手動設(shè)置，在需要該事件或者事件發(fā)生時，采用SetEvent及ResetEvent來進行設(shè)置。

　　（2）自動恢復(fù)：一旦事件發(fā)生并被處理后，自動恢復(fù)到?jīng)]有事件狀態(tài)，不需要再次設(shè)置。

　　創(chuàng)建事件的函數(shù)原型為：

HANDLE CreateEvent(
　LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes,
　// SECURITY_ATTRIBUTES結(jié)構(gòu)指針，可為NULL
　BOOL bManualReset,
　// 手動/自動
　// TRUE：在WaitForSingleObject后必須手動調(diào)用ResetEvent清除信號
　// FALSE：在WaitForSingleObject后，系統(tǒng)自動清除事件信號
　BOOL bInitialState, //初始狀態(tài)
　LPCTSTR lpName //事件的名稱
);

　　使用"事件"機制應(yīng)注意以下事項：

　　（1）如果跨進程訪問事件，必須對事件命名，在對事件命名的時候，要注意不要與系統(tǒng)命名空間中的其它全局命名對象沖突；

　　（2）事件是否要自動恢復(fù)；

　　（3）事件的初始狀態(tài)設(shè)置。

　　由于event對象屬于內(nèi)核對象，故進程B可以調(diào)用OpenEvent函數(shù)通過對象的名字獲得進程A中event對象的句柄，然后將這個句柄用于ResetEvent、SetEvent和WaitForMultipleObjects等函數(shù)中。此法可以實現(xiàn)一個進程的線程控制另一進程中線程的運行，例如：

HANDLE hEvent=OpenEvent(EVENT_ALL_ACCESS,true,"MyEvent");
ResetEvent(hEvent);

臨界區(qū)

　　定義臨界區(qū)變量

CRITICAL_SECTION gCriticalSection;

　　通常情況下，CRITICAL_SECTION結(jié)構(gòu)體應(yīng)該被定義為全局變量，以便于進程中的所有線程方便地按照變量名來引用該結(jié)構(gòu)體。

　　初始化臨界區(qū)

VOID WINAPI InitializeCriticalSection(
　LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection
　//指向程序員定義的CRITICAL_SECTION變量
);

　　該函數(shù)用于對pcs所指的CRITICAL_SECTION結(jié)構(gòu)體進行初始化。該函數(shù)只是設(shè)置了一些成員變量，它的運行一般不會失敗，因此它采用了VOID類型的返回值。該函數(shù)必須在任何線程調(diào)用EnterCriticalSection函數(shù)之前被調(diào)用，如果一個線程試圖進入一個未初始化的CRTICAL_SECTION，那么結(jié)果將是很難預(yù)計的。

　　刪除臨界區(qū)

VOID WINAPI DeleteCriticalSection(
　LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection
　//指向一個不再需要的CRITICAL_SECTION變量
);

　　進入臨界區(qū)

VOID WINAPI EnterCriticalSection(
　LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection
　//指向一個你即將鎖定的CRITICAL_SECTION變量
);

　　離開臨界區(qū)

VOID WINAPI LeaveCriticalSection(
　LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection
　//指向一個你即將離開的CRITICAL_SECTION變量
);

　　使用臨界區(qū)編程的一般方法是：

void UpdateData()
{
　EnterCriticalSection(&gCriticalSection);
　...//do something
　LeaveCriticalSection(&gCriticalSection);
}

　　關(guān)于臨界區(qū)的使用，有下列注意點：

　　（1）每個共享資源使用一個CRITICAL_SECTION變量；

　　（2）不要長時間運行關(guān)鍵代碼段，當(dāng)一個關(guān)鍵代碼段長時間運行時，其他線程就會進入等待狀態(tài)，這會降低應(yīng)用程序的運行性能；

　　（3）如果需要同時訪問多個資源，則可能連續(xù)調(diào)用EnterCriticalSection；

　　（4）Critical Section不是OS核心對象，如果進入臨界區(qū)的線程"掛"了，將無法釋放臨界資源。這個缺點在Mutex中得到了彌補。

　　互斥

　　互斥量的作用是保證每次只能有一個線程獲得互斥量而得以繼續(xù)執(zhí)行，使用CreateMutex函數(shù)創(chuàng)建：

HANDLE CreateMutex(
　LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,
　// 安全屬性結(jié)構(gòu)指針，可為NULL
　BOOL bInitialOwner,
　//是否占有該互斥量，TRUE：占有，FALSE：不占有
　LPCTSTR lpName
　//信號量的名稱
);

　　Mutex是核心對象，可以跨進程訪問，下面的代碼給出了從另一進程訪問命名Mutex的例子：

HANDLE hMutex;
hMutex = OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS, FALSE, L"mutexName");
if (hMutex){
　…
｝
else{
　…
}

