C++訊號量 Semaphore 和 MFC中的 CSemaphore類使用

訊號量（Semaphore）核心對象對線程的同步方式與前面幾種方法不同，它允許多個線程在同一時刻訪問同一資源，但是需要限制在同一時刻訪問此資源的最大線程數目。在用CreateSemaphore（）建立訊號量時即要同時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定為最大資源計數，每增加一個線程對共用資源的訪問，當前可用資源計數就會減1，只要當前可用資源計數是大於0的，就可以發出訊號量訊號。但是當前可用計數減小到0時則說明當前佔用資源的線程數已經達到了所允許的最大數目，不能在允許其他線程的進入，此時的訊號量訊號將無法發出。線程在處理完共用資源後，應在離開的同時通過ReleaseSemaphore（）函數將當前可用資源計數加1。在任何時候當前可用資源計數決不可能大於最大資源計數。
訊號量是通過計數來對線程訪問資源進行控制的，而實際上訊號量確實也被稱作Dijkstra計數器。
使用訊號量核心對象進行線程同步主要會用到CreateSemaphore（）、OpenSemaphore（）、ReleaseSemaphore（）、WaitForSingleObject（）和WaitForMultipleObjects（）等函數。其中，CreateSemaphore（）用來建立一個訊號量核心對象，其函數原型為：
HANDLE CreateSemaphore(
　LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, // 安全屬性指標
　LONG lInitialCount, // 初始計數
　LONG lMaximumCount, // 最大計數
　LPCTSTR lpName // 對象名指標
); 
參數lMaximumCount是一個有符號32位值，定義了允許的最大資源計數，最大取值不能超過4294967295。lpName參數可以為建立的訊號量定義一個名字，由於其建立的是一個核心對象，因此在其他進程中可以通過該名字而得到此訊號量。OpenSemaphore（）函數即可用來根據訊號量名開啟在其他進程中建立的訊號量，函數原型如下：
HANDLE OpenSemaphore(
　DWORD dwDesiredAccess, // 訪問標誌
　BOOL bInheritHandle, // 繼承標誌
　LPCTSTR lpName // 訊號量名
); 
線上程離開對共用資源的處理時，必須通過ReleaseSemaphore（）來增加當前可用資源計數。否則將會出現當前正在處理共用資源的實際線程數並沒有達到要限制的數值，而其他線程卻因為當前可用資源計數為0而仍無法進入的情況。ReleaseSemaphore（）的函數原型為：
BOOL ReleaseSemaphore(
　HANDLE hSemaphore, // 訊號量控制代碼
　LONG lReleaseCount, // 計數遞增數量
　LPLONG lpPreviousCount // 先前計數
); 
該函數將lReleaseCount中的值添加給訊號量的當前資源計數，一般將lReleaseCount設定為1，如果需要也可以設定其他的值。WaitForSingleObject（）和WaitForMultipleObjects（）主要用在試圖進入共用資源的線程函數入口處，主要用來判斷訊號量的當前可用資源計數是否允許本線程的進入。只有在當前可用資源計數值大於0時，被監視的訊號量核心對象才會得到通知。
訊號量的使用特點使其更適用於對Socket（通訊端）程式中線程的同步。例如，網路上的HTTP伺服器要對同一時間內訪問同一頁面的使用者數加以限制，這時可以為沒一個使用者對伺服器的頁面請求設定一個線程，而頁面則是待保護的共用資源，通過使用訊號量對線程的同步作用可以確保在任一時刻無論有多少使用者對某一頁面進行訪問，只有不大於設定的最大使用者數目的線程能夠進行訪問，而其他的訪問企圖則被掛起，只有在有使用者退出對此頁面的訪問後才有可能進入。下面給出的範例程式碼即展示了類似的處理過程：

