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Visual C++線(xiàn)程同步技術(shù)剖析
中國電波傳播研究所 郎銳 yesky
摘要: 多線(xiàn)程同步技術(shù)是計算機軟件開(kāi)發(fā)的重要技術(shù),本文對多線(xiàn)程的各種同步技術(shù)的原理和實(shí)現進(jìn)行了初步探討。
關(guān)鍵詞: VC++6.0; 線(xiàn)程同步;臨界區;事件;互斥;信號量;  正文
使線(xiàn)程同步
在程序中使用多線(xiàn)程時(shí),一般很少有多個(gè)線(xiàn)程能在其生命期內進(jìn)行完全獨立的操作。更多的情況是一些線(xiàn)程進(jìn)行某些處理操作,而其他的線(xiàn)程必須對其處理結果進(jìn)行了解。正常情況下對這種處理結果的了解應當在其處理任務(wù)完成后進(jìn)行。
如果不采取適當的措施,其他線(xiàn)程往往會(huì )在線(xiàn)程處理任務(wù)結束前就去訪(fǎng)問(wèn)處理結果,這就很有可能得到有關(guān)處理結果的錯誤了解。例如,多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)全局變量,如果都是讀取操作,則不會(huì )出現問(wèn)題。如果一個(gè)線(xiàn)程負責改變此變量的值,而其他線(xiàn)程負責同時(shí)讀取變量?jì)热?,則不能保證讀取到的數據是經(jīng)過(guò)寫(xiě)線(xiàn)程修改后的。
為了確保讀線(xiàn)程讀取到的是經(jīng)過(guò)修改的變量,就必須在向變量寫(xiě)入數據時(shí)禁止其他線(xiàn)程對其的任何訪(fǎng)問(wèn),直至賦值過(guò)程結束后再解除對其他線(xiàn)程的訪(fǎng)問(wèn)限制。象這種保證線(xiàn)程能了解其他線(xiàn)程任務(wù)處理結束后的處理結果而采取的保護措施即為線(xiàn)程同步。
線(xiàn)程同步是一個(gè)非常大的話(huà)題,包括方方面面的內容。從大的方面講,線(xiàn)程的同步可分用戶(hù)模式的線(xiàn)程同步和內核對象的線(xiàn)程同步兩大類(lèi)。用戶(hù)模式中線(xiàn)程的同步方法主要有原子訪(fǎng)問(wèn)和臨界區等方法。其特點(diǎn)是同步速度特別快,適合于對線(xiàn)程運行速度有嚴格要求的場(chǎng)合。
內核對象的線(xiàn)程同步則主要由事件、等待定時(shí)器、信號量以及信號燈等內核對象構成。由于這種同步機制使用了內核對象,使用時(shí)必須將線(xiàn)程從用戶(hù)模式切換到內核模式,而這種轉換一般要耗費近千個(gè)CPU周期,因此同步速度較慢,但在適用性上卻要遠優(yōu)于用戶(hù)模式的線(xiàn)程同步方式。
臨界區
臨界區(Critical Section)是一段獨占對某些共享資源訪(fǎng)問(wèn)的代碼,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。
臨界區在使用時(shí)以CRITICAL_SECTION結構對象保護共享資源,并分別用EnterCriticalSection()和LeaveCriticalSection()函數去標識和釋放一個(gè)臨界區。所用到的CRITICAL_SECTION結構對象必須經(jīng)過(guò)InitializeCriticalSection()的初始化后才能使用,而且必須確保所有線(xiàn)程中的任何試圖訪(fǎng)問(wèn)此共享資源的代碼都處在此臨界區的保護之下。否則臨界區將不會(huì )起到應有的作用,共享資源依然有被破壞的可能。
圖1 使用臨界區保持線(xiàn)程同步
下面通過(guò)一段代碼展示了臨界區在保護多線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)的共享資源中的作用。通過(guò)兩個(gè)線(xiàn)程來(lái)分別對全局變量g_cArray[10]進(jìn)行寫(xiě)入操作,用臨界區結構對象g_cs來(lái)保持線(xiàn)程的同步,并在開(kāi)啟線(xiàn)程前對其進(jìn)行初始化。為了使實(shí)驗效果更加明顯,體現出臨界區的作用,在線(xiàn)程函數對共享資源g_cArray[10]的寫(xiě)入時(shí),以Sleep()函數延遲1毫秒,使其他線(xiàn)程同其搶占CPU的可能性增大。如果不使用臨界區對其進(jìn)行保護,則共享資源數據將被破壞(參見(jiàn)圖1(a)所示計算結果),而使用臨界區對線(xiàn)程保持同步后則可以得到正確的結果(參見(jiàn)圖1(b)所示計算結果)。代碼實(shí)現清單附下:
 
// 臨界區結構對象
CRITICAL_SECTION g_cs;
// 共享資源
char g_cArray[10];
UINT ThreadProc10(LPVOID pParam)
{
// 進(jìn)入臨界區
EnterCriticalSection(&g_cs);
// 對共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
g_cArray[i] = ‘a(chǎn)‘;
Sleep(1);
}
// 離開(kāi)臨界區
LeaveCriticalSection(&g_cs);
return 0;
}
