多線程編程之一——問題提出

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一、問題的提出

編寫一個耗時的單線程程式：

　　建立一個基於對話方塊的應用程式SingleThread，在主對話方塊IDD_SINGLETHREAD_DIALOG添加一個按鈕，ID為IDC_SLEEP_SIX_SECOND，標題為“延時6秒”，添加按鈕的響應函數，代碼如下：

void CSingleThreadDlg::OnSleepSixSecond() {Sleep(6000); //延時6秒}

　　編譯並運行應用程式，單擊“延時6秒”按鈕，你就會發現在這6秒期間程式就象“死機”一樣，不在響應其它訊息。為了更好地處理這種耗時的操作，我們有必要學習——多線程編程。

二、多線程概述

　　進程和線程都是作業系統的概念。進程是應用程式的執行執行個體，每個進程是由私人的虛擬位址空間、代碼、資料和其它各種系統資源群組成，進程在運行過程中建立的資源隨著進程的終止而被銷毀，所使用的系統資源在進程終止時被釋放或關閉。
　　線程是進程內部的一個執行單元。系統建立好進程後，實際上就啟動執行了該進程的主執行線程，主執行線程以函數地址形式，比如說main或WinMain函數，將程式的啟動點提供給Windows系統。主執行線程終止了，進程也就隨之終止。
　　每一個進程至少有一個主執行線程，它無需由使用者去主動建立，是由系統自動建立的。使用者根據需要在應用程式中建立其它線程，多個線程並發地運行於同一個進程中。一個進程中的所有線程都在該進程的虛擬位址空間中，共同使用這些虛擬位址空間、全域變數和系統資源，所以線程間的通訊非常方便，多線程技術的應用也較為廣泛。
　　多線程可以實現平行處理，避免了某項任務長時間佔用CPU時間。要說明的一點是，目前大多數的電腦都是單一處理器（CPU）的，為了運行所有這些線程，作業系統為每個獨立線程安排一些CPU時間，作業系統以輪換方式向線程提供時間片，這就給人一種假象，好象這些線程都在同時運行。由此可見，如果兩個非常活躍的線程為了搶奪對CPU的控制權，線上程切換時會消耗很多的CPU資源，反而會降低系統的效能。這一點在多線程編程時應該注意。
　　Win32 SDK函數支援進行多線程的程式設計，並提供了作業系統原理中的各種同步、互斥和臨界區等操作。Visual C++ 6.0中，使用MFC類庫也實現了多線程的程式設計，使得多線程編程更加方便。

三、Win32 API對多線程編程的支援

　　Win32 提供了一系列的API函數來完成線程的建立、掛起、恢複、終結以及通訊等工作。下面將選取其中的一些重要函數進行說明。

1、HANDLE CreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,                 DWORD dwStackSize,                 LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,                 LPVOID lpParameter,                 DWORD dwCreationFlags,                 LPDWORD lpThreadId);

該函數在其調用進程的進程空間裡建立一個新的線程，並返回已建線程的控制代碼，其中各參數說明如下：

• lpThreadAttributes：指向一個 SECURITY_ATTRIBUTES 結構的指標，該結構決定了線程的安全屬性，一般置為 NULL；
• dwStackSize：指定了線程的堆棧深度，一般都設定為0；
• lpStartAddress：表示新線程開始執行時代碼所在函數的地址，即線程的起始地址。一般情況為(LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadFunc，ThreadFunc 是線程函數名；
• lpParameter：指定了線程執行時傳送給線程的32位參數，即線程函數的參數；
• dwCreationFlags：控制線程建立的附加標誌，可以取兩種值。如果該參數為0，線程在被建立後就會立即開始執行；如果該參數為CREATE_SUSPENDED,則系統產生線程後，該線程處於掛起狀態，並不馬上執行，直至函數ResumeThread被調用；
• lpThreadId：該參數返回所建立線程的ID；

如果建立成功則返回線程的控制代碼，否則返回NULL。

2、DWORD SuspendThread(HANDLE hThread);

該函數用於掛起指定的線程，如果函數執行成功，則線程的執行被終止。

3、DWORD ResumeThread(HANDLE hThread);

該函數用於結束線程的掛起狀態，執行線程。

4、VOID ExitThread(DWORD dwExitCode);

該函數用於線程終結自身的執行，主要線上程的執行函數中被調用。其中參數dwExitCode用來設定線程的退出碼。

5、BOOL TerminateThread(HANDLE hThread,DWORD dwExitCode);

　　一般情況下，線程運行結束之後，線程函數正常返回，但是應用程式可以調用TerminateThread強行終止某一線程的執行。各參數含義如下：

• hThread：將被終結的線程的控制代碼；
• dwExitCode：用於指定線程的退出碼。

　　使用TerminateThread()終止某個線程的執行是不安全的，可能會引起系統不穩定；雖然該函數立即終止線程的執行，但並不釋放線程所佔用的資源。因此，一般不建議使用該函數。

6、BOOL PostThreadMessage(DWORD idThread,UINT Msg,WPARAM wParam,LPARAM lParam);

