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多线程编程浅析(3)——多线程的互斥与同步

在进行多线程编程时,难免还要碰到两个问题,那就线程间的互斥与同步:
线程同步是指线程之间所具有的一种制约关系,一个线程的执行依赖另一个线程的消息,当它没有得到另一个线程的消息时应等待,直到消息到达时才被唤醒。
线程互斥是指对于共享的进程系统资源,在各单个线程访问时的排它性。当有若干个线程都要使用某一共享资源时,任何时刻最多只允许一个线程去使用,其它要使用该资源的线程必须等待,直到占用资源者释放该资源。线程互斥可以看成是一种特殊的线程同步(下文统称为同步)。

线程间的同步方法大体可分为两类:用户模式和内核模式。顾名思义,内核模式就是指利用系统内核对象的单一性来进行同步,使用时需要切换内核态与用户态,而用户模式就是不需要切换到内核态,只在用户态完成操作。
用户模式下的方法有:原子操作(例如一个单一的全局变量),临界区。内核模式下的方法有:事件,信号量,互斥量。
下面我们来分别看一下这些方法:

原子操作(全局变量):
#include "stdafx.h"
#include 
"windows.h"
#include 
"stdio.h"

volatile int ThreadData = 1;

void ThreadProcess()
{
    
for(int i=0; i<6; i++)
    
{
        Sleep(
1000);
        printf(
"Sub  Thread Tick %5d!\n",(i+1)*1000);
    }

    ThreadData 
= 0;
    printf(
"Exit Sub Thread!\n");

}


int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    HANDLE hThread;
    DWORD ThreadID;
    hThread
=CreateThread(NULL,
        
0,
        (LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadProcess,
        NULL,
        
0,
        
&ThreadID);

    
while (ThreadData)
    
{
        printf(
"Main Thread is waiting for Sub Thread!\n");
        Sleep(
600);
    }


    printf(
"Main Thread Finished! \n");
    system(
"pause");
    
return 0;
}

   在上面的程序中,我利用了全局变量ThreadData来进行线程间的同步,当子线程结束时改变该值,而父线程则循环判断该值来确认子线程是否已经结束,当子线程结束时,父线程才继续进行下面的操作。

临界区(Critical Section)

保证在某一时刻只有一个线程能访问数据的简便办法。在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问。如果有多个线程试图同时访问临界区,那么在有一个线程进入后其他所有试图访问此临界区的线程将被挂起,并一直持续到进入临界区的线程离开。临界区在被释放后,其他线程可以继续抢占,并以此达到用原子方式操作共享资源的目的。

临界区包含两个操作原语:
 EnterCriticalSection() 进入临界区
 LeaveCriticalSection() 离开临界区

EnterCriticalSection()语句执行后代码将进入临界区以后无论发生什么,必须确保与之匹配的LeaveCriticalSection()都能够被执行到。否则临界区保护的共享资源将永远不会被释放。虽然临界区同步速度很快,但却只能用来同步本进程内的线程,而不可用来同步多个进程中的线程。


事件(Event)
  
事件对象也可以通过通知操作的方式来保持线程的同步。并且可以实现不同进程中的线程同步操作。

信号量包含的几个操作原语:
    CreateEvent()    创建一个信号量
    OpenEvent()    打开一个事件
    SetEvent()    回置事件
    WaitForSingleObject()   等待一个事件
    WaitForMultipleObjects()  等待多个事件

WaitForMultipleObjects 函数原型:
    WaitForMultipleObjects(
    IN DWORD nCount, // 等待句柄数
    IN CONST HANDLE *lpHandles, //指向句柄数组
    IN BOOL bWaitAll, //是否完全等待标志
    IN DWORD dwMilliseconds //等待时间
    )
 
参数nCount指定了要等待的内核对象的数目,存放这些内核对象的数组由lpHandles来指向。fWaitAll对指定的这nCount个内核对象的两种等待方式进行了指定,为TRUE时当所有对象都被通知时函数才会返回,为FALSE则只要其中任何一个得到通知就可以返回。dwMilliseconds在这里的作用与在WaitForSingleObject()中的作用是完全一致的。如果等待超时,函数将返回WAIT_TIMEOUT。 
  
事件可以实现不同进程中的线程同步操作,并且可以方便的实现多个线程的优先比较等待操作,例如写多个WaitForSingleObject来代替WaitForMultipleObjects从而使编程更加灵活。 
  
互斥量(Mutex)
  