UINT ThreadProc11(LPVOID pParam)
{
// 進(jìn)入臨界區
EnterCriticalSection(&g_cs);
// 對共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
g_cArray[10 - i - 1] = ‘b‘;
Sleep(1);
}
// 離開(kāi)臨界區
LeaveCriticalSection(&g_cs);
return 0;
}
……
void CSample08View::OnCriticalSection()
{
// 初始化臨界區
InitializeCriticalSection(&g_cs);
// 啟動(dòng)線(xiàn)程
AfxBeginThread(ThreadProc10, NULL);
AfxBeginThread(ThreadProc11, NULL);
// 等待計算完畢
Sleep(300);
// 報告計算結果
CString sResult = CString(g_cArray);
AfxMessageBox(sResult);
}
在使用臨界區時(shí),一般不允許其運行時(shí)間過(guò)長(cháng),只要進(jìn)入臨界區的線(xiàn)程還沒(méi)有離開(kāi),其他所有試圖進(jìn)入此臨界區的線(xiàn)程都會(huì )被掛起而進(jìn)入到等待狀態(tài),并會(huì )在一定程度上影響。程序的運行性能。尤其需要注意的是不要將等待用戶(hù)輸入或是其他一些外界干預的操作包含到臨界區。如果進(jìn)入了臨界區卻一直沒(méi)有釋放,同樣也會(huì )引起其他線(xiàn)程的長(cháng)時(shí)間等待。換句話(huà)說(shuō),在執行了EnterCriticalSection()語(yǔ)句進(jìn)入臨界區后無(wú)論發(fā)生什么,必須確保與之匹配的LeaveCriticalSection()都能夠被執行到??梢酝ㄟ^(guò)添加結構化異常處理代碼來(lái)確保LeaveCriticalSection()語(yǔ)句的執行。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。對于上述代碼,可通過(guò)CCriticalSection類(lèi)將其改寫(xiě)如下:
// MFC臨界區類(lèi)對象
CCriticalSection g_clsCriticalSection;
// 共享資源
char g_cArray[10];
UINT ThreadProc20(LPVOID pParam)
{
// 進(jìn)入臨界區
g_clsCriticalSection.Lock();
// 對共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
g_cArray[i] = ‘a(chǎn)‘;
Sleep(1);
}
// 離開(kāi)臨界區
g_clsCriticalSection.Unlock();
return 0;
}
UINT ThreadProc21(LPVOID pParam)
{
// 進(jìn)入臨界區
g_clsCriticalSection.Lock();
// 對共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
g_cArray[10 - i - 1] = ‘b‘;
Sleep(1);
}
// 離開(kāi)臨界區
g_clsCriticalSection.Unlock();
return 0;
}
……
void CSample08View::OnCriticalSectionMfc()
{
// 啟動(dòng)線(xiàn)程
AfxBeginThread(ThreadProc20, NULL);
AfxBeginThread(ThreadProc21, NULL);
// 等待計算完畢
Sleep(300);
// 報告計算結果
CString sResult = CString(g_cArray);
AfxMessageBox(sResult);
}
管理事件內核對象
在前面講述線(xiàn)程通信時(shí)曾使用過(guò)事件內核對象來(lái)進(jìn)行線(xiàn)程間的通信,除此之外,事件內核對象也可以通過(guò)通知操作的方式來(lái)保持線(xiàn)程的同步。對于前面那段使用臨界區保持線(xiàn)程同步的代碼可用事件對象的線(xiàn)程同步方法改寫(xiě)如下:
// 事件句柄
HANDLE hEvent = NULL;
// 共享資源
char g_cArray[10];
……
UINT ThreadProc12(LPVOID pParam)
{
// 等待事件置位
WaitForSingleObject(hEvent, INFINITE);
// 對共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
g_cArray[i] = ‘a(chǎn)‘;
Sleep(1);
}
// 處理完成后即將事件對象置位
SetEvent(hEvent);
return 0;
}
UINT ThreadProc13(LPVOID pParam)
{
// 等待事件置位
WaitForSingleObject(hEvent, INFINITE);
// 對共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
