Windows编程之线程同步

本笔记整理自：《Windows核心编程（第五版）》

目录

• 什么是线程同步
• 用户方式中的线程同步
  • 原子访问：Interlocked系列函数
  • CRITICAL_SECTION：关键段
• 内核对象的同步方式
  • 事件内核对象
  • 可等待的计时器内核对象
  • 信号量内核对象
  • 互斥量内核对象

什么是线程同步

• 多个线程是并行运行的，而在对堆区的变量是公有变量，任何线程都可以对他们进行访问和修改。这就会引发x访问冲突的问题。当多个线程同时修改一个变量时，极有可能会产生逻辑上的错误，甚至程序崩溃。

用户方式中的线程同步

原子访问：Interlocked系列函数

InterlockedIncrement(LONG volatile *Addend)                                             // *Addend++;
InterlockedDecrement(LONG volatile *Addend)                                             // *Addend--;
InterlockedExchangeAdd(LONG volatile *Addend,LONG Value)                                // *Addend+=Value;
InterlockedExchangeSubtract(LONG volatile *Addend,LONG Value)                           // *Addend-=Value;
InterlockedExchange(LONG volatile *Target,LONG Value)                                   // *Target=Value;
TInterlockedExchangePointer(PVOID volatile *Target,PVOID Value)                         // *Target=&Value;
InterlockedCompareExchange(LONG volatile *Target,LONG Exchange,Long Compared)           // if(*Target==Compared) *pDest=Exchange;
InterlockedCompareExchangePointer(PVOID volatile *Target,PVOID Exchange,PVOID Compared) // if(*pDest==pCompare)   pDest=&value;

CRITICAL_SECTION：关键段

• 是一种实现原子操作的较为简单的方式
• 相关用法

//Samples:
CRITICAL_SECTION g_cs;
InitializeCriticalSection(&g_cs);
void thread_enter_function()
{
    EnterCriticalSection(&g_cs);

    //访问线程共享的变量
    //在此范围内，涉及到的数据只允许一个线程使用
    //To-DO:...

    LeaveCriticalSection(&g_cs);
}

• 相关函数

//初始化
VOID InitializeCriticalSection(PCRITICAL_SECTION* pcs);

//删除变量。当不需要这一结构体时，就可以调用此方法删除此变量
VOID DeleteCriticalSection(PCRITICAL_SECTION* pcs);

// 是否允许访问，可以用此函数代替EnterCriticalSection
// 每一个返回true的TryEnterCriticalSection的调用必须搭配一个LeaveCriticalSection
// 非挂起式关键段访问
// 若有其他线程访问此关键段，则返回FALSE。可以访问则放回TRUE
BOOL TryEnterCriticalSection(PCRITICAL_SECTION pcs);

//进入关键段（当有其他在访问时会挂起）
VOID EnterCriticalSection(PCRITICAL_SECTION pcs);

//离开关键段
VOID LeaveCriticalSection(PCRITICAL_SECTION pcs);

//设置挂起前试图访问锁的次数
//也就是说：若当前有其他地方正在访问关键段时，此处持续访问的次数，若超过这一次数，此处将会挂起。
SetCriticalSectionSpinCount(PCRITICAL_SECTION pcs,DWORD dwSpinCount);

//设置挂起前试图访问锁的次数并初始化变量
InitializeCriticalSectionAndSpinCount(PCRITICAL_SECTION pcs,DWORD dwSpinCount);

内核对象的同步方式

• 内核对象的同步是用什么来实现原子访问的呢？关键函数就是等待函数。

/*
 *  @params:
 *  hObject:要等待的内核对象
 *  dwMilliseconds：线程最多愿意花多长的时间来等待对象被触发。可以设为INFINITE来表示无限长的时间
 *
 *  @return:
 *  指定了当前的状态
 *      WAIT_OBJECT_0 : 表示等待的对象被触发
 *      WAIT＿TIMEOUT : 表示等待对象超过了dwMilliseconds
 *      WAIT_FAILED   : 给WaitForSingleObject传入了无效参数
 */
DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hObject,DWORD dwMilliseconds);

/*
 *  和WaitForSingleObject类似，区别在于此函数可以同时检查多个内核对象的触发情况
 *
 *  @params:
 *  dwCount : 希望函数检查内核对象的数量，范围是 [1 , MAXIMUM_WAIT_OBJECTS]
 *  phObjects : 内核对象数组
 *  bWaitAll ： 是否等待所有内核对象触发才取消堵塞（为false时只要有一个触发就取消堵塞）
 *  dwMilliseconds：线程最多愿意花多长的时间来等待对象被触发。可以设为INFINITE来表示无限长的时间
 *
 *  @return
 *  和WaitForSingleObject的区别在于：
 *  WAIT_OBJECT_0 : 表示等待的对象被触发1个
 *  WAIT_OBJECT_1 : 表示等待的对象被触发2个
 *  ...
 *  bWaitAll设为false,正常情况下返回[ 1 , WAIT_OBJECT_0+(dwCount-1) ]
 *
 *  PS:如果bWaitAll设为true,则返回WAIT_OBJECT_0
 */
DWORD WaitForMultipleObjects(DWORD dwCount,CONST HANDLE* phObjects,BOOL bWaitAll,DWORD dwMilliseconds);

基于此等待函数，下面将介绍四种内核对象。

事件内核对象

• 事件内核是最基本的对象。它主要管理：
  • 一个使用计数
  • 是否是人工重置事件的布尔值
  • 是否是触发状态的布尔值
• 人工重置事件VS自动重置事件
  • 人工重置事件：得到通知时，等待时间的所有线程均变为可调度线程。
  • 自动重置事件：得到通知时，等待该事件的线程只有一个变为可调度线程。系统会自动将事件对象状态设置为未激活状态
• 相关函数

