四種進(jìn)程或線(xiàn)程同步互斥的控制方法
Linuxmine收集整理 作者：linux寶庫 (http://www.linuxmine.com) 時(shí)間：2006-11-04
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現在流行的進(jìn)程線(xiàn)程同步互斥的控制機制，其實(shí)是由最原始最基本的4種方法實(shí)現的。由這4種方法組合優(yōu)化就有了.Net和Java下靈活多變的，編程簡(jiǎn)便的線(xiàn)程進(jìn)程控制手段。
這4種方法具體定義如下 在《操作系統教程》ISBN 7-5053-6193-7 一書(shū)中可以找到更加詳細的解釋
1臨界區:通過(guò)對多線(xiàn)程的串行化來(lái)訪(fǎng)問(wèn)公共資源或一段代碼，速度快，適合控制數據訪(fǎng)問(wèn)。
2互斥量:為協(xié)調共同對一個(gè)共享資源的單獨訪(fǎng)問(wèn)而設計的。
3信號量:為控制一個(gè)具有有限數量用戶(hù)資源而設計。
4事 件:用來(lái)通知線(xiàn)程有一些事件已發(fā)生，從而啟動(dòng)后繼任務(wù)的開(kāi)始。
臨界區（Critical Section）
保證在某一時(shí)刻只有一個(gè)線(xiàn)程能訪(fǎng)問(wèn)數據的簡(jiǎn)便辦法。在任意時(shí)刻只允許一個(gè)線(xiàn)程對共享資源進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。如果有多個(gè)線(xiàn)程試圖同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)臨界區，那么在有一個(gè)線(xiàn)程進(jìn)入后其他所有試圖訪(fǎng)問(wèn)此臨界區的線(xiàn)程將被掛起，并一直持續到進(jìn)入臨界區的線(xiàn)程離開(kāi)。臨界區在被釋放后，其他線(xiàn)程可以繼續搶占，并以此達到用原子方式操作共享資源的目的。
臨界區包含兩個(gè)操作原語(yǔ)： EnterCriticalSection（） 進(jìn)入臨界區 LeaveCriticalSection（） 離開(kāi)臨界區
EnterCriticalSection（）語(yǔ)句執行后代碼將進(jìn)入臨界區以后無(wú)論發(fā)生什么，必須確保與之匹配的LeaveCriticalSection（）都能夠被執行到。否則臨界區保護的共享資源將永遠不會(huì )被釋放。雖然臨界區同步速度很快，但卻只能用來(lái)同步本進(jìn)程內的線(xiàn)程，而不可用來(lái)同步多個(gè)進(jìn)程中的線(xiàn)程。
MFC提供了很多功能完備的類(lèi)，我用MFC實(shí)現了臨界區。MFC為臨界區提供有一個(gè)CCriticalSection類(lèi)，使用該類(lèi)進(jìn)行線(xiàn)程同步處理是非常簡(jiǎn)單的。只需在線(xiàn)程函數中用CCriticalSection類(lèi)成員函數Lock（）和UnLock（）標定出被保護代碼片段即可。Lock（）后代碼用到的資源自動(dòng)被視為臨界區內的資源被保護。UnLock后別的線(xiàn)程才能訪(fǎng)問(wèn)這些資源。
//CriticalSection
CCriticalSection global_CriticalSection;
// 共享資源
char global_Array[256];
//初始化共享資源
void InitializeArray()
{
for(int i = 0;i<256;i++)
{
global_Array[i]=I;
}
}
//寫(xiě)線(xiàn)程
UINT Global_ThreadWrite(LPVOID pParam)
{
CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
ptr->SetWindowText("");
//進(jìn)入臨界區
global_CriticalSection.Lock();
for(int i = 0;i<256;i++)
{
global_Array[i]=W;
ptr->SetWindowText(global_Array);
Sleep(10);
}
//離開(kāi)臨界區
global_CriticalSection.Unlock();
return 0;
}
//刪除線(xiàn)程
UINT Global_ThreadDelete(LPVOID pParam)
{
CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
ptr->SetWindowText("");
//進(jìn)入臨界區
global_CriticalSection.Lock();
for(int i = 0;i<256;i++)
{
global_Array[i]=D;