// 訊號量物件控點
HANDLE hSemaphore;
UINT ThreadProc15(LPVOID pParam)
{
　// 試圖進入訊號量關口
　WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE);
　// 線程任務處理
　AfxMessageBox("線程一正在執行!");
　// 釋放訊號量計數
　ReleaseSemaphore(hSemaphore, 1, NULL);
　return 0;
}
UINT ThreadProc16(LPVOID pParam)
{
　// 試圖進入訊號量關口
　WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE);
　// 線程任務處理
　AfxMessageBox("線程二正在執行!");
　// 釋放訊號量計數
　ReleaseSemaphore(hSemaphore, 1, NULL);
　return 0;
}
UINT ThreadProc17(LPVOID pParam)
{
　// 試圖進入訊號量關口
　WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE);
　// 線程任務處理
　AfxMessageBox("線程三正在執行!");
　// 釋放訊號量計數
　ReleaseSemaphore(hSemaphore, 1, NULL);
　return 0;
}
……
void CSample08View::OnSemaphore()
{
　// 建立訊號量對象
　hSemaphore = CreateSemaphore(NULL, 2, 2, NULL);
　// 開啟線程
　AfxBeginThread(ThreadProc15, NULL);
　AfxBeginThread(ThreadProc16, NULL);
　AfxBeginThread(ThreadProc17, NULL);
}
上述代碼在開啟線程前首先建立了一個初始計數和最大資源計數均為2的訊號量對象hSemaphore。即在同一時刻只允許2個線程進入由hSemaphore保護的共用資源。隨後開啟的三個線程均試圖訪問此共用資源，在前兩個線程試圖訪問共用資源時，由於hSemaphore的當前可用資源計數分別為2和1，此時的hSemaphore是可以得到通知的，也就是說位於線程入口處的WaitForSingleObject（）將立即返回，而在前兩個線程進入到保護地區後，hSemaphore的當前資源計數減少到0，hSemaphore將不再得到通知，WaitForSingleObject（）將線程掛起。直到此前進入到保護區的線程退出後才能得以進入。圖4和圖5為上述代脈的運行結果。從實驗結果可以看出，訊號量始終保持了同一時刻不超過2個線程的進入。

　　在MFC中，通過CSemaphore類對訊號量作了表述。該類只具有一個建構函式，可以構造一個訊號量對象，並對初始資源計數、最大資源計數、對象名和安全屬性等進行初始化，其原型如下：
CSemaphore( LONG lInitialCount = 1, LONG lMaxCount = 1, LPCTSTR pstrName = NULL, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsaAttributes = NULL ); 
　　在構造了CSemaphore類對象後，任何一個訪問受保護共用資源的線程都必須通過CSemaphore從父類CSyncObject類繼承得到的Lock（）和UnLock（）成員函數來訪問或釋放CSemaphore對象。與前面介紹的幾種通過MFC類保持線程同步的方法類似，通過CSemaphore類也可以將前面的線程同步代碼進行改寫，這兩種使用訊號量的線程同步方法無論是在實現原理上還是從實現結果上都是完全一致的。下面給出經MFC改寫後的訊號量線程同步代碼：

// MFC訊號量類對象
CSemaphore g_clsSemaphore(2, 2);
UINT ThreadProc24(LPVOID pParam)
{
　// 試圖進入訊號量關口
　g_clsSemaphore.Lock();
　// 線程任務處理
　AfxMessageBox("線程一正在執行!");
　// 釋放訊號量計數
　g_clsSemaphore.Unlock();
　return 0;
}
UINT ThreadProc25(LPVOID pParam)
{
　// 試圖進入訊號量關口
　g_clsSemaphore.Lock();
　// 線程任務處理
　AfxMessageBox("線程二正在執行!");
　// 釋放訊號量計數
　g_clsSemaphore.Unlock();
　return 0;
}
UINT ThreadProc26(LPVOID pParam)
{
　// 試圖進入訊號量關口
　g_clsSemaphore.Lock();
　// 線程任務處理
　AfxMessageBox("線程三正在執行!");
　// 釋放訊號量計數
　g_clsSemaphore.Unlock();
　return 0;
}
……
void CSample08View::OnSemaphoreMfc()
{
　// 開啟線程
　AfxBeginThread(ThreadProc24, NULL);
　AfxBeginThread(ThreadProc25, NULL);
　AfxBeginThread(ThreadProc26, NULL);
}