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【Windows线程开发】Windows线程同步技术
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。
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：
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：
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。
- 互斥体的使用：
-
- 创建互斥体：
使用CreateMutex函数：
MSDN官方文档解释
- 创建互斥体：
-
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：
- 在任何一个时间点上，只能由一个线程拥有互斥体
- 当前任何一个线程不拥有互斥体是，互斥体句柄有信号
- 谁先等候互斥体，谁先获取
-
- 等候互斥体：
上一篇介绍过了，使用等候句柄函数。WaitFor...
- 等候互斥体：
-
- 释放互斥体
BOOL ReleaseMutex(
HANDLE hMutex //handle of Mutex
);
-
- 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：
- 关闭互斥体
#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：
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;
}
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
- 创建事件：
使用CreatEvent函数，MSDN官方解释
- 创建事件：
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：
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：
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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