ptr->SetWindowText(global_Array);
Sleep(10);
}
//離開(kāi)臨界區
global_CriticalSection.Unlock();
return 0;
}
//創(chuàng )建線(xiàn)程并啟動(dòng)線(xiàn)程
void CCriticalSectionsDlg::OnBnClickedButtonLock()
{
//Start the first Thread
CWinThread *ptrWrite = AfxBeginThread(Global_ThreadWrite,
&m_Write,
THREAD_PRIORITY_NORMAL,
0,
CREATE_SUSPENDED);
ptrWrite->ResumeThread();
//Start the second Thread
CWinThread *ptrDelete = AfxBeginThread(Global_ThreadDelete,
&m_Delete,
THREAD_PRIORITY_NORMAL,
0,
CREATE_SUSPENDED);
ptrDelete->ResumeThread();
}
在測試程序中，Lock UnLock兩個(gè)按鈕分別實(shí)現，在有臨界區保護共享資源的執行狀態(tài)，和沒(méi)有臨界區保護共享資源的執行狀態(tài)。
程序運行結果
互斥量（Mutex）
互斥量跟臨界區很相似，只有擁有互斥對象的線(xiàn)程才具有訪(fǎng)問(wèn)資源的權限，由于互斥對象只有一個(gè)，因此就決定了任何情況下此共享資源都不會(huì )同時(shí)被多個(gè)線(xiàn)程所訪(fǎng)問(wèn)。當前占據資源的線(xiàn)程在任務(wù)處理完后應將擁有的互斥對象交出，以便其他線(xiàn)程在獲得后得以訪(fǎng)問(wèn)資源?；コ饬勘扰R界區復雜。因為使用互斥不僅僅能夠在同一應用程序不同線(xiàn)程中實(shí)現資源的安全共享，而且可以在不同應用程序的線(xiàn)程之間實(shí)現對資源的安全共享。
互斥量包含的幾個(gè)操作原語(yǔ)：
CreateMutex（） 創(chuàng )建一個(gè)互斥量
OpenMutex（） 打開(kāi)一個(gè)互斥量
ReleaseMutex（） 釋放互斥量
WaitForMultipleObjects（） 等待互斥量對象
同樣MFC為互斥量提供有一個(gè)CMutex類(lèi)。使用CMutex類(lèi)實(shí)現互斥量操作非常簡(jiǎn)單，但是要特別注意對CMutex的構造函數的調用
CMutex( BOOL bInitiallyOwn = FALSE, LPCTSTR lpszName = NULL, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsaAttribute = NULL)
不用的參數不能亂填，亂填會(huì )出現一些意想不到的運行結果。
//創(chuàng )建互斥量
CMutex global_Mutex(0,0,0);
// 共享資源
char global_Array[256];
void InitializeArray()
{
for(int i = 0;i<256;i++)
{
global_Array[i]=I;
}
}
UINT Global_ThreadWrite(LPVOID pParam)
{
CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
ptr->SetWindowText("");
global_Mutex.Lock();
for(int i = 0;i<256;i++)
{
global_Array[i]=W;
ptr->SetWindowText(global_Array);
Sleep(10);
}
global_Mutex.Unlock();
return 0;
}
UINT Global_ThreadDelete(LPVOID pParam)
{
CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
ptr->SetWindowText("");
global_Mutex.Lock();
for(int i = 0;i<256;i++)
{
global_Array[i]=D;
ptr->SetWindowText(global_Array);
Sleep(10);
}
global_Mutex.Unlock();
return 0;
}
同樣在測試程序中，Lock UnLock兩個(gè)按鈕分別實(shí)現，在有互斥量保護共享資源的執行狀態(tài)，和沒(méi)有互斥量保護共享資源的執行狀態(tài)。
程序運行結果
信號量（Semaphores）
