Windows線程同步詳解

標籤：Windows；線程；

線程同步問題

在多線程編程中，極容易產生錯誤。造成錯誤的原因：兩個或多個線程同時訪問了共有的資源（比如全域變數，控制代碼，對空間等），造成資源在不同線程修改時出現不一致。多個線程對於資源的訪問要按照一定的先後順序，但是未按照預想的順序來，就會導致程式出現意想不到的錯誤。
問題執行個體：（環境：vs2015 控制台程式)

#include<Windows.h>#include<stdio.h>int g_nNum = 0;DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lParam){for (int i = 0; i < 10000; i++){g_nNum++;}printf("%d", g_nNum);return 0;}int main(){//建立線程1HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, NULL, ThreadProc, NULL, NULL, NULL);//建立線程2HANDLE HThread2 = CreateThread(NULL, NULL, ThreadProc, NULL, NULL, NULL);WaitForSingleObject(hThread1, INFINITE); //線程1執行完畢後返回WaitForSingleObject(HThread2, INFINITE); //線程2執行完畢後返回printf("%d\n", g_nNum);return 0;}

第一次執行結果：
11789
17876
17876
第二次執行結果：
20000
15844
20000
按照預期，g_nNum在兩個線程中應該各自自增10000，而實際上，g_nNum的值確是不確定的。
首先來看一下自增這個簡單的操縱在彙編層的代碼：

00AE1419 mov eax,dword ptr ds [00AE8134h]00AE141E add eax,100AE1421 mov dword ptr ds:[00AE8134h],eax

兩個線程同時執行g_nNum++這個操作，有可能線程1執行了add eax，還沒有將將自增的結果寫入，線程2又開始執行，當線程1再執行的時候，線程2的執行就相當於已經無用。因為線程的調度是不可控的，所以我們不能預知最後的結果。

解決方案：**

1.原子操作
原子操作是一些比較簡單的操作，只能對資源進行簡單的加減賦值等。當運用原子操作訪問某資料時，其他線程不能在此次操作結束前訪問此資料，即不允許兩個線程同時操作一個資料，當然，也不允許三個。原子操作就像廁所，只允許一個人進入。
常見的原子操作函數自行百度

int g_nNum = 0;DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lParam){for (int i = 0; i < 10000; i++){//原子操作中的自增，其他的原子操作函數自行百度InterlockedIncrement((unsigned long*)&g_nNum);}printf("%d", g_nNum);return 0;}int main(){HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, NULL, ThreadProc, NULL, NULL, NULL);HANDLE HThread2 = CreateThread(NULL, NULL, ThreadProc, NULL, NULL, NULL);WaitForSingleObject(hThread1, INFINITE);WaitForSingleObject(HThread2, INFINITE);printf("%d\n", g_nNum);return 0;}

運行結果
10000
20000
20000

2.臨界區

原子操作僅能夠解決單獨的資料（整型變數的基本運算）的線程同步問題，大多數時候，我們想要實現的是對一個程式碼片段的保護，於是便引入了臨界區這一概念。臨界區通過EnterCriticalSection與LeaveCriticalSection這一對函數，通過這個函數對，就可以實現多個代碼保護區。在使用臨界區前，需要調用InitiaizeCriticalSection初始化一個臨界區，使用完後調用DeleteCriticalSection銷毀臨界區。

#include <windows.h>CRITICAL_SECTION cs = {};int g_nNum = 0;DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lParam) {    // 2. 進入臨界區    // cs有個屬性LockSemaphore是不是被鎖定    // 當調用EnterCriticalSection表示臨界區被鎖定，OwningThread就是該線程    // 其他調用EnterCriticalSection，會檢查和鎖定時的線程是否是同一個線程    // 如果不是，調用Enter的線程就阻塞    // 如果是，就把鎖定計數LockCount+1    // 有幾次Enter就得有幾次Leave    // 但是，不是擁有者線程的人不能主動Leave    EnterCriticalSection(&cs);    for (int i = 0; i < 100000; i++)    {        g_nNum++;    }    printf("%d\n", g_nNum);    // 3. 離開臨界區    // 萬一，還沒有調用Leave，該線程就崩潰了，或死迴圈了..    // 外面等待的人就永遠等待    // 臨界區不是核心對象， 不能跨進程同步    LeaveCriticalSection(&cs);    return 0;}int main(){    // 1. 初始化臨界區    InitializeCriticalSection(&cs);    HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, NULL, ThreadProc, NULL, NULL, NULL);    HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, NULL, ThreadProc, NULL, NULL, NULL);    WaitForSingleObject(hThread1, INFINITE);    WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);    printf("%d\n", g_nNum);    // 4. 銷毀臨界區    DeleteCriticalSection(&cs);    return 0;}