g_cArray[10 - i - 1] = ‘b‘;
Sleep(1);
}
// 處理完成后即將事件對象置位
SetEvent(hEvent);
return 0;
}
……
void CSample08View::OnEvent()
{
// 創(chuàng )建事件
hEvent = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);
// 事件置位
SetEvent(hEvent);
// 啟動(dòng)線(xiàn)程
AfxBeginThread(ThreadProc12, NULL);
AfxBeginThread(ThreadProc13, NULL);
// 等待計算完畢
Sleep(300);
// 報告計算結果
CString sResult = CString(g_cArray);
AfxMessageBox(sResult);
}
在創(chuàng )建線(xiàn)程前,首先創(chuàng )建一個(gè)可以自動(dòng)復位的事件內核對象hEvent,而線(xiàn)程函數則通過(guò)WaitForSingleObject()等待函數無(wú)限等待hEvent的置位,只有在事件置位時(shí)WaitForSingleObject()才會(huì )返回,被保護的代碼將得以執行。對于以自動(dòng)復位方式創(chuàng )建的事件對象,在其置位后一被WaitForSingleObject()等待到就會(huì )立即復位,也就是說(shuō)在執行ThreadProc12()中的受保護代碼時(shí),事件對象已經(jīng)是復位狀態(tài)的,這時(shí)即使有ThreadProc13()對CPU的搶占,也會(huì )由于WaitForSingleObject()沒(méi)有hEvent的置位而不能繼續執行,也就沒(méi)有可能破壞受保護的共享資源。在ThreadProc12()中的處理完成后可以通過(guò)SetEvent()對hEvent的置位而允許ThreadProc13()對共享資源g_cArray的處理。這里SetEvent()所起的作用可以看作是對某項特定任務(wù)完成的通知。
使用臨界區只能同步同一進(jìn)程中的線(xiàn)程,而使用事件內核對象則可以對進(jìn)程外的線(xiàn)程進(jìn)行同步,其前提是得到對此事件對象的訪(fǎng)問(wèn)權??梢酝ㄟ^(guò)OpenEvent()函數獲取得到,其函數原型為:
HANDLE OpenEvent(
DWORD dwDesiredAccess, // 訪(fǎng)問(wèn)標志
BOOL bInheritHandle, // 繼承標志
LPCTSTR lpName // 指向事件對象名的指針
);
如果事件對象已創(chuàng )建(在創(chuàng )建事件時(shí)需要指定事件名),函數將返回指定事件的句柄。對于那些在創(chuàng )建事件時(shí)沒(méi)有指定事件名的事件內核對象,可以通過(guò)使用內核對象的繼承性或是調用DuplicateHandle()函數來(lái)調用CreateEvent()以獲得對指定事件對象的訪(fǎng)問(wèn)權。在獲取到訪(fǎng)問(wèn)權后所進(jìn)行的同步操作與在同一個(gè)進(jìn)程中所進(jìn)行的線(xiàn)程同步操作是一樣的。
如果需要在一個(gè)線(xiàn)程中等待多個(gè)事件,則用WaitForMultipleObjects()來(lái)等待。WaitForMultipleObjects()與WaitForSingleObject()類(lèi)似,同時(shí)監視位于句柄數組中的所有句柄。這些被監視對象的句柄享有平等的優(yōu)先權,任何一個(gè)句柄都不可能比其他句柄具有更高的優(yōu)先權。WaitForMultipleObjects()的函數原型為:
DWORD WaitForMultipleObjects(
DWORD nCount, // 等待句柄數
CONST HANDLE *lpHandles, // 句柄數組首地址
BOOL fWaitAll, // 等待標志
DWORD dwMilliseconds // 等待時(shí)間間隔
);
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。如果返回WAIT_OBJECT_0到WAIT_OBJECT_0+nCount-1中的某個(gè)值,則說(shuō)明所有指定對象的狀態(tài)均為已通知狀態(tài)(當fWaitAll為T(mén)RUE時(shí))或是用以減去WAIT_OBJECT_0而得到發(fā)生通知的對象的索引(當fWaitAll為FALSE時(shí))。如果返回值在WAIT_ABANDONED_0與WAIT_ABANDONED_0+nCount-1之間,則表示所有指定對象的狀態(tài)均為已通知,且其中至少有一個(gè)對象是被丟棄的互斥對象(當fWaitAll為T(mén)RUE時(shí)),或是用以減去WAIT_OBJECT_0表示一個(gè)等待正常結束的互斥對象的索引(當fWaitAll為FALSE時(shí))。 下面給出的代碼主要展示了對WaitForMultipleObjects()函數的使用。通過(guò)對兩個(gè)事件內核對象的等待來(lái)控制線(xiàn)程任務(wù)的執行與中途退出:
// 存放事件句柄的數組
HANDLE hEvents[2];