信號量對象對線(xiàn)程的同步方式與前面幾種方法不同，信號允許多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)使用共享資源，這與操作系統中的PV操作相同。它指出了同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)共享資源的線(xiàn)程最大數目。它允許多個(gè)線(xiàn)程在同一時(shí)刻訪(fǎng)問(wèn)同一資源，但是需要限制在同一時(shí)刻訪(fǎng)問(wèn)此資源的最大線(xiàn)程數目。在用CreateSemaphore（）創(chuàng )建信號量時(shí)即要同時(shí)指出允許的最大資源計數和當前可用資源計數。一般是將當前可用資源計數設置為最大資源計數，每增加一個(gè)線(xiàn)程對共享資源的訪(fǎng)問(wèn)，當前可用資源計數就會(huì )減1，只要當前可用資源計數是大于0的，就可以發(fā)出信號量信號。但是當前可用計數減小到0時(shí)則說(shuō)明當前占用資源的線(xiàn)程數已經(jīng)達到了所允許的最大數目，不能在允許其他線(xiàn)程的進(jìn)入，此時(shí)的信號量信號將無(wú)法發(fā)出。線(xiàn)程在處理完共享資源后，應在離開(kāi)的同時(shí)通過(guò)ReleaseSemaphore（）函數將當前可用資源計數加1。在任何時(shí)候當前可用資源計數決不可能大于最大資源計數。
PV操作及信號量的概念都是由荷蘭科學(xué)家E.W.Dijkstra提出的。信號量S是一個(gè)整數，S大于等于零時(shí)代表可供并發(fā)進(jìn)程使用的資源實(shí)體數，但S小于零時(shí)則表示正在等待使用共享資源的進(jìn)程數。
P操作申請資源：
（1）S減1；
（2）若S減1后仍大于等于零，則進(jìn)程繼續執行；
（3）若S減1后小于零，則該進(jìn)程被阻塞后進(jìn)入與該信號相對應的隊列中，然后轉入進(jìn)程調度。
V操作 釋放資源：
（1）S加1；
（2）若相加結果大于零，則進(jìn)程繼續執行；
（3）若相加結果小于等于零，則從該信號的等待隊列中喚醒一個(gè)等待進(jìn)程，然后再返回原進(jìn)程繼續執行或轉入進(jìn)程調度。
信號量包含的幾個(gè)操作原語(yǔ)：
CreateSemaphore（） 創(chuàng )建一個(gè)信號量
OpenSemaphore（） 打開(kāi)一個(gè)信號量
ReleaseSemaphore（） 釋放信號量
WaitForSingleObject（） 等待信號量
//信號量句柄
HANDLE global_Semephore;
// 共享資源
char global_Array[256];
void InitializeArray()
{
for(int i = 0;i<256;i++)
{
global_Array[i]=I;
}
}
//線(xiàn)程1
UINT Global_ThreadOne(LPVOID pParam)
{
CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
ptr->SetWindowText("");
//等待對共享資源請求被通過(guò) 等于 P操作
WaitForSingleObject(global_Semephore, INFINITE);
for(int i = 0;i<256;i++)
{
global_Array[i]=O;
ptr->SetWindowText(global_Array);
Sleep(10);
}
//釋放共享資源 等于 V操作
ReleaseSemaphore(global_Semephore, 1, NULL);
return 0;
}
UINT Global_ThreadTwo(LPVOID pParam)
{
CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
ptr->SetWindowText("");
WaitForSingleObject(global_Semephore, INFINITE);
for(int i = 0;i<256;i++)
{
global_Array[i]=T;
ptr->SetWindowText(global_Array);
Sleep(10);
}
ReleaseSemaphore(global_Semephore, 1, NULL);
return 0;
}
UINT Global_ThreadThree(LPVOID pParam)
{
CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
ptr->SetWindowText("");
WaitForSingleObject(global_Semephore, INFINITE);
for(int i = 0;i<256;i++)
{
global_Array[i]=H;
ptr->SetWindowText(global_Array);
Sleep(10);
}
ReleaseSemaphore(global_Semephore, 1, NULL);
return 0;
}