該函數將一條訊息放入到指定線程的訊息佇列中，並且不等到訊息被該線程處理時便返回。

• idThread：將接收訊息的線程的ID；
• Msg：指定用來發送的訊息；
• wParam：同訊息有關的字參數；
• lParam：同訊息有關的長參數；

調用該函數時，如果即將接收訊息的線程沒有建立訊息迴圈，則該函數執行失敗。

四、Win32 API多線程編程常式

常式1 MultiThread1

1. 建立一個基於對話方塊的工程MultiThread1，在對話方塊IDD_MULTITHREAD1_DIALOG中加入兩個按鈕和一個編輯框，兩個按鈕的ID分別是IDC_START，IDC_STOP ，標題分別為“啟動”，“停止”，IDC_STOP的屬性選中Disabled；編輯框的ID為IDC_TIME ，屬性選中Read-only；
   　
2. 在MultiThread1Dlg.h檔案中添加線程函式宣告：

   void ThreadFunc();

   注意，線程函數的聲明應在類CMultiThread1Dlg的外部。 在類CMultiThread1Dlg內部添加protected型變數：

   HANDLE hThread;DWORD ThreadID;

   分別代表線程的控制代碼和ID。 
   　

3. 在MultiThread1Dlg.cpp檔案中添加全域變數m_bRun ：

   volatile BOOL m_bRun;

   m_bRun 代表線程是否正在運行。

   你要留意到全域變數 m_bRun 是使用 volatile 修飾符的，volatile 修飾符的作用是告訴編譯器無需對該變數作任何的最佳化，即無需將它放到一個寄存器中，並且該值可被外部改變。對於多線程引用的全域變數來說，volatile 是一個非常重要的修飾符。

   編寫線程函數：

   void ThreadFunc(){CTime time;CString strTime;m_bRun=TRUE;while(m_bRun){time=CTime::GetCurrentTime();strTime=time.Format("%H:%M:%S");::SetDlgItemText(AfxGetMainWnd()->m_hWnd,IDC_TIME,strTime);Sleep(1000);}}

   該線程函數沒有參數，也不返回函數值。只要m_bRun為TRUE，線程一直運行。

   雙擊IDC_START按鈕，完成該按鈕的訊息函數：

   void CMultiThread1Dlg::OnStart() {// TODO: Add your control notification handler code herehThread=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadFunc,NULL,0,&ThreadID);GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(FALSE);GetDlgItem(IDC_STOP)->EnableWindow(TRUE);}

   雙擊IDC_STOP按鈕，完成該按鈕的訊息函數：

   void CMultiThread1Dlg::OnStop() {// TODO: Add your control notification handler code herem_bRun=FALSE;GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(TRUE);GetDlgItem(IDC_STOP)->EnableWindow(FALSE);}

   編譯並運行該常式，體會使用Win32 API編寫的多線程。

常式2 MultiThread2

　　該線程示範了如何傳送一個一個整型的參數到一個線程中，以及如何等待一個線程完成處理。

1. 建立一個基於對話方塊的工程MultiThread2，在對話方塊IDD_MULTITHREAD2_DIALOG中加入一個編輯框和一個按鈕，ID分別是IDC_COUNT，IDC_START ，按鈕控制項的標題為“開始”；
2. 在MultiThread2Dlg.h檔案中添加線程函式宣告：

   void ThreadFunc(int integer);

   注意，線程函數的聲明應在類CMultiThread2Dlg的外部。

   在類CMultiThread2Dlg內部添加protected型變數:

   HANDLE hThread;DWORD ThreadID;

   分別代表線程的控制代碼和ID。
   　

3. 開啟ClassWizard，為編輯框IDC_COUNT添加int型變數m_nCount。 在MultiThread2Dlg.cpp檔案中添加：

   void ThreadFunc(int integer){int i;for(i=0;i<integer;i++){Beep(200,50);Sleep(1000);}} 

   雙擊IDC_START按鈕，完成該按鈕的訊息函數：

   void CMultiThread2Dlg::OnStart() {UpdateData(TRUE);int integer=m_nCount;hThread=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadFunc,(VOID*)integer,0,&ThreadID);GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(FALSE);WaitForSingleObject(hThread,INFINITE);GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(TRUE);}

   順便說一下WaitForSingleObject函數，其函數原型為：

   DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle,DWORD dwMilliseconds);

   • hHandle為要監視的對象（一般為同步對象，也可以是線程）的控制代碼；
   • dwMilliseconds為hHandle對象所設定的逾時值，單位為毫秒；

   　　當在某一線程中調用該函數時，線程暫時掛起，系統監視hHandle所指向的對象的狀態。如果在掛起的dwMilliseconds毫秒內，線程所等待的對象變為有訊號狀態，則該函數立即返回；如果逾時時間已經到達dwMilliseconds毫秒，但hHandle所指向的對象還沒有變成有訊號狀態，函數照樣返回。參數dwMilliseconds有兩個具有特殊意義的值：0和INFINITE。若為0，則該函數立即返回；若為INFINITE，則線程一直被掛起，直到hHandle所指向的對象變為有訊號狀態時為止。
   　　本常式調用該函數的作用是按下IDC_START按鈕後，一直等到線程返回，再恢複IDC_START按鈕正常狀態。 編譯運行該常式並細心體會。