UINT ThreadProc14(LPVOID pParam)
{
// 等待開(kāi)啟事件
DWORD dwRet1 = WaitForMultipleObjects(2, hEvents, FALSE, INFINITE);
// 如果開(kāi)啟事件到達則線(xiàn)程開(kāi)始執行任務(wù)
if (dwRet1 == WAIT_OBJECT_0)
{
AfxMessageBox("線(xiàn)程開(kāi)始工作!");
while (true)
{
for (int i = 0; i < 10000; i++);
// 在任務(wù)處理過(guò)程中等待結束事件
DWORD dwRet2 = WaitForMultipleObjects(2, hEvents, FALSE, 0);
// 如果結束事件置位則立即終止任務(wù)的執行
if (dwRet2 == WAIT_OBJECT_0 + 1)
break;
}
}
AfxMessageBox("線(xiàn)程退出!");
return 0;
}
……
void CSample08View::OnStartEvent()
{
// 創(chuàng )建線(xiàn)程
for (int i = 0; i < 2; i++)
hEvents[i] = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);
// 開(kāi)啟線(xiàn)程
AfxBeginThread(ThreadProc14, NULL);
// 設置事件0(開(kāi)啟事件)
SetEvent(hEvents[0]);
}
void CSample08View::OnEndevent()
{
// 設置事件1(結束事件)
SetEvent(hEvents[1]);
}
MFC為事件相關(guān)處理也提供了一個(gè)CEvent類(lèi),共包含有除構造函數外的4個(gè)成員函數PulseEvent()、ResetEvent()、SetEvent()和UnLock()。在功能上分別相當與Win32 API的PulseEvent()、ResetEvent()、SetEvent()和CloseHandle()等函數。而構造函數則履行了原CreateEvent()函數創(chuàng )建事件對象的職責,其函數原型為:
CEvent(BOOL bInitiallyOwn = FALSE, BOOL bManualReset = FALSE, LPCTSTR lpszName = NULL, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsaAttribute = NULL );
按照此缺省設置將創(chuàng )建一個(gè)自動(dòng)復位、初始狀態(tài)為復位狀態(tài)的沒(méi)有名字的事件對象。封裝后的CEvent類(lèi)使用起來(lái)更加方便,圖2即展示了CEvent類(lèi)對A、B兩線(xiàn)程的同步過(guò)程:
圖2 CEvent類(lèi)對線(xiàn)程的同步過(guò)程示意
B線(xiàn)程在執行到CEvent類(lèi)成員函數Lock()時(shí)將會(huì )發(fā)生阻塞,而A線(xiàn)程此時(shí)則可以在沒(méi)有B線(xiàn)程干擾的情況下對共享資源進(jìn)行處理,并在處理完成后通過(guò)成員函數SetEvent()向B發(fā)出事件,使其被釋放,得以對A先前已處理完畢的共享資源進(jìn)行操作??梢?jiàn),使用CEvent類(lèi)對線(xiàn)程的同步方法與通過(guò)API函數進(jìn)行線(xiàn)程同步的處理方法是基本一致的。前面的API處理代碼可用CEvent類(lèi)將其改寫(xiě)為:
// MFC事件類(lèi)對象
CEvent g_clsEvent;
UINT ThreadProc22(LPVOID pParam)
{
// 對共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
g_cArray[i] = ‘a(chǎn)‘;
Sleep(1);
}
// 事件置位
g_clsEvent.SetEvent();
return 0;
}
UINT ThreadProc23(LPVOID pParam)
{
// 等待事件
g_clsEvent.Lock();
// 對共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
g_cArray[10 - i - 1] = ‘b‘;
Sleep(1);
}
return 0;
}
……
void CSample08View::OnEventMfc()
{
// 啟動(dòng)線(xiàn)程
AfxBeginThread(ThreadProc22, NULL);
AfxBeginThread(ThreadProc23, NULL);
// 等待計算完畢
Sleep(300);
// 報告計算結果
CString sResult = CString(g_cArray);
AfxMessageBox(sResult);
}
信號量?jì)群藢ο?div style="height:15px;">
信號量(Semaphore)內核對象對線(xiàn)程的同步方式與前面幾種方法不同,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。
圖3 使用信號量對象控制資源