3.互斥體

臨界區有很多解決不了的問題，因為臨界區在一個進程中有效，無法在多進程的情況下進行同步。並且，如果一個線程進入到臨界區，結果這個線程由於某些原因奔潰了，即無法執LeaveCriticalSection（），那麼其他線程將無法再進入臨界區，程式奔潰。而互斥體則可以解決這些問題。
首先，互斥體是一個核心對象。（因此互斥體擁有核心對象的一切屬性）它有兩個狀態，激發態和非激發態；它有一個概念叫做線程擁有權，與臨界區類似；等待函數等待互斥體的副作用，將互斥體的擁有者設定為本線程，然後將互斥體的狀態設定為非激發態。
主要函數：CreateMutex（）；WaitForSingleObject（）；ReleaseMutex（）；函數用法自行百度。
當一個線程A調用WaitForSingleObject函數時，WaitForSingleObject會立即返回，將並將互斥體設為非激發態，互斥體被鎖住，此線程獲得擁有權。之後，任何調用WaitForSingleObject的線程無法獲得所有權，必須等待互斥體。當線程A調用ReleaseMutex時，互斥體被解鎖，此時互斥體又被設定為激發態，並會從等待它的線程中隨機選一個，重複前面的過程。互斥體一次只能被一個線程擁有，在WaitXXXX與ReleaseMutex之間的代碼被保護起來，這一點與臨界區類似，只不過互斥體是一個核心對象，可以進行多進程同步。

#include <windows.h>#include<stdio.h>HANDLE hMutex = 0;int g_nNum = 0;// 臨界區和互斥體比較// 1. 互斥體是個核心對象，可以跨進程同步,臨界區不行// 2. 當他們的擁有者線程都崩潰的時候，互斥體可以被系統釋放，變為有訊號，其他的等待函數可以正常返回// 臨界區不行,如果都是假死(死迴圈，無響應)，他們都會死結// 3. 臨界區不是核心對象，所以訪問速度比互斥體快DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lParam) {    // 等待某個核心對象，有訊號就返回，無訊號就一直等待    // 返回時把等待的對象變為無訊號狀態    WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);    for (int i = 0; i < 100000; i++)    {        g_nNum++;    }    printf("%d\n", g_nNum);    // 把互斥體變為有訊號狀態    ReleaseMutex(hMutex);    return 0;}int main(){    // 1. 建立一個互斥體    hMutex = CreateMutex(        NULL,        FALSE,// 是否建立時就被當先線程擁有        NULL);// 互斥體名稱    HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, NULL, ThreadProc, NULL, NULL, NULL);    HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, NULL, ThreadProc, NULL, NULL, NULL);    WaitForSingleObject(hThread1, INFINITE);    WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);    printf("%d\n", g_nNum);    return 0;}

4.訊號量

訊號量與互斥體類似。不過訊號量中引入了訊號數量的概念。如果說互斥體是家裡廁所，在一個時間點只能一個人使用，那訊號量就是公用廁所，可以多個人同時使用，但是仍有上限。這個上限數量即最大訊號數量。
主要函數：CreateSemaphore（）；OpenSemaphore（）；ReleaseSemaphore（）；WaitForSingleObject（）； 函數用法自行百度
當有線程調用了WaitForSingleObject（）；當前訊號量減一，再有線程調用，再減一。為0時，即訊號量被鎖住，再有線程調用WaitForSingleObject時，將被阻塞。

#include <windows.h>#include <stdio.h>HANDLE hSemphore;int g_nNum = 0;DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lParam) {        WaitForSingleObject(hSemphore, INFINITE);    for (int i = 0; i < 100000; i++)    {        g_nNum++;    }    printf("%d\n", g_nNum);    ReleaseSemaphore(hSemphore,        1,// 釋放的訊號個數可以大於1，但是釋放後的訊號個數+之前的不能大於最大值，否則釋放失敗        NULL);    return 0;}int main(){     hSemphore = CreateSemaphore(        NULL,        1,// 初始訊號個數        1,// 最大訊號個數，就是允許同時訪問保護資源的線程數        NULL);    HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, NULL, ThreadProc, NULL, NULL, NULL);    HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, NULL, ThreadProc, NULL, NULL, NULL);    WaitForSingleObject(hThread1, INFINITE);    WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);    printf("%d\n", g_nNum);    return 0;}

5.事件

事件具有較大的許可權。可以手動設定事件對象為激發態還是非激發態。建立時間對象的時候，可以設定是自動選擇和手動選擇。自動選擇的事件，等待函數返回時，會自動將其狀態設定為非激發態，阻塞其他線程。手動選擇的，事件對象狀態的控制全靠代碼。
主要函數：CreateEventW（）；OpenEventA（）；SetEvent（）；PulseEvent（）；
CloseEvent（）；RoseEvent（）；

#include <windows.h>#include<stdio.h>HANDLE hEvent1, hEvent2;DWORD WINAPI ThreadProcA(LPVOID lParam) {    for (int i = 0; i < 10; i++){        WaitForSingleObject(hEvent1, INFINITE);        printf("A ");        SetEvent(hEvent2);    }    return 0;}DWORD WINAPI ThreadProcB(LPVOID lParam) {    for (int i = 0; i < 10; i++){        WaitForSingleObject(hEvent2, INFINITE);        printf("B ");        SetEvent(hEvent1);    }    return 0;}int main(){    // 事件對象，高度自訂的     hEvent1 = CreateEvent(        NULL,        FALSE,// 自動重設        TRUE,// 有訊號        NULL);    // hEvent1自動重設  初始有訊號  任何人通過setevent變為有訊號 resetevent變為無訊號    // hEvent2自動重設  初始無訊號     hEvent2 = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);    HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, NULL, ThreadProcA, NULL, NULL, NULL);    HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, NULL, ThreadProcB, NULL, NULL, NULL);    WaitForSingleObject(hThread1, INFINITE);    WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);    return 0;}

Windows線程同步詳解