《Windows via C/C++》學習筆記 —— 使用者模式的“線程同步”之“互鎖函數族”

　　線程需要相互連信，當多個線程訪問共用資源的時候；當一個線程結束一個任務，然後要通知另一個線程的時候，我們需要進行線程同步的控制。

　　要讓共用資源不被破壞，或者讓另一個線程能夠在適當的時候被調度，這就是線程同步需要解決的問題。

 

　　Windows Vista提供了多種線程同步的方法，這裡主要介紹在使用者模式下的線程同步。

1、互鎖函數族：Interlocked*函數群（*表示省略後面的字元，即以Interlocked開頭）。

2、關鍵程式碼片段：Criticle Sections

3、讀寫鎖：Slim Read-Write Locks

4、狀態變數：Condition Variable

 

互瑣函數族

　　本質上是對一個變數進行原子性的修改，在修改的時候不受到其他線程的幹擾。也就是說，“讀數”、“修改”、“寫回”這3個操作是一個整體，中間沒有停頓，不可分割。

　　考慮如下代碼：

long g_x = 0;
DWORD WINAPI ThreadFunc1(PVOID pvParam) {
   g_x++;
   return(0);
}
DWORD WINAPI ThreadFunc2(PVOID pvParam) {
   g_x++;
   return(0);
}
　　兩個線程共用一個全域變數，當這兩個線程都執行完成之後，g_x會變成2，但是事實一定是這樣嗎？

　　“g_x++”這條語句包含了三個過程：1、取得g_x的值，送到寄存器中；2、把寄存器中的值加1；3、將得到的新的值寫回到原來g_x所對應的儲存單元中。

　　設想如下情形：線程1首先取得g_x的值，送到EAX寄存器中，然後對EAX中的數值加1，然後由於某種原因暫停執行。這個時候，CPU分配給了線程2，然後線程2取得g_x的值，也把它送到EAX寄存器中，這樣EAX裡面原來的值就被這個時候的g_x（數值為0）覆蓋了，然後線程2將EAX中的數值加1，當線程2寫回的時候，把1寫回到了g_x中。然後線程1恢複執行，將資料從EAX中寫回，它寫回的也是1，而不是2！

　　可見，這兩個線程相互之間會干擾對方的行動，從而可能破壞共用的資料。上面討論的這種情況，是典型的“丟失修改”。同時，還可能有“讀髒資料”、“不可重複讀取”等同步問題。

 

　　可以使用“互鎖函數族”解決上述問題，你可以調用下面兩個函數來代替g_x++:

LONG InterlockedExchangeAdd(

   PLONG volatile plAddend,
   LONG lIncrement);

LONGLONG InterlockedExchangeAdd64(
   PLONGLONG volatile pllAddend,
   LONGLONG llIncrement);

　　這兩個函數第一參數可以理解為“被加數”（其實傳遞的是一個數值的地址），第二個參數可以理解為“加數”。就相當於執行“*plAddend = *plAddend + lIncrement”。唯一的區別“取數”、“修改”、“寫回”成了一個統一的整體，是一個不可分割原子操作。

　　你可以把上面代碼中的“g_x++”換成“InterlockedExchangeAdd(&g_x, 1)”。

　　你也可以將第二個參數寫為一個負數，就相當於執行減運算。

 

　　還有一些互鎖函數：

LONG InterlockedExchange(
   PLONG volatile plTarget,
   LONG lValue);

LONGLONG InterlockedExchange64(
   PLONGLONG volatile plTarget,
   LONGLONG lValue);

PVOID InterlockedExchangePointer(
   PVOID* volatile ppvTarget,
   PVOID pvValue);

　　這三個函數將第一個參數（一個指標）指向的資料替換為第二個參數中的值。這三個函數都返回第一個參數指向資料的原始值。

　　實現迴圈鎖的時候，InterlockedExchange函數比較有用。

BOOL g_fResourceInUse = FALSE;  //全域變數，指明資源是否正在被訪問

void Func1() {     //線程函數
   // 查看訪問標誌，如果當前值為TRUE表示正在被另一個線程使用，本線程等待
   while (InterlockedExchange (&g_fResourceInUse, TRUE) == TRUE)
      Sleep(0);
   ...     // 訪問資源

   InterlockedExchange(&g_fResourceInUse, FALSE);// 將訪問標誌設為FALSE
}

　　還有幾個使用者比較並修改值或指標的互鎖函數：

PVOID InterlockedCompareExchange(
   PLONG plDestination,
   LONG lExchange,
   LONG lComparand);

 

LONGLONG InterlockedCompareExchange64(
   LONGLONG pllDestination,
   LONGLONG llExchange,
   LONGLONG llComparand);

PVOID InterlockedCompareExchangePointer(
   PVOID* ppvDestination,
   PVOID pvExchange,
   PVOID pvComparand);

 

　　這三個函數負責執行一個原子的“比較和修改”操作。

　　第一個參數：指向需要被修改的值的指標；第二個參數：修改的值；第三個參數：被比較的值。

　　拿InterlockedCompareExchange為例。

　　函數比較*plDestination（第一個參數指向的值）和lComparand（第三個）的值是否相等，如果相等，則將plDestination指向的值修改為lExchange，否則，就不進行修改。最後，函數返回plDestination代表的原來的值。

 

　　 還有一些互鎖函數：

LONG InterlockedIncrement(PLONG plAddend);      //將參數指向的值加1
LONG InterlockedDecrement(PLONG plAddend);     //將參數指向的值減1

　　在Windows XP及其以上版本系統中，除了可以原子地操縱整型和布爾型的值之外，還可以通過一系列函數來操縱一個堆棧，稱為“Interlocked Singly Linked List”（互鎖單鏈表）。每一個操作，比如壓棧、出棧，都以原子的方式進行操作。

　　下表裡出了一些作用在“互鎖單鏈表”上的函數：

函數	描述
InitializeSListHead	建立一個空的堆棧
InterlockedPushEntrySList	壓棧
InterlockedPopEntrySList	出粘
InterlockedFlushSList	清空堆棧
QueryDepthSList	查詢堆棧中元素個數