下面結合圖例3來(lái)演示信號量對象對資源的控制。在圖3中,以箭頭和白色箭頭表示共享資源所允許的最大資源計數和當前可用資源計數。初始如圖(a)所示,最大資源計數和當前可用資源計數均為4,此后每增加一個(gè)對資源進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)的線(xiàn)程(用黑色箭頭表示)當前資源計數就會(huì )相應減1,圖(b)即表示的在3個(gè)線(xiàn)程對共享資源進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)時(shí)的狀態(tài)。當進(jìn)入線(xiàn)程數達到4個(gè)時(shí),將如圖(c)所示,此時(shí)已達到最大資源計數,而當前可用資源計數也已減到0,其他線(xiàn)程無(wú)法對共享資源進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。在當前占有資源的線(xiàn)程處理完畢而退出后,將會(huì )釋放出空間,圖(d)已有兩個(gè)線(xiàn)程退出對資源的占有,當前可用計數為2,可以再允許2個(gè)線(xiàn)程進(jìn)入到對資源的處理??梢钥闯?,信號量是通過(guò)計數來(lái)對線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)資源進(jìn)行控制的,而實(shí)際上信號量確實(shí)也被稱(chēng)作Dijkstra計數器。
使用信號量?jì)群藢ο筮M(jìn)行線(xiàn)程同步主要會(huì )用到CreateSemaphore()、OpenSemaphore()、ReleaseSemaphore()、WaitForSingleObject()和WaitForMultipleObjects()等函數。其中,CreateSemaphore()用來(lái)創(chuàng )建一個(gè)信號量?jì)群藢ο?,其函數原型為?div style="height:15px;">
HANDLE CreateSemaphore(
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, // 安全屬性指針
LONG lInitialCount, // 初始計數
LONG lMaximumCount, // 最大計數
LPCTSTR lpName // 對象名指針
);
參數lMaximumCount是一個(gè)有符號32位值,定義了允許的最大資源計數,最大取值不能超過(guò)4294967295。lpName參數可以為創(chuàng )建的信號量定義一個(gè)名字,由于其創(chuàng )建的是一個(gè)內核對象,因此在其他進(jìn)程中可以通過(guò)該名字而得到此信號量。OpenSemaphore()函數即可用來(lái)根據信號量名打開(kāi)在其他進(jìn)程中創(chuàng )建的信號量,函數原型如下:
HANDLE OpenSemaphore(
DWORD dwDesiredAccess, // 訪(fǎng)問(wèn)標志
BOOL bInheritHandle, // 繼承標志
LPCTSTR lpName // 信號量名
);
在線(xiàn)程離開(kāi)對共享資源的處理時(shí),必須通過(guò)ReleaseSemaphore()來(lái)增加當前可用資源計數。否則將會(huì )出現當前正在處理共享資源的實(shí)際線(xiàn)程數并沒(méi)有達到要限制的數值,而其他線(xiàn)程卻因為當前可用資源計數為0而仍無(wú)法進(jìn)入的情況。ReleaseSemaphore()的函數原型為:
BOOL ReleaseSemaphore(
HANDLE hSemaphore, // 信號量句柄
LONG lReleaseCount, // 計數遞增數量
LPLONG lpPreviousCount // 先前計數
);
該函數將lReleaseCount中的值添加給信號量的當前資源計數,一般將lReleaseCount設置為1,如果需要也可以設置其他的值。WaitForSingleObject()和WaitForMultipleObjects()主要用在試圖進(jìn)入共享資源的線(xiàn)程函數入口處,主要用來(lái)判斷信號量的當前可用資源計數是否允許本線(xiàn)程的進(jìn)入。只有在當前可用資源計數值大于0時(shí),被監視的信號量?jì)群藢ο蟛艜?huì )得到通知。
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)可以為沒(méi)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。下面給出的示例代碼即展示了類(lèi)似的處理過(guò)程:
// 信號量對象句柄
HANDLE hSemaphore;
UINT ThreadProc15(LPVOID pParam)
{
// 試圖進(jìn)入信號量關(guān)口
WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE);
// 線(xiàn)程任務(wù)處理
AfxMessageBox("線(xiàn)程一正在執行!");
// 釋放信號量計數
ReleaseSemaphore(hSemaphore, 1, NULL);
return 0;
}
UINT ThreadProc16(LPVOID pParam)
