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【Windows线程开发】Windows线程同步技术

WdIg-2023 2024-06-17 10:18:43
简介【Windows线程开发】Windows线程同步技术

我们在上一章节中讲解了关于Windows的线程基础，相信大家已经对线程有了基本的概念。这一章节中，我们来讲讲线程同步技术，包括加锁技术（原子锁和互斥体）和事件，信号灯。

文章目录

一.原子锁

原子锁主要解决的问题是多线程在操作符方面的问题。

  • 相关问题：

    多个线程对同一个数据进行原子操作时，会产生结果丢失，比如++运算符

我们来写一段代码看看多线程在操作同一个数据的时候出现的问题：

#include <stdio.h>
#include <windows.h>

DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter);
DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter);
int g_value = 0;

int main() {
	DWORD nID = 0;
	HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc1, NULL, 0, &nID);
	HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc2, NULL, 0, &nID);
	WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, INFINITE);
	printf("%d
", g_value);
	return 0;
}

DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter) {
	for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
		g_value++;
	}
	return 0;
}


DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter) {
	for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
		g_value++;
	}
	return 0;
}
  • 代码解释
    我们创建两个线程，同时对全局变量g_value进行自增操作，两个线程分别自增100000000次，那么最后结果就应该是200000000，我们来看看执行结果：
    原子锁相关问题
    我们发现，最后结果并不是200000000，那么是为什么呢？

我们来分析一下错误：
当线程A执行g_value++时，如果线程切换正好是在线程A将结果保存到g_value之前，线程B继续执行g_value++，那么当线程A再次被切换回来之后，会继续上一步的操作，继续将值保存到g_value中，线程B的计算结果被覆盖

通俗点来说，就是线程A计算好了g_value的结果，但是还没有保存到g_value，这时候线程切换到了B线程，线程B完成了计算，并且成功保存，当返回到A线程的时候，A线程会继续上一步的保存操作，那么B线程的计算结果就被覆盖掉了。

那么如何来解决这样的问题呢？那就要用到我们的线程同步技术—原子锁了：

  • 原子锁函数：
    InterlockedIncrement()
    InterlockedDecrement()
    InterlockedCompareExcahnge()
    InterlockedExchange()
    我们在上文中提到，原子锁主要针对的是运算符的问题，每一种运算符都有原子锁函数
    我们来看看使用效果：这里以++运算符为例：
#include <stdio.h>
#include <windows.h>

DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter);
DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter);
DWORD g_value = 0;

int main() {
	DWORD nID = 0;
	HANDLE hThread[2] = { 0 };
	hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc1, NULL, 0, &nID);
	hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc2, NULL, 0, &nID);
	WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, INFINITE);
	printf("%d
", g_value);
	return 0;
}

DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter) {
	for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
		InterlockedIncrement(&g_value);
	}
	return 0;
}


DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter) {
	for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
		InterlockedIncrement(&g_value);
	}
	return 0;
}

我们来看看执行效果：
原子锁执行效果2
我们可以发现，当我们使用原子锁的时候，两个线程操作同一个数据，就不会出现结果丢失的问题了。但是我们也不难发现，执行结果慢了很多，这是因为执行过程中多了很多等待事件，这个等待我们在互斥中会讲到。
原子锁的实现：直接对数据所在的内存操作，并且在任何一个瞬间，只能有一个线程访问

二.互斥体

  • 相关问题
    跟原子锁一样，都是解决多线程下资源的共享使用，但是与原子锁不同的是，互斥体解决的是代码资源的共享使用。
HMODLE CreateMutex(
	LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,    //安全性
	BOOL bInitialOwner,        //初始拥有者
	LPCSTR lpName              //为互斥命名
);

参数bInitialOwner介绍：
如果此值为 TRUE ，并且调用方创建了互斥体，则调用线程获取互斥体对象的初始所有权。 否则，调用线程不会获取互斥体的所有权。

