多线程--原子操作 Interlocked系列函数

[转]原文地址：http://blog.csdn.net/morewindows/article/details/7429155

线程同步与互斥: 互斥主要指多个线程不能同时访问一个资源，如打印机就是互斥资源。同步是指多个线程要按一定的次序访问，如上餐馆吃饭，只有菜上桌后你才能吃。互斥其实是一种特殊的同步。

先看一个程序:

#include <stdio.h>
#include <process.h>
#include <windows.h>
volatile long g_nLoginCount; //登录次数
const int THREAD_NUM = 10; //启动线程数
unsigned int __stdcall ThreadFun(void *pPM)
{   //使用了sleep是为了使得每个线程的执行之间有延迟，从而产生线程之间的干扰
    Sleep(100); //some work should to do
    g_nLoginCount++;
    Sleep(50);
    return 0;
}
int main()
{
    g_nLoginCount = 0;  

    HANDLE  handle[THREAD_NUM];
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
        handle[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ThreadFun, NULL, 0, NULL);  

    WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);
    printf("有%d个用户登录后记录结果是%d\n", THREAD_NUM, g_nLoginCount);
    return 0;
}

程序中模拟的是10个用户登录，程序将输出结果：

程序输出的结果好象并没什么问题。下面我们增加点用户来试试，现在模拟50个用户登录，为了便于观察结果，在程序中将50个用户登录过程重复20次，代码如下：

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
volatile long g_nLoginCount; //登录次数
const DWORD THREAD_NUM = 50;//启动线程数
DWORD WINAPI ThreadFun(void *pPM)
{
    Sleep(100); //some work should to do
    g_nLoginCount++;
    Sleep(50);
    return 0;
}
int main()
{
    printf("     原子操作 Interlocked系列函数的使用\n");
    printf(" -- by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) --\n\n");  

    //重复20次以便观察多线程访问同一资源时导致的冲突
    int num= 20;
    while (num--)
    {
        g_nLoginCount = 0;
        int i;
        HANDLE  handle[THREAD_NUM];
        for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
            handle[i] = CreateThread(NULL, 0, ThreadFun, NULL, 0, NULL);
        WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);  //最大等待数为64
        printf("有%d个用户登录后记录结果是%d\n", THREAD_NUM, g_nLoginCount);
    }
    return 0;
}

运行结果如下图：

现在结果水落石出，明明有50个线程执行了g_nLoginCount++;操作，但结果输出是不确定的，有可能为50，但也有可能小于50。

要解决这个问题，我们就分析下g_nLoginCount++;操作。在VC6.0编译器对g_nLoginCount++;这一语句打个断点，再按F5进入调试状态，然后按下Debug工具栏的Disassembly按钮，这样就出现了汇编代码窗口。可以发现在C/C++语言中一条简单的自增语句其实是由三条汇编代码组成的，如下图所示。

讲解下这三条汇编意思：

第一条汇编将g_nLoginCount的值从内存中读取到寄存器eax中。

第二条汇编将寄存器eax中的值与1相加，计算结果仍存入寄存器eax中。

第三条汇编将寄存器eax中的值写回内存中。

这样由于线程执行的并发性，很可能线程A执行到第二句时，执行B，假设B执行结束后，继续执行A，其实寄存器eax是会恢复到A最后的值，这样导致的结果是线程B的执行结果被A覆盖，相当于B没有执行。这样执行下来，结果是不可预知的——可能会出现50，可能小于50。(每个线程的寄存器是私有的，切换线程时会保存各寄存)

因此在多线程环境中对一个变量进行读写时，我们需要有一种方法能够保证对一个值的递增操作是原子操作——即不可打断性，一个线程在执行原子操作时，其它线程必须等待它完成之后才能开始执行该原子操作。这种涉及到硬件的操作会不会很复杂了，幸运的是，Windows系统为我们提供了一些以Interlocked开头的函数来完成这一任务（下文将这些函数称为Interlocked系列函数）。

下面列出一些常用的Interlocked系列函数：

1.增减操作

LONG__cdecl InterlockedIncrement(LONG volatile* Addend);

LONG__cdecl InterlockedDecrement(LONG volatile* Addend);

返回变量执行增减操作之后的值。

LONG__cdec InterlockedExchangeAdd(LONG volatile* Addend, LONGValue);

返回运算后的值，注意！加个负数就是减。

2.赋值操作

LONG__cdecl InterlockedExchange(LONG volatile* Target, LONGValue);

Value就是新值，函数会返回原先的值。

在本例中只要使用InterlockedIncrement()函数就可以了。将线程函数代码改成：

再次运行，可以发现结果会是唯一的。

因此，在多线程环境下，我们对变量的自增自减这些简单的语句也要慎重思考，防止多个线程导致的数据访问出错。