　　相關(guān)API：

BOOL WINAPI ReleaseMutex(
　HANDLE hMutex
);

　　使用互斥編程的一般方法是：

void UpdateResource()
{
　WaitForSingleObject(hMutex,…);
　...//do something
　ReleaseMutex(hMutex);
}

　　互斥(mutex)內(nèi)核對象能夠確保線程擁有對單個資源的互斥訪問權(quán)。互斥對象的行為特性與臨界區(qū)相同，但是互斥對象屬于內(nèi)核對象，而臨界區(qū)則屬于用戶方式對象，因此這導(dǎo)致mutex與Critical Section的如下不同：

　　（1）互斥對象的運行速度比關(guān)鍵代碼段要慢；

　　（2）不同進程中的多個線程能夠訪問單個互斥對象；

　　（3）線程在等待訪問資源時可以設(shè)定一個超時值。

　　下圖更詳細地列出了互斥與臨界區(qū)的不同：

信號量

　　信號量是維護0到指定最大值之間的同步對象。信號量狀態(tài)在其計數(shù)大于0時是有信號的，而其計數(shù)是0時是無信號的。信號量對象在控制上可以支持有限數(shù)量共享資源的訪問。

　　信號量的特點和用途可用下列幾句話定義：

　　（1）如果當(dāng)前資源的數(shù)量大于0，則信號量有效；

　　（2）如果當(dāng)前資源數(shù)量是0，則信號量無效；

　　（3）系統(tǒng)決不允許當(dāng)前資源的數(shù)量為負值；

　　（4）當(dāng)前資源數(shù)量決不能大于最大資源數(shù)量。

　　創(chuàng)建信號量

HANDLE CreateSemaphore (
　PSECURITY_ATTRIBUTE psa,
　LONG lInitialCount, //開始時可供使用的資源數(shù)
　LONG lMaximumCount, //最大資源數(shù)
PCTSTR pszName);

　　釋放信號量

　　通過調(diào)用ReleaseSemaphore函數(shù)，線程就能夠?qū)π艠?biāo)的當(dāng)前資源數(shù)量進行遞增，該函數(shù)原型為：

BOOL WINAPI ReleaseSemaphore(
　HANDLE hSemaphore,
　LONG lReleaseCount, //信號量的當(dāng)前資源數(shù)增加lReleaseCount
　LPLONG lpPreviousCount
);

　　打開信號量

　　和其他核心對象一樣，信號量也可以通過名字跨進程訪問，打開信號量的API為：

HANDLE OpenSemaphore (
　DWORD fdwAccess,
　BOOL bInherithandle,
　PCTSTR pszName
);

　　互鎖訪問

　　當(dāng)必須以原子操作方式來修改單個值時，互鎖訪問函數(shù)是相當(dāng)有用的。所謂原子訪問，是指線程在訪問資源時能夠確保所有其他線程都不在同一時間內(nèi)訪問相同的資源。

　　請看下列代碼：

int globalVar = 0;

DWORD WINAPI ThreadFunc1(LPVOID n)
{
　globalVar++;
　return 0;
}
DWORD WINAPI ThreadFunc2(LPVOID n)
{
　globalVar++;
　return 0;
}

　　運行ThreadFunc1和ThreadFunc2線程，結(jié)果是不可預(yù)料的，因為globalVar++并不對應(yīng)著一條機器指令，我們看看globalVar++的反匯編代碼：

00401038 mov eax,[globalVar (0042d3f0)]
0040103D add eax,1
00401040 mov [globalVar (0042d3f0)],eax

　　在"mov eax,[globalVar (0042d3f0)]" 指令與"add eax,1" 指令以及"add eax,1" 指令與"mov [globalVar (0042d3f0)],eax"指令之間都可能發(fā)生線程切換，使得程序的執(zhí)行后globalVar的結(jié)果不能確定。我們可以使用InterlockedExchangeAdd函數(shù)解決這個問題：

int globalVar = 0;

DWORD WINAPI ThreadFunc1(LPVOID n)
{
　InterlockedExchangeAdd(&globalVar,1);
　return 0;
}
DWORD WINAPI ThreadFunc2(LPVOID n)
{
　InterlockedExchangeAdd(&globalVar,1);
　return 0;
}

　　InterlockedExchangeAdd保證對變量globalVar的訪問具有"原子性"。互鎖訪問的控制速度非常快，調(diào)用一個互鎖函數(shù)的CPU周期通常小于50，不需要進行用戶方式與內(nèi)核方式的切換（該切換通常需要運行1000個CPU周期）。