void CSemaphoreDlg::OnBnClickedButtonOne()
{
//設置信號量 1 個(gè)資源 1同時(shí)只可以有一個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)
global_Semephore= CreateSemaphore(NULL, 1, 1, NULL);
this->StartThread();
// TODO: Add your control notification handler code here
}
void CSemaphoreDlg::OnBnClickedButtonTwo()
{
//設置信號量 2 個(gè)資源 2 同時(shí)只可以有兩個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)
global_Semephore= CreateSemaphore(NULL, 2, 2, NULL);
this->StartThread();
// TODO: Add your control notification handler code here
}
void CSemaphoreDlg::OnBnClickedButtonThree()
{
//設置信號量 3 個(gè)資源 3 同時(shí)只可以有三個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)
global_Semephore= CreateSemaphore(NULL, 3, 3, NULL);
this->StartThread();
// TODO: Add your control notification handler code here
}
信號量的使用特點(diǎn)使其更適用于對Socket（套接字）程序中線(xiàn)程的同步。例如，網(wǎng)絡(luò )上的HTTP服務(wù)器要對同一時(shí)間內訪(fǎng)問(wèn)同一頁(yè)面的用戶(hù)數加以限制，這時(shí)可以為每一個(gè)用戶(hù)對服務(wù)器的頁(yè)面請求設置一個(gè)線(xiàn)程，而頁(yè)面則是待保護的共享資源，通過(guò)使用信號量對線(xiàn)程的同步作用可以確保在任一時(shí)刻無(wú)論有多少用戶(hù)對某一頁(yè)面進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，只有不大于設定的最大用戶(hù)數目的線(xiàn)程能夠進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，而其他的訪(fǎng)問(wèn)企圖則被掛起，只有在有用戶(hù)退出對此頁(yè)面的訪(fǎng)問(wèn)后才有可能進(jìn)入。
程序運行結果
事件（Event）
事件對象也可以通過(guò)通知操作的方式來(lái)保持線(xiàn)程的同步。并且可以實(shí)現不同進(jìn)程中的線(xiàn)程同步操作。
信號量包含的幾個(gè)操作原語(yǔ)：
CreateEvent（） 創(chuàng )建一個(gè)信號量
OpenEvent（） 打開(kāi)一個(gè)事件
SetEvent（） 回置事件
WaitForSingleObject（） 等待一個(gè)事件
WaitForMultipleObjects（） 等待多個(gè)事件
WaitForMultipleObjects 函數原型：
WaitForMultipleObjects（
IN DWORD nCount, // 等待句柄數
IN CONST HANDLE *lpHandles, //指向句柄數組
IN BOOL bWaitAll, //是否完全等待標志
IN DWORD dwMilliseconds //等待時(shí)間
）
參數nCount指定了要等待的內核對象的數目，存放這些內核對象的數組由lpHandles來(lái)指向。fWaitAll對指定的這nCount個(gè)內核對象的兩種等待方式進(jìn)行了指定，為T(mén)RUE時(shí)當所有對象都被通知時(shí)函數才會(huì )返回，為FALSE則只要其中任何一個(gè)得到通知就可以返回。dwMilliseconds在這里的作用與在WaitForSingleObject（）中的作用是完全一致的。如果等待超時(shí)，函數將返回WAIT_TIMEOUT。
//事件數組
HANDLE global_Events[2];
// 共享資源
char global_Array[256];
void InitializeArray()
{
for(int i = 0;i<256;i++)
{
global_Array[i]=I;
}
}
UINT Global_ThreadOne(LPVOID pParam)
{
CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
ptr->SetWindowText("");
for(int i = 0;i<256;i++)