互斥体特性介绍：

  1. 在任何一个时间点上，只能由一个线程拥有互斥体
  2. 当前任何一个线程不拥有互斥体是，互斥体句柄有信号
  3. 谁先等候互斥体，谁先获取
    1. 等候互斥体：
      上一篇介绍过了，使用等候句柄函数。WaitFor...
    1. 释放互斥体
BOOL ReleaseMutex(
	HANDLE hMutex           //handle of Mutex
);
    1. 关闭互斥体
      使用CloseHandle函数
      我们来看看使用互斥体来解决我们在多线程中遇到的问题：
#include <stdio.h>
#include <windows.h>

DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter);
DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter);
DWORD g_value = 0;
HANDLE hMutex = NULL; //用于接收互斥体句柄

int main() {
	DWORD nID = 0;
	HANDLE hThread[2] = { 0 };
	//hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
	hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc1, NULL, 0, &nID);
	hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc2, NULL, 0, &nID);
	WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, INFINITE);
	printf("%d
", g_value);
	CloseHandle(hMutex);
	return 0;
}

DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter) {
	char a[] = "********";
	
	while (1) {
		//WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
		for (int i = 0; i < strlen(a); i++) {
			printf("%c", a[i]);
			Sleep(125);
		}
		printf("
");
		//ReleaseMutex(hMutex);
	}
	return 0;
}


DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter) {
	char b[] = "--------";
	while (1) {
		//WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
		for (int i = 0; i < strlen(b); i++) {
			printf("%c", b[i]);
			Sleep(125);
		}
		//ReleaseMutex(hMutex);
		printf("
");
	}
	return 0;
}

我们来看看不适用互斥体技术的时候的输出：
不适用互斥体技术
我们再来看看使用了互斥体之后：

#include <stdio.h>
#include <windows.h>

DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter);
DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter);
DWORD g_value = 0;
HANDLE hMutex = NULL; //用于接收互斥体句柄

int main() {
	DWORD nID = 0;
	HANDLE hThread[2] = { 0 };
	hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
	hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc1, NULL, 0, &nID);
	hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc2, NULL, 0, &nID);
	WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, INFINITE);
	printf("%d
", g_value);
	CloseHandle(hMutex);
	return 0;
}

DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter) {
	char a[] = "********";
	
	while (1) {
		WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
		for (int i = 0; i < strlen(a); i++) {
			printf("%c", a[i]);
			Sleep(125);
		}
		printf("
");
		ReleaseMutex(hMutex);
	}
	return 0;
}


DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter) {
	char b[] = "--------";
	while (1) {
		WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
		for (int i = 0; i < strlen(b); i++) {
			printf("%c", b[i]);
			Sleep(125);
		}
		ReleaseMutex(hMutex);
		printf("
");
	}
	return 0;
}

使用互斥体
我们可以发现使用互斥体之后，对代码段进行了枷锁。
我们来大致讲解一下互斥体的实现吧：

我们在主进程中创建了互斥体，并且互斥体不归之进程所有，两个线程谁先等待互斥体句柄，谁就拥有了互斥体，那么当线程跳转到另一个线程之后，发现被锁定在了另一个线程，那么线程就会被阻塞，直到线程再次跳转到另一个线程，执行完之后，互斥体被释放，这时候跳转到这个线程，在这个线程中再进行加锁，这个线程执行完之后，再锁定到另一个线程，这样就实现了加锁技术。

三.事件

前两个技术都属于加锁技术，即两个线程互斥的时候使用，那么线程也会有协调工作的时候，这时候就需要用到我们的事件和信号量了。

  • 相关问题：
    多线程协调工作的时候的通知问题

  • 事件的使用

HANDLE CreateEvent(
	LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes, //安全属性
	BOOL                  bManualReset,   //事件重置/复位方式
	BOOL                  bInitialState, //事件初始状态
	LPCSTR                lpName  //为事件命名
);
  • 参数解释：
  • bManualReset为事件重置/复位方式，如果该参数被设置为TRUE那么就需要我们来手动重置事件对象，如果该参数被设置为FALSE，那么操纵系统会帮我们完成事件的重置和复位。
  • bInitialState：该参数指定了当创建事件后，该事件句柄是否处于有消息状态
  • 等候事件：
    WaitFor......函数
  • 触发事件（使事件句柄处于有消息状态）
BOOLSetEvent(
	HANDLE hEvent
);
  • 复位事件（将事件句柄设置为无消息状态）
BOOL ResetEvent(
	HANDLE hEvent
);
  • 关闭事件
    CloseHandle函数
    我们来看看事件的使用：
#include <stdio.h>
#include <windows.h>

DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter);
DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter);
DWORD g_value = 0;
HANDLE hEvent = NULL; //用于接收事件句柄

int main() {
	DWORD nID = 0;
	HANDLE hThread[2] = { 0 };
	hEvent = CreateEvent(NULL,FALSE,0,NULL);
	hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc1, NULL, 0, &nID);
	hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc2, NULL, 0, &nID);
	WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, INFINITE);
	printf("%d
", g_value);
	CloseHandle(hEvent);
	return 0;
}

DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter) {
	char a[] = "********";
	while (1) {
		WaitForSingleObject(hEvent, INFINITE);
		for (int i = 0; i < strlen(a); i++) {
			printf("%c", a[i]);
		}
		printf("
");
		ResetEvent(hEvent);
	}
	return 0;
}


DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter) {
	while (1) {
		Sleep(1000);
		SetEvent(hEvent);
	}
	return 0;
}

这是一个很典型的相互协调工作的双线程，我们在A线程中没有设定时间间隔，但是在B线程中设定了事件间隔，我们能够很明显地感受到输出是有时间间隔的：
事件处理

四.信号灯

  • 相关问题：
    类似于事件，解决线程之间通知的相关问题，但提供一个计数器，可以设置次数。
  • 创建信号灯：
    使用CreateSemaphore函数：
    MSDN官方解释
HANDLE CreateSemaphore(
	LPSECURITY_ATTRIBUIES lpSemaphoreAttributes,         //安全属性
	LONG lInitialCount,        //初始化信号灯数量
	LONG lMaximumCount,        //信号灯的最大值
	LPSTSTR lpName             //为信号灯命名
);创建成功返回信号量句柄
  • 等候信号量
    使用WaitFor...函数
    注意： 等候每通过一次，信号灯的信号减一，知道为0阻塞
  • 给信号灯指定计数值
    使用ReleaseSemaphore（）函数
    MSDN官方解释
BOOL ReleaseSemaphore(
	HANDLE hSeamephore,           //信号灯句柄
	LONG lReleaseSemaphore,       //信号灯将增加的量
	LPONG lpPreviousCount         //指向一个变量的指针，用于记录信号灯的上一个计数
);
  • 关闭信号灯：
    使用CloseHandle()函数
    我们来看看信号灯的使用实例：
#include <stdio.h>
#include <windows.h>

DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter);
DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter);
HANDLE hSemaphore = NULL; //用于接收事件句柄

int main() {
	DWORD nID = 0;
	HANDLE hThread[2] = { 0 };
	hSemaphore = CreateSemaphore(NULL, 3, 10, NULL);
	hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc1, NULL, 0, &nID);
	while (getchar()=='
') {
		ReleaseSemaphore(hSemaphore, 5, NULL);
	}
	CloseHandle(hSemaphore);
	return 0;
}

	DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter) {
		char a[] = "********";
		while (1) {
			WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE);
			for (int i = 0; i < strlen(a); i++) {
				printf("%c", a[i]);
			}
			printf("
");
		}
		return 0;
	}

我们设置了计数器为3的信号灯，我们发现程序最开始只会输出三行，每当我们按一次回车键，就将信号灯计数值值为5：
信号灯实例
本篇文章的分享就到这里，如果大家发现有错误之处，还请大家指出来，我会非常虚心地学习。希望我们共同进步！！！

风语者！平时喜欢研究各种技术，目前在从事后端开发工作，热爱生活、热爱工作。

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