{
// 試圖進(jìn)入信號量關(guān)口
WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE);
// 線(xiàn)程任務(wù)處理
AfxMessageBox("線(xiàn)程二正在執行!");
// 釋放信號量計數
ReleaseSemaphore(hSemaphore, 1, NULL);
return 0;
}
UINT ThreadProc17(LPVOID pParam)
{
// 試圖進(jìn)入信號量關(guān)口
WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE);
// 線(xiàn)程任務(wù)處理
AfxMessageBox("線(xiàn)程三正在執行!");
// 釋放信號量計數
ReleaseSemaphore(hSemaphore, 1, NULL);
return 0;
}
……
void CSample08View::OnSemaphore()
{
// 創(chuàng )建信號量對象
hSemaphore = CreateSemaphore(NULL, 2, 2, NULL);
// 開(kāi)啟線(xiàn)程
AfxBeginThread(ThreadProc15, NULL);
AfxBeginThread(ThreadProc16, NULL);
AfxBeginThread(ThreadProc17, NULL);
}
圖4 開(kāi)始進(jìn)入的兩個(gè)線(xiàn)程
圖5 線(xiàn)程二退出后線(xiàn)程三才得以進(jìn)入
上述代碼在開(kāi)啟線(xiàn)程前首先創(chuàng )建了一個(gè)初始計數和最大資源計數均為2的信號量對象hSemaphore。即在同一時(shí)刻只允許2個(gè)線(xiàn)程進(jìn)入由hSemaphore保護的共享資源。隨后開(kāi)啟的三個(gè)線(xiàn)程均試圖訪(fǎng)問(wèn)此共享資源,在前兩個(gè)線(xiàn)程試圖訪(fǎng)問(wèn)共享資源時(shí),由于hSemaphore的當前可用資源計數分別為2和1,此時(shí)的hSemaphore是可以得到通知的,也就是說(shuō)位于線(xiàn)程入口處的WaitForSingleObject()將立即返回,而在前兩個(gè)線(xiàn)程進(jìn)入到保護區域后,hSemaphore的當前資源計數減少到0,hSemaphore將不再得到通知,WaitForSingleObject()將線(xiàn)程掛起。直到此前進(jìn)入到保護區的線(xiàn)程退出后才能得以進(jìn)入。圖4和圖5為上述代脈的運行結果。從實(shí)驗結果可以看出,信號量始終保持了同一時(shí)刻不超過(guò)2個(gè)線(xiàn)程的進(jìn)入。
在MFC中,通過(guò)CSemaphore類(lèi)對信號量作了表述。該類(lèi)只具有一個(gè)構造函數,可以構造一個(gè)信號量對象,并對初始資源計數、最大資源計數、對象名和安全屬性等進(jìn)行初始化,其原型如下:
CSemaphore( LONG lInitialCount = 1, LONG lMaxCount = 1, LPCTSTR pstrName = NULL, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsaAttributes = NULL );
在構造了CSemaphore類(lèi)對象后,任何一個(gè)訪(fǎng)問(wèn)受保護共享資源的線(xiàn)程都必須通過(guò)CSemaphore從父類(lèi)CSyncObject類(lèi)繼承得到的Lock()和UnLock()成員函數來(lái)訪(fǎng)問(wèn)或釋放CSemaphore對象。與前面介紹的幾種通過(guò)MFC類(lèi)保持線(xiàn)程同步的方法類(lèi)似,通過(guò)CSemaphore類(lèi)也可以將前面的線(xiàn)程同步代碼進(jìn)行改寫(xiě),這兩種使用信號量的線(xiàn)程同步方法無(wú)論是在實(shí)現原理上還是從實(shí)現結果上都是完全一致的。下面給出經(jīng)MFC改寫(xiě)后的信號量線(xiàn)程同步代碼:
// MFC信號量類(lèi)對象
CSemaphore g_clsSemaphore(2, 2);
UINT ThreadProc24(LPVOID pParam)
{
// 試圖進(jìn)入信號量關(guān)口
g_clsSemaphore.Lock();
// 線(xiàn)程任務(wù)處理
AfxMessageBox("線(xiàn)程一正在執行!");
// 釋放信號量計數
g_clsSemaphore.Unlock();
return 0;
}
UINT ThreadProc25(LPVOID pParam)
{
// 試圖進(jìn)入信號量關(guān)口
g_clsSemaphore.Lock();
// 線(xiàn)程任務(wù)處理
AfxMessageBox("線(xiàn)程二正在執行!");
// 釋放信號量計數
g_clsSemaphore.Unlock();
return 0;
}
UINT ThreadProc26(LPVOID pParam)
{
// 試圖進(jìn)入信號量關(guān)口
g_clsSemaphore.Lock();
// 線(xiàn)程任務(wù)處理
