【Windows】線程漫談——線程同步之訊號量和互斥量

本系列意在記錄Windwos線程的相關知識點，包括線程基礎、線程調度、線程同步、TLS、線程池等

 

訊號量核心對象

訊號量核心對象用來進行資源計數，它包含一個使用計數、最大資源數、當前資源計數。最大資源數表示訊號量可以控制的最大資源數量，當前資源數表示訊號當前可用的資源數量。

設想一個情境：需要開發一個伺服器處理序，最多同時運行5個線程來響應用戶端請求，應該設計一個“線程池”。最開始的時候，5個線程都應該在等待狀態，如果有一個用戶端請求到來，那麼喚醒其中的一個線程以處理用戶端請求，如果同時的請求數量為5，那麼5個線程將全部投入使用，再多的請求應該被放棄。也就是說，隨著用戶端請求的增加，當前資源計數隨之遞減。

我們可能需要這樣的一個核心對象來實現這個功能：初始化5個線程並同時等待一個核心對象觸發，當一個用戶端請求到來時，試圖觸發核心對象，這樣5個線程中隨機一個被喚醒，並且自動使核心對象變為未觸發。外部判斷上限是否到達5。表面看來似乎用“自動重設的事件對象”即可實現這個功能啊，為什麼要涉及到訊號量呢？因為訊號量還可以控制一次喚醒多少個線程！！而且這個例子只是訊號量的一個用途，後面我們會看到一個更實際的用途。

總結一下，訊號量核心對象是這樣的一種對象：它維護一個資源計數，當資源計數大於0，處於觸發狀態；資源計數等於0時，處於未觸發狀態；資源計數不可能小於0，也絕不可能大於資源計數上限。展示了這種核心對象的特點：

如，只有資源計數>0時才是觸發狀態，資源=0時為未觸發狀態，而WaitForSingleObject成功將遞減資源計數，調用ReleaseSemaphore將增加資源計數。

下面兩個函數CreateSemaphore和CreateSemaphoreEx用於建立訊號量對象：

HANDLE WINAPI CreateSemaphore(  __in_opt  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,//核心對象安全性描述元  __in      LONG lInitialCount,//資源計數的初始值  __in      LONG lMaximumCount,//資源計數的最大值  __in_opt  LPCTSTR lpName //核心對象命名);HANDLE WINAPI CreateSemaphoreEx(  __in_opt    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,  __in        LONG lInitialCount,  __in        LONG lMaximumCount,  __in_opt    LPCTSTR lpName,  __reserved  DWORD dwFlags,  __in        DWORD dwDesiredAccess);

任何進程可以用OpenSemaphore來得到一個命名的訊號量：

HANDLE WINAPI OpenSemaphore(  __in  DWORD dwDesiredAccess,  __in  BOOL bInheritHandle,  __in  LPCTSTR lpName);

線程通過調用ReleaseSemaphore來遞增資源計數，不一定每次只遞增1，可以設定遞增任意值。當將要超過資源上限值的時候，ReleaseSemaphore會返回FALSE。

BOOL WINAPI ReleaseSemaphore(  __in       HANDLE hSemaphore,  __in       LONG lReleaseCount,//可以設定遞增的值  __out_opt  LPLONG lpPreviousCount//返回先前的資源計數);

 

互斥量核心對象

互斥量（mutex）用來確保一個線程獨佔對一個資源的訪問。互斥量包含一個使用計數、線程ID和一個遞迴計數，互斥量與關鍵段的行為幾乎相同（因為它記錄了線程ID和遞迴計數，使得互斥量可以支援遞迴調用的情況）。互斥量的規則十分簡單：如果線程ID為0（即沒有線程獨佔它），那麼它處於觸發狀態，任何試圖等待該對象的線程都將獲得資源的獨佔訪問；如果線程ID不為0，那麼它處於未觸發狀態，任何試圖等待該對象的線程都將等待。