　　互鎖訪問函數(shù)的缺點在于其只能對單一變量進行原子訪問，如果要訪問的資源比較復(fù)雜，仍要使用臨界區(qū)或互斥。

　　可等待定時器

　　可等待定時器是在某個時間或按規(guī)定的間隔時間發(fā)出自己的信號通知的內(nèi)核對象。它們通常用來在某個時間執(zhí)行某個操作。

　　創(chuàng)建可等待定時器

HANDLE CreateWaitableTimer(
　PSECURITY_ATTRISUTES psa,
　BOOL fManualReset,//人工重置或自動重置定時器
PCTSTR pszName);

　　設(shè)置可等待定時器

　　可等待定時器對象在非激活狀態(tài)下被創(chuàng)建，程序員應(yīng)調(diào)用 SetWaitableTimer函數(shù)來界定定時器在何時被激活：

BOOL SetWaitableTimer(
　HANDLE hTimer, //要設(shè)置的定時器
　const LARGE_INTEGER *pDueTime, //指明定時器第一次激活的時間
　LONG lPeriod, //指明此后定時器應(yīng)該間隔多長時間激活一次
　PTIMERAPCROUTINE pfnCompletionRoutine,
　PVOID PvArgToCompletionRoutine,
BOOL fResume);

　　取消可等待定時器

BOOl Cancel WaitableTimer(
　HANDLE hTimer //要取消的定時器
);

　　打開可等待定時器

　　作為一種內(nèi)核對象，WaitableTimer也可以被其他進程以名字打開：

HANDLE OpenWaitableTimer (
　DWORD fdwAccess,
　BOOL bInherithandle,
　PCTSTR pszName
);

　　實例

　　下面給出的一個程序可能發(fā)生死鎖現(xiàn)象：

#include <windows.h>
#include <stdio.h>
CRITICAL_SECTION cs1, cs2;
long WINAPI ThreadFn(long);
main()
{
　long iThreadID;
　InitializeCriticalSection(&cs1);
　InitializeCriticalSection(&cs2);
　CloseHandle(CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadFn, NULL, 0,&iThreadID));
　while (TRUE)
　{
　　EnterCriticalSection(&cs1);
　　printf("\n線程1占用臨界區(qū)1");
　　EnterCriticalSection(&cs2);
　　printf("\n線程1占用臨界區(qū)2");

　　printf("\n線程1占用兩個臨界區(qū)");

　　LeaveCriticalSection(&cs2);
　　LeaveCriticalSection(&cs1);

　　printf("\n線程1釋放兩個臨界區(qū)");
　　Sleep(20);
　};
　return (0);
}

long WINAPI ThreadFn(long lParam)
{
　while (TRUE)
　{
　　EnterCriticalSection(&cs2);
　　printf("\n線程2占用臨界區(qū)2");
　　EnterCriticalSection(&cs1);
　　printf("\n線程2占用臨界區(qū)1");

　　printf("\n線程2占用兩個臨界區(qū)");

　　LeaveCriticalSection(&cs1);
　　LeaveCriticalSection(&cs2);

　　printf("\n線程2釋放兩個臨界區(qū)");
　　Sleep(20);
　};
}

　　運行這個程序，在中途一旦發(fā)生這樣的輸出：

　　線程1占用臨界區(qū)1

　　線程2占用臨界區(qū)2

　　或

　　線程2占用臨界區(qū)2

　　線程1占用臨界區(qū)1

　　或

　　線程1占用臨界區(qū)2

　　線程2占用臨界區(qū)1

　　或

　　線程2占用臨界區(qū)1

　　線程1占用臨界區(qū)2

　　程序就"死"掉了，再也運行不下去。因為這樣的輸出，意味著兩個線程相互等待對方釋放臨界區(qū)，也即出現(xiàn)了死鎖。

　　如果我們將線程2的控制函數(shù)改為：

long WINAPI ThreadFn(long lParam)
{
　while (TRUE)
　{
　　EnterCriticalSection(&cs1);
　　printf("\n線程2占用臨界區(qū)1");
　　EnterCriticalSection(&cs2);
　　printf("\n線程2占用臨界區(qū)2");

　　printf("\n線程2占用兩個臨界區(qū)");

　　LeaveCriticalSection(&cs1);
　　LeaveCriticalSection(&cs2);

　　printf("\n線程2釋放兩個臨界區(qū)");
　　Sleep(20);
　};
}

　　再次運行程序，死鎖被消除，程序不再擋掉。這是因為我們改變了線程2中獲得臨界區(qū)1、2的順序，消除了線程1、2相互等待資源的可能性。

　　由此我們得出結(jié)論，在使用線程間的同步機制時，要特別留心死鎖的發(fā)生。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的深入浅出Win32多线程程序设计之线程通信的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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