簡介

　　線程之間通信的兩個(gè)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(gè)線程的執(zhí)行依賴另一個(gè)線程的消息，當(dāng)它沒有得到另一個(gè)線程的消息時(shí)應(yīng)等待，直到消息到達(dá)時(shí)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(shí)的排它性。當(dāng)有若干個(gè)線程都要使用某一共享資源時(shí)，任何時(shí)刻最多只允許一個(gè)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(shí)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(gè)線程訪問共享資源而不使資源被破壞時(shí)；

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

　　在WIN32中，同步機(jī)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?yàn)檫M(jìn)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(jìn)行線程間同步，實(shí)際上，這是一種應(yīng)該避免的方法，因?yàn)椋?

　　（1）當(dāng)主線程必須使自己與ThreadFunc函數(shù)的完成運(yùn)行實(shí)現(xiàn)同步時(shí)，它并沒有使自己進(jìn)入睡眠狀態(tài)。由于主線程沒有進(jìn)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(shí)間，這就要占用其他線程的寶貴時(shí)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(shí)，就會(huì)發(fā)生globalFlag永遠(yuǎn)不能被賦值為true的情況。因?yàn)樵谶@種情況下，系統(tǒng)決不會(huì)將任何時(shí)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(dòng)設(shè)置：這種對象只可能用程序手動(dòng)設(shè)置，在需要該事件或者事件發(fā)生時(shí)，采用SetEvent及ResetEvent來進(jìn)行設(shè)置。

　　（2）自動(dòng)恢復(fù)：一旦事件發(fā)生并被處理后，自動(dòng)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(dòng)/自動(dòng) 　// TRUE：在WaitForSingleObject后必須手動(dòng)調(diào)用ResetEvent清除信號 　// FALSE：在WaitForSingleObject后，系統(tǒng)自動(dòng)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(jī)制應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

　　（1）如果跨進(jìn)程訪問事件，必須對事件命名，在對事件命名的時(shí)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(dòng)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(jìn)程B可以調(diào)用OpenEvent函數(shù)通過對象的名字獲得進(jìn)程A中event對象的句柄，然后將這個(gè)句柄用于ResetEvent、SetEvent和WaitForMultipleObjects等函數(shù)中。此法可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)進(jìn)程的線程控制另一進(jìn)程中線程的運(yùn)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(jìn)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(jìn)行初始化。該函數(shù)只是設(shè)置了一些成員變量，它的運(yùn)行一般不會(huì)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(gè)線程試圖進(jìn)入一個(gè)未初始化的CRTICAL_SECTION，那么結(jié)果將是很難預(yù)計(jì)的。

　　刪除臨界區(qū)

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

　　進(jìn)入臨界區(qū)

VOID WINAPI EnterCriticalSection( 　LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection 　//指向一個(gè)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(gè)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(diǎn)：

　　（1）每個(gè)共享資源使用一個(gè)CRITICAL_SECTION變量；

　　（2）不要長時(shí)間運(yùn)行關(guān)鍵代碼段，當(dāng)一個(gè)關(guān)鍵代碼段長時(shí)間運(yùn)行時(shí)，其他線程就會(huì)進(jìn)入等待狀態(tài)，這會(huì)降低應(yīng)用程序的運(yùn)行性能；

　　（3）如果需要同時(shí)訪問多個(gè)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(jìn)入臨界區(qū)的線程"掛"了，將無法釋放臨界資源。這個(gè)缺點(diǎn)在Mutex中得到了彌補(bǔ)。

　　互斥

　　互斥量的作用是保證每次只能有一個(gè)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，F(xiàn)ALSE：不占有 　LPCTSTR lpName 　//信號量的名稱 );

　　Mutex是核心對象，可以跨進(jìn)程訪問，下面的代碼給出了從另一進(jìn)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(gè)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(yùn)行速度比關(guān)鍵代碼段要慢；

　　（2） 不同進(jìn)程中的多個(gè)線程能夠訪問單個(gè)互斥對象；

　　（3） 線程在等待訪問資源時(shí)可以設(shè)定一個(gè)超時(shí)值。

　　下圖更詳細(xì)地列出了互斥與臨界區(qū)的不同：


信號量

　　信號量是維護(hù)0到指定最大值之間的同步對象。信號量狀態(tài)在其計(jì)數(shù)大于0時(shí)是有信號的，而其計(jì)數(shù)是0時(shí)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(diǎn)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(fù)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(gè)值時(shí)，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(shí)能夠確保所有其他線程都不在同一時(shí)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(yùn)行ThreadFunc1和ThreadFunc2線程，結(jié)果是不可預(yù)料的，因?yàn)間lobalVar++并不對應(yīng)著一條機(jī)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(gè)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(gè)互鎖函數(shù)的CPU周期通常小于50，不需要進(jìn)行用戶方式與內(nèi)核方式的切換（該切換通常需要運(yùn)行1000個(gè)CPU周期）。

　　互鎖訪問函數(shù)的缺點(diǎn)在于其只能對單一變量進(jìn)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(shí)器

　　可等待定時(shí)器是在某個(gè)時(shí)間或按規(guī)定的間隔時(shí)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(gè)時(shí)間執(zhí)行某個(gè)操作。

　　創(chuàng)建可等待定時(shí)器

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

　　設(shè)置可等待定時(shí)器

　　可等待定時(shí)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(shí)器在何時(shí)被激活：

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

　　取消可等待定時(shí)器

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

　　打開可等待定時(shí)器

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

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

　　實(shí)例

　　下面給出的一個(gè)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(gè)臨界區(qū)"); 　　LeaveCriticalSection(&cs2); 　　LeaveCriticalSection(&cs1); 　　printf("\n線程1釋放兩個(gè)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(gè)臨界區(qū)"); 　　LeaveCriticalSection(&cs1); 　　LeaveCriticalSection(&cs2); 　　printf("\n線程2釋放兩個(gè)臨界區(qū)"); 　　Sleep(20); 　}; }

　　運(yùn)行這個(gè)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(yùn)行不下去。因?yàn)檫@樣的輸出，意味著兩個(gè)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(gè)臨界區(qū)"); 　　LeaveCriticalSection(&cs1); 　　LeaveCriticalSection(&cs2); 　　printf("\n線程2釋放兩個(gè)臨界區(qū)"); 　　Sleep(20); 　}; }

　　再次運(yùn)行程序，死鎖被消除，程序不再擋掉。這是因?yàn)槲覀兏淖兞司€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(jī)制時(shí)，要特別留心死鎖的發(fā)生。