可以使用CreateMutex或者CreateMutexEx建立互斥對象：

HANDLE WINAPI CreateMutex(  __in_opt  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,  __in      BOOL bInitialOwner,//初始化對象的狀態，如果傳入FALSE則會初始化為觸發狀態，如果傳入TRUE，那麼對象的線程ID會被設定成當前調用線程，並初始化為未觸發  __in_opt  LPCTSTR lpName);HANDLE WINAPI CreateMutexEx(  __in_opt  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,  __in_opt  LPCTSTR lpName,  __in      DWORD dwFlags,  __in      DWORD dwDesiredAccess);

一如既往，OpenMutex用於開啟一個已經命名的互斥量核心對象：

HANDLE WINAPI OpenMutex(  __in  DWORD dwDesiredAccess,  __in  BOOL bInheritHandle,  __in  LPCTSTR lpName);

線程在獲得對獨佔資源的存取權限之後，可以正常執行相關的邏輯，當需要釋放互斥對象的時候可以調用ReleaseMutex：

BOOL WINAPI ReleaseMutex(  __in  HANDLE hMutex);

互斥量與其他核心對象不同，它會記錄究竟是哪個線程佔用了共用資源，結合遞迴計數，同一個線程可以在獲得共用資源之後繼續訪問共用資源，這個行為就像關鍵段一樣。然而互斥量和關鍵段從本質上是不同的，關鍵段是使用者模式的線程同步方法，而互斥量是核心模式的線程同步方式。

 

介紹完這兩個核心對象後，我們思考一下前面在【Windows】線程漫談——線程同步之Slim讀/寫鎖中設計的一個情境：有一個共用的隊列，2個服務端線程負責讀取隊列中的條目以處理，2個用戶端線程負責寫入隊列中的條目以使服務先端線程處理，當隊列中沒有條目的時候應當掛起服務端線程，直到有條目進入時才被喚醒，另一方面，當隊列已滿時，用戶端線程應當掛起直到服務端至少處理了一個條目，以釋放至少一個條目的空間。

現在我們來用訊號量和互斥量來實現同樣的功能，下面的流程圖分別是用戶端寫入線程和服務端讀取線程的邏輯：

1.首先建立一個互斥量對象m_hmtxQ，並初始化為未觸發狀態；之後建立一個訊號量對象，並設定最大資源計數為隊列的長度，初始化資源計數為0，正好表徵隊列元素的個數。

m_hmtxQ = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);m_hsemNumElements = CreateSemaphore(NULL,0,nMaxElements,NULL);

2.設計用戶端核心邏輯如：

WatiForSingleObject：試圖獲得隊列的獨佔存取權限，對於這個隊列無論是讀還是寫都應該是線程獨佔的。因此，使用互斥量對象來同步；

ReleaseSemaphore：試圖增加一個資源計數，表徵用戶端想要向隊列中增加一個元素，當然隊列可能現在已經滿了，對應的資源計數已達到計數上限，此時ReleaseSemaphore會返回FALSE，這樣用戶端就不能像隊列中插入元素。反之，如果ReleaseSemaphore返回TRUE，表示隊列沒有滿，用戶端可以向隊列中插入元素。

ReleaseMutex：無論用戶端是否能夠像隊列中插入元素，在結束訪問後，都應該釋放互斥對象，以便其他線程能夠進入臨界資源。

3.設計服務端核心邏輯如：

WatiForSingleObject：試圖獲得隊列的獨佔存取權限，對於這個隊列無論是讀還是寫都應該是線程獨佔的。因此，使用互斥量對象來同步；

WaitForSingleObject(m_hsemNumElements…)：試圖檢查訊號量對象是否是觸發狀態。只有是觸發狀態的訊號量對象，線程才能進入；也就意味著：隊列中只要有元素（資源>0，觸發狀態），服務端就能讀取。反之，如果隊列中沒有元素（資源=0，未觸發狀態），服務端將暫時不能訪問隊列，這時應該立即釋放Mutex。

ReleaseMutex：無論用戶端是否能夠像隊列中插入元素，在結束訪問後，都應該釋放互斥對象，以便其他線程能夠進入臨界資源。

 

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