{
global_Array[i]=O;
ptr->SetWindowText(global_Array);
Sleep(10);
}
//回置事件
SetEvent(global_Events[0]);
return 0;
}
UINT Global_ThreadTwo(LPVOID pParam)
{
CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
ptr->SetWindowText("");
for(int i = 0;i<256;i++)
{
global_Array[i]=T;
ptr->SetWindowText(global_Array);
Sleep(10);
}
//回置事件
SetEvent(global_Events[1]);
return 0;
}
UINT Global_ThreadThree(LPVOID pParam)
{
CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
ptr->SetWindowText("");
//等待兩個(gè)事件都被回置
WaitForMultipleObjects(2, global_Events, true, INFINITE);
for(int i = 0;i<256;i++)
{
global_Array[i]=H;
ptr->SetWindowText(global_Array);
Sleep(10);
}
return 0;
}
void CEventDlg::OnBnClickedButtonStart()
{
for (int i = 0; i < 2; i++)
{
//實(shí)例化事件
global_Events[i]=CreateEvent(NULL,false,false,NULL);
}
CWinThread *ptrOne = AfxBeginThread(Global_ThreadOne,
&m_One,
THREAD_PRIORITY_NORMAL,
0,
CREATE_SUSPENDED);
ptrOne->ResumeThread();
//Start the second Thread
CWinThread *ptrTwo = AfxBeginThread(Global_ThreadTwo,
&m_Two,
THREAD_PRIORITY_NORMAL,
0,
CREATE_SUSPENDED);
ptrTwo->ResumeThread();
//Start the Third Thread
CWinThread *ptrThree = AfxBeginThread(Global_ThreadThree,
&m_Three,
THREAD_PRIORITY_NORMAL,
0,
CREATE_SUSPENDED);
ptrThree->ResumeThread();
// TODO: Add your control notification handler code here
}
事件可以實(shí)現不同進(jìn)程中的線(xiàn)程同步操作，并且可以方便的實(shí)現多個(gè)線(xiàn)程的優(yōu)先比較等待操作，例如寫(xiě)多個(gè)WaitForSingleObject來(lái)代替WaitForMultipleObjects從而使編程更加靈活。
程序運行結果
總結：
1． 互斥量與臨界區的作用非常相似，但互斥量是可以命名的，也就是說(shuō)它可以跨越進(jìn)程使用。所以創(chuàng )建互斥量需要的資源更多，所以如果只為了在進(jìn)程內部是用的話(huà)使用臨界區會(huì )帶來(lái)速度上的優(yōu)勢并能夠減少資源占用量。因為互斥量是跨進(jìn)程的互斥量一旦被創(chuàng )建，就可以通過(guò)名字打開(kāi)它。
2． 互斥量（Mutex），信號燈（Semaphore），事件（Event）都可以被跨越進(jìn)程使用來(lái)進(jìn)行同步數據操作，而其他的對象與數據同步操作無(wú)關(guān)，但對于進(jìn)程和線(xiàn)程來(lái)講，如果進(jìn)程和線(xiàn)程在運行狀態(tài)則為無(wú)信號狀態(tài)，在退出后為有信號狀態(tài)。所以可以使用WaitForSingleObject來(lái)等待進(jìn)程和線(xiàn)程退出。
3． 通過(guò)互斥量可以指定資源被獨占的方式使用，但如果有下面一種情況通過(guò)互斥量就無(wú)法處理，比如現在一位用戶(hù)購買(mǎi)了一份三個(gè)并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)許可的數據庫系統，可以根據用戶(hù)購買(mǎi)的訪(fǎng)問(wèn)許可數量來(lái)決定有多少個(gè)線(xiàn)程/進(jìn)程能同時(shí)進(jìn)行數據庫操作，這時(shí)候如果利用互斥量就沒(méi)有辦法完成這個(gè)要求，信號燈對象可以說(shuō)是一種資源計數器。