AfxMessageBox("線(xiàn)程三正在執行!");
// 釋放信號量計數
g_clsSemaphore.Unlock();
return 0;
}
……
void CSample08View::OnSemaphoreMfc()
{
// 開(kāi)啟線(xiàn)程
AfxBeginThread(ThreadProc24, NULL);
AfxBeginThread(ThreadProc25, NULL);
AfxBeginThread(ThreadProc26, NULL);
}
互斥內核對象
互斥(Mutex)是一種用途非常廣泛的內核對象。能夠保證多個(gè)線(xiàn)程對同一共享資源的互斥訪(fǎng)問(wèn)。同臨界區有些類(lèi)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。與其他幾種內核對象不同,互斥對象在操作系統中擁有特殊代碼,并由操作系統來(lái)管理,操作系統甚至還允許其進(jìn)行一些其他內核對象所不能進(jìn)行的非常規操作。為便于理解,可參照圖6給出的互斥內核對象的工作模型:
圖6 使用互斥內核對象對共享資源的保護
圖(a)中的箭頭為要訪(fǎng)問(wèn)資源(矩形框)的線(xiàn)程,但只有第二個(gè)線(xiàn)程擁有互斥對象(黑點(diǎn))并得以進(jìn)入到共享資源,而其他線(xiàn)程則會(huì )被排斥在外(如圖(b)所示)。當此線(xiàn)程處理完共享資源并準備離開(kāi)此區域時(shí)將把其所擁有的互斥對象交出(如圖(c)所示),其他任何一個(gè)試圖訪(fǎng)問(wèn)此資源的線(xiàn)程都有機會(huì )得到此互斥對象。
以互斥內核對象來(lái)保持線(xiàn)程同步可能用到的函數主要有CreateMutex()、OpenMutex()、ReleaseMutex()、WaitForSingleObject()和WaitForMultipleObjects()等。在使用互斥對象前,首先要通過(guò)CreateMutex()或OpenMutex()創(chuàng )建或打開(kāi)一個(gè)互斥對象。CreateMutex()函數原型為:
HANDLE CreateMutex(
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes, // 安全屬性指針
BOOL bInitialOwner, // 初始擁有者
LPCTSTR lpName // 互斥對象名
);
參數bInitialOwner主要用來(lái)控制互斥對象的初始狀態(tài)。一般多將其設置為FALSE,以表明互斥對象在創(chuàng )建時(shí)并沒(méi)有為任何線(xiàn)程所占有。如果在創(chuàng )建互斥對象時(shí)指定了對象名,那么可以在本進(jìn)程其他地方或是在其他進(jìn)程通過(guò)OpenMutex()函數得到此互斥對象的句柄。OpenMutex()函數原型為:
HANDLE OpenMutex(
DWORD dwDesiredAccess, // 訪(fǎng)問(wèn)標志
BOOL bInheritHandle, // 繼承標志
LPCTSTR lpName // 互斥對象名
);
當目前對資源具有訪(fǎng)問(wèn)權的線(xiàn)程不再需要訪(fǎng)問(wèn)此資源而要離開(kāi)時(shí),必須通過(guò)ReleaseMutex()函數來(lái)釋放其擁有的互斥對象,其函數原型為:
BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex);
其唯一的參數hMutex為待釋放的互斥對象句柄。至于WaitForSingleObject()和WaitForMultipleObjects()等待函數在互斥對象保持線(xiàn)程同步中所起的作用與在其他內核對象中的作用是基本一致的,也是等待互斥內核對象的通知。但是這里需要特別指出的是:在互斥對象通知引起調用等待函數返回時(shí),等待函數的返回值不再是通常的WAIT_OBJECT_0(對于WaitForSingleObject()函數)或是在WAIT_OBJECT_0到WAIT_OBJECT_0+nCount-1之間的一個(gè)值(對于WaitForMultipleObjects()函數),而是將返回一個(gè)WAIT_ABANDONED_0(對于WaitForSingleObject()函數)或是在WAIT_ABANDONED_0到WAIT_ABANDONED_0+nCount-1之間的一個(gè)值(對于WaitForMultipleObjects()函數)。以此來(lái)表明線(xiàn)程正在等待的互斥對象由另外一個(gè)線(xiàn)程所擁有,而此線(xiàn)程卻在使用完共享資源前就已經(jīng)終止。除此之外,使用互斥對象的方法在等待線(xiàn)程的可調度性上同使用其他幾種內核對象的方法也有所不同,其他內核對象在沒(méi)有得到通知時(shí),受調用等待函數的作用,線(xiàn)程將會(huì )掛起,同時(shí)失去可調度性,而使用互斥的方法卻可以在等待的同時(shí)仍具有可調度性,這也正是互斥對象所能完成的非常規操作之一。
在編寫(xiě)程序時(shí),互斥對象多用在對那些為多個(gè)線(xiàn)程所訪(fǎng)問(wèn)的內存塊的保護上,可以確保任何線(xiàn)程在處理此內存塊時(shí)都對其擁有可靠的獨占訪(fǎng)問(wèn)權。下面給出的示例代碼即通過(guò)互斥內核對象hMutex對共享內存快g_cArray[]進(jìn)行線(xiàn)程的獨占訪(fǎng)問(wèn)保護。下面給出實(shí)現代碼清單:
// 互斥對象
HANDLE hMutex = NULL;
char g_cArray[10];
UINT ThreadProc18(LPVOID pParam)
{
// 等待互斥對象通知
WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
// 對共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
g_cArray[i] = ‘a(chǎn)‘;
Sleep(1);
}
// 釋放互斥對象
ReleaseMutex(hMutex);
return 0;
}
UINT ThreadProc19(LPVOID pParam)
{
// 等待互斥對象通知
WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
// 對共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
g_cArray[10 - i - 1] = ‘b‘;
Sleep(1);
}
// 釋放互斥對象
ReleaseMutex(hMutex);
return 0;
}
……
void CSample08View::OnMutex()
{
// 創(chuàng )建互斥對象
hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
// 啟動(dòng)線(xiàn)程
AfxBeginThread(ThreadProc18, NULL);
AfxBeginThread(ThreadProc19, NULL);
// 等待計算完畢
Sleep(300);
// 報告計算結果
CString sResult = CString(g_cArray);
AfxMessageBox(sResult);
}
互斥對象在MFC中通過(guò)CMutex類(lèi)進(jìn)行表述。使用CMutex類(lèi)的方法非常簡(jiǎn)單,在構造CMutex類(lèi)對象的同時(shí)可以指明待查詢(xún)的互斥對象的名字,在構造函數返回后即可訪(fǎng)問(wèn)此互斥變量。CMutex類(lèi)也是只含有構造函數這唯一的成員函數,當完成對互斥對象保護資源的訪(fǎng)問(wèn)后,可通過(guò)調用從父類(lèi)CSyncObject繼承的UnLock()函數完成對互斥對象的釋放。CMutex類(lèi)構造函數原型為:
CMutex( BOOL bInitiallyOwn = FALSE, LPCTSTR lpszName = NULL, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsaAttribute = NULL );
該類(lèi)的適用范圍和實(shí)現原理與API方式創(chuàng )建的互斥內核對象是完全類(lèi)似的,但要簡(jiǎn)潔的多,下面給出就是對前面的示例代碼經(jīng)CMutex類(lèi)改寫(xiě)后的程序實(shí)現清單:
// MFC互斥類(lèi)對象
CMutex g_clsMutex(FALSE, NULL);
UINT ThreadProc27(LPVOID pParam)
{
// 等待互斥對象通知
g_clsMutex.Lock();
// 對共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
g_cArray[i] = ‘a(chǎn)‘;
Sleep(1);
}
// 釋放互斥對象
g_clsMutex.Unlock();
return 0;
}
UINT ThreadProc28(LPVOID pParam)
{
// 等待互斥對象通知
g_clsMutex.Lock();
// 對共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
g_cArray[10 - i - 1] = ‘b‘;
Sleep(1);
}
// 釋放互斥對象
g_clsMutex.Unlock();
return 0;
}
……
void CSample08View::OnMutexMfc()
{
// 啟動(dòng)線(xiàn)程
AfxBeginThread(ThreadProc27, NULL);
AfxBeginThread(ThreadProc28, NULL);
// 等待計算完畢
Sleep(300);
// 報告計算結果
CString sResult = CString(g_cArray);
AfxMessageBox(sResult);
}
小結
線(xiàn)程的使用使程序處理更夠更加靈活,而這種靈活同樣也會(huì )帶來(lái)各種不確定性的可能。尤其是在多個(gè)線(xiàn)程對同一公共變量進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)時(shí)。雖然未使用線(xiàn)程同步的程序代碼在邏輯上或許沒(méi)有什么問(wèn)題,但為了確保程序的正確、可靠運行,必須在適當的場(chǎng)合采取線(xiàn)程同步措施
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