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系，一個線程的執(zhí)行依賴另一個線程的消息,，當它沒有得到另一個線程的消息時應等待,，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，互斥和同步對應著線程間通信發(fā)生的兩種情況：

　　（1）當有多個線程訪問共享資源而不使資源被破壞時,；

　?。?）當一個線程需要將某個任務已經(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：

　?。?）事件(Event);

　　（2）信號量(semaphore);

　?。?）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,，這是一種應該避免的方法，因為： 

　?。?）當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；

　?。?）當主線程的優(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）手動設置：這種對象只可能用程序手動設置,，在需要該事件或者事件發(fā)生時,，采用SetEvent及ResetEvent來進行設置。

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

　　創(chuàng)建事件的函數(shù)原型為：

HANDLE CreateEvent( 　LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes, 　// SECURITY_ATTRIBUTES結(jié)構指針,，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,；

　?。?）事件是否要自動恢復；

　?。?）事件的初始狀態(tài)設置,。

　　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)構體應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)構體進行初始化,。該函數(shù)只是設置了一些成員變量，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); }

　　關于臨界區(qū)的使用，有下列注意點：

　?。?）每個共享資源使用一個CRITICAL_SECTION變量,；

　　（2）不要長時間運行關鍵代碼段,，當一個關鍵代碼段長時間運行時,，其他線程就會進入等待狀態(tài)，這會降低應用程序的運行性能,；

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

　?。?）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)構指針,，可為NULL 　BOOL bInitialOwner,  　//是否占有該互斥量,，TRUE：占有，F(xiàn)ALSE：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?；コ鈱ο蟮男袨樘匦耘c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,，因此這導致mutex與Critical Section的如下不同：

　?。?） 互斥對象的運行速度比關鍵代碼段要慢；

　?。?） 不同進程中的多個線程能夠訪問單個互斥對象；

　?。?） 線程在等待訪問資源時可以設定一個超時值,。

　　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：

　?。?）如果當前資源的數(shù)量大于0,，則信號量有效；

　?。?）如果當前資源數(shù)量是0,，則信號量無效；

　?。?）系統(tǒng)決不允許當前資源的數(shù)量為負值,；

　　（4）當前資源數(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艠说漠斍百Y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)果是不可預料的,，因為globalVar++并不對應著一條機器指令,，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?？?，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。