常式3 MultiThread3

傳送一個結構體給一個線程函數也是可能的，可以通過傳送一個指向結構體的指標參數來完成。 先定義一個結構體：

typedef struct{ int firstArgu, long secondArgu,…}myType,*pMyType;

建立線程時

CreateThread(NULL,0,threadFunc,pMyType,…);

在threadFunc函數內部，可以使用“強制轉換”：

int intValue=((pMyType)lpvoid)->firstArgu;long longValue=((pMyType)lpvoid)->seconddArgu;……

常式3 MultiThread3將示範如何傳送一個指向結構體的指標參數。

1. 建立一個基於對話方塊的工程MultiThread3，在對話方塊IDD_MULTITHREAD3_DIALOG中加入一個編輯框IDC_MILLISECOND，一個按鈕IDC_START，標題為“開始” ，一個進度條IDC_PROGRESS1；
2. 開啟ClassWizard，為編輯框IDC_MILLISECOND添加int型變數m_nMilliSecond，為進度條IDC_PROGRESS1添加CProgressCtrl型變數m_ctrlProgress；
3. 在MultiThread3Dlg.h檔案中添加一個結構的定義：

   struct threadInfo{UINT nMilliSecond;CProgressCtrl* pctrlProgress;};

   線程函數的聲明：

   UINT ThreadFunc(LPVOID lpParam);

   注意，二者應在類CMultiThread3Dlg的外部。 

   在類CMultiThread3Dlg內部添加protected型變數:

   HANDLE hThread;DWORD ThreadID;

   分別代表線程的控制代碼和ID。

4. 在MultiThread3Dlg.cpp檔案中進行如下操作：

   定義公開變數 threadInfo Info；
   雙擊按鈕IDC_START，添加相應訊息處理函數：

   void CMultiThread3Dlg::OnStart() {// TODO: Add your control notification handler code hereUpdateData(TRUE);Info.nMilliSecond=m_nMilliSecond;Info.pctrlProgress=&m_ctrlProgress;hThread=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadFunc,&Info,0,&ThreadID);/*GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(FALSE);WaitForSingleObject(hThread,INFINITE);GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(TRUE);*/}

   在函數BOOL CMultiThread3Dlg::OnInitDialog()中添加語句：

   {……// TODO: Add extra initialization herem_ctrlProgress.SetRange(0,99);m_nMilliSecond=10;UpdateData(FALSE);return TRUE;  // return TRUE  unless you set the focus to a control}

   添加線程處理函數：UINT ThreadFunc(LPVOID lpParam)

   {threadInfo* pInfo=(threadInfo*)lpParam;for(int i=0;i<100;i++){int nTemp=pInfo->nMilliSecond;pInfo->pctrlProgress->SetPos(i);Sleep(nTemp);}return 0;}

   　　順便補充一點，如果你在void CMultiThread3Dlg::OnStart() 函數中添加/* */語句，編譯運行你就會發現進度條不進行重新整理，主線程也停止了反應。什麼原因呢？ 這是因為WaitForSingleObject函數等待子線程（ThreadFunc）結束時，導致了線程死結。因為WaitForSingleObject函數會將主線程掛起（任何訊息都得不到處理），而子線程ThreadFunc正在設定進度條，一直在等待主線程將重新整理訊息處理完畢返回才會檢測通知事件。這樣兩個線程都在互相等待，死結發生了，編程時應注意避免。

常式4 MultiThread4

該常式測試在Windows下最多可建立線程的數目。

1. 建立一個基於對話方塊的工程MultiThread4，在對話方塊IDD_MULTITHREAD4_DIALOG中加入一個按鈕IDC_TEST和一個編輯框IDC_COUNT，按鈕標題為“測試” ， 編輯框屬性選中Read-only；
2. 在MultiThread4Dlg.cpp檔案中進行如下操作：

   添加公開變數

   volatile BOOL m_bRunFlag=TRUE; 

   該變數表示是否還能繼續建立線程。

   添加線程函數：

   DWORD WINAPI threadFunc(LPVOID threadNum){while(m_bRunFlag){Sleep(3000);}return 0;}

   只要 m_bRunFlag 變數為TRUE，線程一直運行。

   雙擊按鈕IDC_TEST，添加其響應訊息函數：

   void CMultiThread4Dlg::OnTest() {DWORD threadID;GetDlgItem(IDC_TEST)->EnableWindow(FALSE);long nCount=0;while(m_bRunFlag){if(CreateThread(NULL,0,threadFunc,NULL,0,&threadID)==NULL){m_bRunFlag=FALSE;break;}else{nCount++;}}   //不斷建立線程，直到再不能建立為止m_nCount=nCount;UpdateData(FALSE);Sleep(5000);   //延時5秒，等待所有建立的線程結束GetDlgItem(IDC_TEST)->EnableWindow(TRUE);    m_bRunFlag=TRUE;}

（ 未完待續）