Windows事件等待學習筆記（四）—— 事件&信號量&互斥體

• • 要點回顧
  • 事件
  • • 實驗：驗證SignalState
    • • 第一步：編譯并運行以下代碼
      • 第二步：觀察結果
      • 第三步：修改代碼并執行
      • 第四步：觀察結果
      • 第五步：修改代碼并執行
      • 第六步：觀察結果
      • 總結
    • 實驗二：驗證Type
    • • 第一步：編譯并運行以下代碼
      • 第二步：觀察結果
      • 第三步：修改代碼并執行
      • 第四步：觀察結果
      • 解釋說明
    • 分析WaitForSingleObject
  • 信號量
  • 互斥體
  • • 創建互斥體
    • • 分析 WaitForSingleObject
    • 釋放互斥體
    • 解決遺棄問題
    • ApcDisable

要點回顧

線程在進入臨界區之前會調用WaitForSingleObject或者WaitForMultipleObjects

此時如果有信號，線程會從函數中退出并進入臨界區；如果沒有信號那么線程將自己掛入等待鏈表，然后將自己掛入等待網，最后切換線程

其它線程在適當的時候，調用方法修改被等待對象的SingleState，設置為有信號（不同的等待對象，會調用不同的函數），并將等待該對象的其它線程從等待鏈表中摘掉，這樣，當前線程便會在WaitForSingleObject或者WaitForMultipleObjects恢復執行（在哪切換就在哪開始執行），如果符合喚醒條件，此時會修改SignalState的值，并將自己從等待網上摘下來，此時的線程才是真正的喚醒

被等待對象不同，主要差異在以下兩點：

不同的被等待對象，修改SingnalState所調用的函數不同

當前線程一旦被臨時喚醒后，會從原來進入等待狀態的地方繼續執行，不同的等待對象，判斷是否符合激活條件和修改SignalState的具體操作不同

事件

創建事件對象API：CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);

_DISPATCHER_HEADER+0x000 Type //CreateEvent的第二個參數決定了當前事件對象的類型//TRUE：通知類型對象 FALSE：事件同步對象+0x001 Absolute+0x002 Size+0x003 Inserted+0x004 SignalState //CreateEvent的第三個參數決定了這里是否有值+0x008 WaitListHead

實驗：驗證SignalState

第一步：編譯并運行以下代碼

#include <stdio.h> #include <windows.h>HANDLE g_hEvent;DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter) {//當事件變成已通知時WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);printf("Thread執行了!\n");return 0; }int main() {//創建事件//默認安全屬性 對象類型 初始狀態 名字g_hEvent = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);//設置為有信號//SetEvent(g_hEvent);//創建線程::CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, NULL, 0, NULL);getchar();return 0; }

第二步：觀察結果

無任何輸出，g_hEvent句柄處于無信號狀態

第三步：修改代碼并執行

CreateEvent(NULL, FALSE, TRUE, NULL); //第三個參數由FALSE改為TRUE

第四步：觀察結果

第五步：修改代碼并執行

CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL); //第三個參數由TRUE改為FALSE SetEvent(g_hEvent); //新增一行，設置信號量

第六步：觀察結果

總結

CreateEvent函數的第三個參數決定了事件對象一開始是否有信號

CreateEvent函數第三個參數為TRUE時，效果等同于在下一行調用了SetEvent();

實驗二：驗證Type

第一步：編譯并運行以下代碼

#include <stdio.h> #include <windows.h>HANDLE g_hEvent;DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter) {//當事件變成已通知時WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);printf("Thread1執行了!\n");return 0; }DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter) {//當事件變成已通知時WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);printf("Thread2執行了!\n");return 0; }DWORD WINAPI ThreadProc3(LPVOID lpParameter) {//當事件變成已通知時WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);printf("Thread3執行了!\n");return 0; }int main() {//創建事件//默認安全屬性 對象類型 初始狀態 名字g_hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL); HANDLE hThread[3];//創建3個線程hThread[0] = ::CreateThread(NULL, 0, ThreadProc1, NULL, 0, NULL);hThread[1] = ::CreateThread(NULL, 0, ThreadProc2, NULL, 0, NULL);hThread[2] = ::CreateThread(NULL, 0, ThreadProc3, NULL, 0, NULL);//設置事件為已通知SetEvent(g_hEvent);//等待線程結束 銷毀內核對象WaitForMultipleObjects(3, hThread, TRUE, INFINITE);CloseHandle(hThread[0]);CloseHandle(hThread[1]);CloseHandle(hThread[2]);CloseHandle(g_hEvent);getchar();return 0; }

第二步：觀察結果

三個線程都得到了執行

第三步：修改代碼并執行

g_hEvent = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL); //第三個參數由TRUE改為FALSE

第四步：觀察結果

只有Thread1得到了執行

解釋說明

當CreateEvent第二個參數為TRUE，系統將事件對象的Type設置成0，此時對象為通知類型類型

當CreateEvent第二個參數為FALSE，系統將事件對象的Type設置成1，此時對象為事件同步對象

當SetEvent函數將信號值（SignalState）設置為1時，如果對象Type為0，喚醒所有等待該狀態的線程；如果對象Type為1，從鏈表頭找到第一個并喚醒

分析WaitForSingleObject

總結：

當事件對象的Type為0時，WaitForSingleObject函數在處理時并不修改對象的信號量，原來是多少還是多少，因此所有線程都得以執行

當事件對象的Type為1時，WaitForSingleObject函數在處理時對象的信號量清零，因此只有一個線程能夠得到執行

信號量

描述：

在事件中，當一個線程進入臨界區時，其它所有事件都無法進入臨界區

信號量允許多個線程進入臨界區

優點：舉個例子，在生產者與消費者的問題中，若生產者只有三份，那么開五個消費者線程是沒有意義的，信號量的存在正是為了解決這種問題

創建信號量API：

HANDLE CreateSemaphore( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, LONG lInitialCount, //發放信號量的數量LONG lMaximumCount, //信號量發放數量的最大值LPCTSTR lpName);

對應內核結構體：

kd> dt _KSEMAPHORE ntdll!_KSEMAPHORE+0x000 Header : _DISPATCHER_HEADER+0x010 Limit : Int4B //IMaximumCount kd> dt _DISPATCHER_HEADER ntdll!_DISPATCHER_HEADER+0x000 Type : UChar //信號量類型為5+0x001 Absolute : UChar+0x002 Size : UChar+0x003 Inserted : UChar+0x004 SignalState : Int4B //lInitialCount+0x008 WaitListHead : _LIST_ENTRY

釋放信號量API：

ReleaseSemaphore

NtReleaseSemaphore

KeReleaseSemaphore

設置SignalState = SignalState + N（參數）

通過WaitListHead找到所有線程，并從等待鏈表中摘除

互斥體

描述：

互斥體(MUTANT) 與 事件(EVENT) 和 信號量(SEMAPHORE) 一樣，都可以用來進行線程的同步控制

但需要注意的是，這幾個對象都是內核對象，這就意味著，通過這些對象可以進行跨進程的線程同步控制,比如：A進程中的X線程和B進程中的Y線程都可以控制等待對象Z

極端情況：

若B進程的Y線程還沒有來得及調用修改SignalState的函數（如SetEvent），那么等待對象Z將被遺棄，這也就意味著A進程的X線程將永遠等待下去

當遇到這種情況時，事件和信號量可能無法解決，但互斥體可以很好地解決

例：
當構造了一個臨界區一，等待的對象是A，又在臨界區內部構造了一個臨界區二，等待對象為A、B、C三個，當臨界區一執行完自己的功能后，如果等待的對象為事件或者信號量，那么就必須調用相關API將對象設置為有信號，若進入臨界區二前未調用相關API，那么臨界區二將永遠進入等待狀態，這種情況稱為死鎖。
當一個對象需要重復進入臨界區時，若A對象為互斥體，就不會出現死鎖。

結構體：

nt!_KMUTANT+0x000 Header : _DISPATCHER_HEADER+0x010 MutantListEntry : _LIST_ENTRY+0x018 OwnerThread : Ptr32 _KTHREAD+0x01c Abandoned : UChar+0x01d ApcDisable : UChar

MutantListEntry：擁有互斥體線程 (KTHREAD+0x010 MutantListHead)，是個鏈表頭，圈著當前線程所有的互斥體
OwnerThread：正在擁有互斥體的線程
Abandoned：是否已經被放棄不用
ApcDisable：是否禁用內核APC

創建互斥體

函數：

HANDLE CreateMutex( LPSECURITY_ATTRIBUTE SlpMutexAttributes, // 指向安全屬性的指針 BOOL bInitialOwner, // 初始化互斥對象的所有者 LPCTSTR lpName // 指向互斥對象名的指針 );

API調用流：

CreateMutex -> NtCreateMutant(內核函數) -> KeInitializeMutant(內核函數)

初始化MUTANT結構體：

MUTANT.Header.Type=2; MUTANT.Header.SignalState=bInitialOwner ? 0 : 1; MUTANT.OwnerThread=bInitialOwner ? 當前線程 : NULL; MUTANT.Abandoned=0; MUTANT.ApcDisable=0;bInitialOwner==TRUE 將當前互斥體掛入到當前線程的互斥體鏈表 (KTHREAD+0x010 MutantListHead)

分析 WaitForSingleObject

釋放互斥體

API：

BOOL WINAPI ReleaseMutex(HANDLE hMutex);

API執行流：

ReleaseMutex -> NtReleaseMutant -> KeReleaseMutant

正常調用時：

MUTANT.Header.SignalState++;

如果SignalState=1（即退出最外圈臨界區后），說明其他進程可以使用了，將該互斥體從線程鏈表中移除

解決遺棄問題

描述：

當一個進程非正常“死亡時”，系統會調用內核函數MmUnloadSystemImage處理后事
內核函數MmUnloadSystemImage會調用KeReleaseMutant(X, Y, Abandon, Z)，第三個參數用來判斷該互斥體是否被丟棄，正常釋放時值為false，有且只有互斥體有這個待遇

if(Abandon == false) //正常調用 {MUTANT.Header.SignalState++; } else {MUTANT.Header.SignalState == 1;MUTANT.OwnerThread == NULL; }if(MUTANT.Header.SignalState==1) //意外結束MUTANT.OwnerThread == NULL; 從當前線程互斥體鏈表中將當前互斥體移除

ApcDisable

用戶層：Mutant
對應內核函數：NtCreateMutant
ApcDisable=0

內核層：Mutex
對應內核函數：NtCreateMutex
ApcDisable=1

注意：若在三環創建互斥體（Mutant），內核APC仍然可以使用；若通過零環創建互斥體（Mutex），那么當前內核APC是被禁止的

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Windows事件等待学习笔记（四）—— 事件信号量互斥体的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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