/*
 *  @params
 *  psa:安全性结构体
 *  bManualReset : 创建的是一个手动事件（TRUE）还是自动重置事件（FALSE）
 *  bInitialState ： 初始的状态是触发（TRUE）还是未触发（FALSE）
 *  pszName：事件名称（唯一标识字符串）
 */
HANDLE CreateEvent(PSECURITY_ATTRIBUTES psa,BOOL bManualReset,BOOL bInitialState,PCTSTR pszName);

/*
 * 打开已存在的事件。（供其他线程访问此事件）
 *  @params
 *  dwDesireAccess：（int）指定对事件对象的请求访问权限，如果安全描述符指定的对象不允许要求通过对调用该函数的过程，函数将返回失败
 *  hInheriy：是否继承
 *  pszName：事件名称
 */
HANDLE OpenEvent(DWORD dwDesireAccess,BOOL hInheriy,PCTSTR pszName);

BOOL SetEvent(HANDLE hEvent);    //把事件设置为触发状态
BOOL ResetEvent(HANDLE hEvent);  //把事件设置为未触发状态
BOOL PulseEvent(HANDLE hEvent);  //触发一次或设置为未触发，相当于激发一次。（不常用）

可等待的计时器内核对象

在某个事件或按规定的间隔事件发出自己的信号通知的内核对象。

• 相关函数

/*
 *  @params:
 *  bManualReset:是手动重置计时器还是自动重置计时器
 */
HANDLE CreateWaitableTimer(PSECURITY_ATTRIBUTES psa,BOOL bManualReset,PCTSTR pszName)

//打开已存在的计时器内核对象
HANDLE OpenWaitableTimer(PSECURITY_ATTRIBUTES psa,BOOL bManualReset,PCTSTR pszName)

/*
 *  @params
 *  hTimer : 想要触发的计时器
 *  pDueTime ： 第一次触发的事件的时间
 *  lPeriod ：在第一次触发之后，计时器应该以怎样的频度触发。（单位为毫秒）
 *  pfnCompletionRoutine : 可设为NULL
 *  pvArgToCompletionRoutine ： 可设为NULL
 *  bResume ： 可设为false
 */
BOOL SetWaitableTimer(
    HANDLE hTimer,
    const LARGE_INTEGER *pDueTime;
    LONG lPeriod,
    PTIMERAPCROUTINE pfnCompletionRoutine,
    PVOID pvArgToCompletionRoutine,
    BOOL bResume
);

//取消计时器
BOOL CancelWaitableTimer(HANDLE hTimer);

信号量内核对象

• 用来对资源进行计数。它的规则如下：
  • 如果当前资源计数>0,那么信号量处于触发状态。
  • 如果当前资源计数=0，那么信号量处于未触发状态
  • 在线程中调用一个等待函数，如果>0，则计数器-1，线程取消阻塞。
• 相关函数

HANDLE CreateSemaphore(PSECURITY_ATTRIBUTES psa,LONG lInitialCount,LONG lMaximumCount,PCTSTR pszName);

HANDLE OpenSemaphore(DWORD dwDesiredAccess,BOOL bInheritHandle,PCTSTR pszName);

/*
 *  @params:
 *  hSemaphore : 信号量内核对象句柄
 *  lReleaseCount ： 增加的计数值
 *  plPreviousCount ： 增加前的计数值
 */
BOOL ReleaseSemaphore(HANDLE hSemaphore,LONG lReleaseCount,PLONG plPreviousCount)

互斥量内核对象

• 用来确保一个线程独占对一个资源的访问。
• 包含一个实用技术、线程ID以及一个递归计数
• 互斥量规则如下
  • 如果线程ID为0（无效线程ID），那么该无耻两不为任何线程所占有，它处于触发状态
  • 如果线程ID非0，那么有一个线程已经占用了该互斥量，它处于未触发状态。
  • 操作系统对互斥量进行了特殊处理
• 等待函数不在返回WAIT_OBJECT0,而是返回特殊的值WAIT_ABANDONED
• 互斥量和关键段的比较

特征	互斥量	关键段
性能	慢	快
是否能跨进程使用	是	否
声明	HANDLE hmtx;	CRITICAL_SECTION cs;
初始化方式	hmtx=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);	InitializeCriticalSection(&cs);
清理	CloseHandle(hmtx);	DeleteCriticalSection(&cs);
无限等待	WaitForSingleObject (hmtx, INFINITE);	EnterCriticalSection(&cs);
0等待	WaitForSingleObject (hmtx, 0);	TryEnterCriticalSection(&cs);
任意长时间的等待	WaitForSingleObject (hmtx, timeLength)	不支持
释放	ReleaseMutex(hmtx);	LeaveCriticalSection(&cs);
是否能同时等待其他内核对象	是（WaitForMultipleObjects或其他）	否

• 相关函数

/*
 *  @params
 *  bInitialOwner : 控制互斥量的初始化状态，
 *                  FALSE ：无占用
 *                  TRUE：占用的线程为当前线程
 */
HANDLE CreateMutex(
  PSECURITY_ATTRIBUTES psa;
  BOOL bInitialOwner,
  PCTSTR pszName
);

HANDLE OpenMutex(
  DWORD dwDesiredAccess,
  BOOL bInitialOwner,
  PCTSTR pszName
);

BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex);