在C++程序開(kāi)發(fā)中，線程之間通信的兩個(gè)基本問(wèn)題是互斥和同步：

　　(1)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(lài)另一個(gè)線程的消息，當(dāng)它沒(méi)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。

　　(2)線程互斥是指對(duì)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(wèn)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(duì)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(wèn)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)。

　　從大的方面講，線程的同步可分用戶(hù)模式的線程同步和內(nèi)核對(duì)象的線程同步兩大類(lèi)。用戶(hù)模式中線程的同步方法主要有原子訪問(wèn)和臨界區(qū)等方法。其特點(diǎn)是同步速度特別快，適合于對(duì)線程運(yùn)行速度有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。

　　內(nèi)核對(duì)象的線程同步則主要由 事件 、 等待定時(shí)器 、 信號(hào)量 以及 信號(hào)燈 等內(nèi)核對(duì)象構(gòu)成。由于這種同步機(jī)制使用了內(nèi)核對(duì)象，使用時(shí)必須將線程從用戶(hù)模式切換到內(nèi)核模式，而這種轉(zhuǎn)換一般要耗費(fèi)近千個(gè)CPU周期，因此同步速度較慢，但在適用性上卻要遠(yuǎn)優(yōu)于用戶(hù)模式的線程同步方式。

　　在WIN32中，同步機(jī)制主要有以下幾種：

　?。?/span>1）事件(Event);

　　（2）信號(hào)量(semaphore);

　　（3）互斥量(mutex);

　　（4）臨界區(qū)(Critical section)。

　　臨界區(qū)

　　臨界區(qū)（Critical Section）是一段獨(dú)占對(duì)某些共享資源訪問(wèn)的代碼，在任意時(shí)刻只允許一個(gè)線程對(duì)共享資源進(jìn)行訪問(wèn)。如果有多個(gè)線程試圖同時(shí)訪問(wèn)臨界區(qū)，那么在有一個(gè)線程進(jìn)入后其他所有試圖訪問(wèn)此臨界區(qū)的線程將被掛起，并一直持續(xù)到進(jìn)入臨界區(qū)的線程離開(kāi)。臨界區(qū)在被釋放后，其他線程可以繼續(xù)搶占，并以此達(dá)到用原子方式操作共享資源的目的。

　　臨界區(qū)在使用時(shí)以CRITICAL_SECTION結(jié)構(gòu)對(duì)象保護(hù)共享資源，并分別用EnterCriticalSection（）和LeaveCriticalSection（）函數(shù)去標(biāo)識(shí)和釋放一個(gè)臨界區(qū)。所用到的CRITICAL_SECTION結(jié)構(gòu)對(duì)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程中的任何試圖訪問(wèn)此共享資源的代碼都處在此臨界區(qū)的保護(hù)之下。否則臨界區(qū)將不會(huì)起到應(yīng)有的作用，共享資源依然有被破壞的可能。

　　全局變量

　　因?yàn)檫M(jìn)程中的所有線程均可以訪問(wèn)所有的全局變量，因而全局變量成為Win32多線程通信的最簡(jiǎn)單方式。例如：

　　int var; //全局變量

　　UINTThreadFunction(LPVOIDpParam)

　　{

　　var = 0;

　　while (var < MaxValue)

　　{

　　//線程處理

　　::InterlockedIncrement(long*) &var);

　　}

　　return 0;

　　}

　　請(qǐng)看下列程序：

　　int globalFlag = false;

　　DWORDWINAPIThreadFunc(LPVOID n)

　　{

　　Sleep(2000);

　　globalFlag = true;

　　return 0;

　　}

　　int main(){

　　HANDLEhThrd;

　　DWORDthreadId;

　　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(xún)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?/span>

　?。?/span>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(méi)有使自己進(jìn)入睡眠狀態(tài)。由于主線程沒(méi)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(jí)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(lèi)：

　　（1）手動(dòng)設(shè)置：這種對(duì)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(lái)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。

　　使用”事件”機(jī)制應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

　?。?/span>1）如果跨進(jìn)程訪問(wèn)事件，必須對(duì)事件命名，在對(duì)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(duì)象沖突；

　?。?/span>2）事件是否要自動(dòng)恢復(fù)；

　?。?/span>3）事件的初始狀態(tài)設(shè)置。

　　由于event對(duì)象屬于內(nèi)核對(duì)象，故進(jìn)程B可以調(diào)用OpenEvent函數(shù)通過(guò)對(duì)象的名字獲得進(jìn)程A中event對(duì)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：

　　HANDLEhEvent=OpenEvent(EVENT_ALL_ACCESS,true,"MyEvent");

　　ResetEvent(hEvent);

　　信號(hào)量

　　信號(hào)量是維護(hù)0到指定最大值之間的同步對(duì)象。信號(hào)量狀態(tài)在其計(jì)數(shù)大于0時(shí)是有信號(hào)的，而其計(jì)數(shù)是0時(shí)是無(wú)信號(hào)的。信號(hào)量對(duì)象在控制上可以支持有限數(shù)量共享資源的訪問(wèn)。

　　信號(hào)量的特點(diǎn)和用途可用下列幾句話定義：

　?。?/span>1）如果當(dāng)前資源的數(shù)量大于0，則信號(hào)量有效；

　?。?/span>2）如果當(dāng)前資源數(shù)量是0，則信號(hào)量無(wú)效；

　?。?/span>3）系統(tǒng)決不允許當(dāng)前資源的數(shù)量為負(fù)值；

　?。?/span>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(hào)量

　　HANDLECreateSemaphore (

　　PSECURITY_ATTRIBUTEpsa,

　　LONG lInitialCount, //開(kāi)始時(shí)可供使用的資源數(shù)

　　LONG lMaximumCount, //最大資源數(shù)

　　PCTSTRpszName);

　　釋放信號(hào)量

　　通過(guò)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 WINAPIReleaseSemaphore(

　　HANDLEhSemaphore,

　　LONG lReleaseCount, //信號(hào)量的當(dāng)前資源數(shù)增加lReleaseCount

　　LPLONGlpPreviousCount

　　);

　　打開(kāi)信號(hào)量

　　和其他核心對(duì)象一樣，信號(hào)量也可以通過(guò)名字跨進(jìn)程訪問(wèn)，打開(kāi)信號(hào)量的API為：

　　HANDLEOpenSemaphore (

　　DWORDfdwAccess,

　　BOOL bInherithandle,

　　PCTSTRpszName

　　);

　　互鎖訪問(wèn)

　　當(dāng)必須以原子操作方式來(lái)修改單個(gè)值時(shí)，互鎖訪問(wèn)函數(shù)是相當(dāng)有用的。所謂原子訪問(wèn)，是指線程在訪問(wèn)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(wèn)相同的資源。

　　請(qǐng)看下列代碼：

　　int globalVar = 0;

　　DWORDWINAPIThreadFunc1(LPVOID n)

　　{

　　globalVar++;

　　return 0;

　　}

　　DWORDWINAPIThreadFunc2(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)?/span>globalVar++并不對(duì)應(yīng)著一條機(jī)器指令，我們看看globalVar++的反匯編代碼：

　　00401038 moveax,[globalVar (0042d3f0)]0040103D addeax,100401040 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(wèn)題：

　　int globalVar = 0;

　　DWORDWINAPIThreadFunc1(LPVOID n)

　　{

　　InterlockedExchangeAdd(&globalVar,1);

　　return 0;

　　}

　　DWORDWINAPIThreadFunc2(LPVOID n)

　　{

　　InterlockedExchangeAdd(&globalVar,1);

　　return 0;

　　}

　　InterlockedExchangeAdd保證對(duì)變量globalVar的訪問(wèn)具有”原子性”?；ユi訪問(wèn)的控制速度非?？?，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(hù)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(wèn)函數(shù)的缺點(diǎn)在于其只能對(duì)單一變量進(jìn)行原子訪問(wèn)，如果要訪問(wèn)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(hào)通知的內(nèi)核對(duì)象。它們通常用來(lái)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

　　HANDLECreateWaitableTimer(

　　PSECURITY_ATTRISUTESpsa,

　　BOOL fManualReset,//人工重置或自動(dòng)重置定時(shí)器

　　PCTSTRpszName);

　　設(shè)置可等待定時(shí)器

　　可等待定時(shí)器對(duì)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(lái)界定定時(shí)器在何時(shí)被激活：

　　BOOL SetWaitableTimer(

　　HANDLEhTimer, //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(zhǎng)時(shí)間激活一次

　　PTIMERAPCROUTINEpfnCompletionRoutine,

　　PVOIDPvArgToCompletionRoutine,

　　BOOL fResume);

　　取消可等待定時(shí)器

　　BOOL CancelWaitableTimer(

　　HANDLEhTimer //要取消的定時(shí)器

　　);

　　打開(kāi)可等待定時(shí)器

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

　　HANDLEOpenWaitableTimer (

　　DWORDfdwAccess,

　　BOOL bInherithandle,

　　PCTSTRpszName

　　);

　　實(shí)例

　　下面給出的一個(gè)程序可能發(fā)生死鎖現(xiàn)象：

　　#include #include 

　　CRITICAL_SECTIONcs1, cs2;long WINAPIThreadFn(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 WINAPIThreadFn(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(duì)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 WINAPIThreadFn(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。

 

來(lái)源：伯樂(lè)在線