互斥量跟临界区很相似,只有拥有互斥对象的线程才具有访问资源的权限,由于互斥对象只有一个,因此就决定了任何情况下此共享资源都不会同时被多个线程所访问。当前占据资源的线程在任务处理完后应将拥有的互斥对象交出,以便其他线程在获得后得以访问资源。互斥量比临界区复杂。因为使用互斥不仅仅能够在同一应用程序不同线程中实现资源的安全共享,而且可以在不同应用程序的线程之间实现对资源的安全共享。
  
    互斥量包含的几个操作原语:
    CreateMutex()    创建一个互斥量
    OpenMutex()    打开一个互斥量
    ReleaseMutex()    释放互斥量
    WaitForMultipleObjects() 等待互斥量对象 
   
信号量(Semaphores)

信号量对象对线程的同步方式与前面几种方法不同,信号允许多个线程同时使用共享资源,这与操作系统中的PV操作相同。它指出了同时访问共享资源的线程最大数目。它允许多个线程在同一时刻访问同一资源,但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目。在用CreateSemaphore()创建信号量时即要同时指出允许的最大资源计数和当前可用资源计数。一般是将当前可用资源计数设置为最大资源计数,每增加一个线程对共享资源的访问,当前可用资源计数就会减1,只要当前可用资源计数是大于0的,就可以发出信号量信号。但是当前可用计数减小到0时则说明当前占用资源的线程数已经达到了所允许的最大数目,不能在允许其他线程的进入,此时的信号量信号将无法发出。线程在处理完共享资源后,应在离开的同时通过ReleaseSemaphore()函数将当前可用资源计数加1。在任何时候当前可用资源计数决不可能大于最大资源计数。

PV操作及信号量的概念都是由荷兰科学家E.W.Dijkstra提出的。信号量S是一个整数,S大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数,但S小于零时则表示正在等待使用共享资源的进程数。

 P操作申请资源:
    (1)S减1;
    (2)若S减1后仍大于等于零,则进程继续执行;
    (3)若S减1后小于零,则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中,然后转入进程调度。

 V操作释放资源:
    (1)S加1;
    (2)若相加结果大于零,则进程继续执行;
    (3)若相加结果小于等于零,则从该信号的等待队列中唤醒一个等待进程,然后再返回原进程继续执行或转入进程调度。
  
    信号量包含的几个操作原语:
    CreateSemaphore()  创建一个信号量
    OpenSemaphore()  打开一个信号量
    ReleaseSemaphore()  释放信号量
    WaitForSingleObject()  等待信号量 
   

信号量的使用特点使其更适用于对Socket(套接字)程序中线程的同步。例如,网络上的HTTP服务器要对同一时间内访问同一页面的用户数加以限制,这时可以为每一个用户对服务器的页面请求设置一个线程,而页面则是待保护的共享资源,通过使用信号量对线程的同步作用可以确保在任一时刻无论有多少用户对某一页面进行访问,只有不大于设定的最大用户数目的线程能够进行访问,而其他的访问企图则被挂起,只有在有用户退出对此页面的访问后才有可能进入。 
 
因为它们的使用方法都很类似,下面我结合起来给出一个简单的示例:

#include "stdafx.h"
#include 
"windows.h"
#include 
"stdio.h"

volatile int ThreadData = 1;

CRITICAL_SECTION csPrint; 
// 临界区
//HANDLE evtPrint; // 事件信号,标记事件是否已发生
//HANDLE mtxPrint; // 互斥信号,如有信号表明已经有线程进入临界区并拥有此信号
//HANDLE smphPrint; // 信号量,表示是否已经达到允许的最大线程数

void Print(char *str)
{
    EnterCriticalSection(
&csPrint); // 进入临界区
    
//WaitForSingleObject(evtPrint, INFINITE); // 等待事件有信号
    
//WaitForSingleObject(mtxPrint, INFINITE); // 等待互斥量空置(没有线程拥有它)
    
//WaitForSingleObject(smphPrint, INFINITE); // 等待对共享资源请求被通过 等于 P操作 

    
for (;*str != '\0';str++)
    
{
        Sleep(
50);
        printf(
"%c",*str);
    }

    printf(
"\n");

    LeaveCriticalSection(
&csPrint); // 退出临界区
    
//SetEvent(evtPrint); // 把事件信号量恢复,变为有信号
    
//ReleaseMutex(mtxPrint); // 释放对互斥量的占有
    
//ReleaseSemaphore(smphPrint, 1, NULL); // 释放共享资源 等于 V操作 

}


void ThreadProcess()
{
    
for(int i=0; i<6; i++)
    
{
        Sleep(
1000);
        Print(
"Sub  Thread is running!");
    }

    ThreadData 
= 0;

}


int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    HANDLE hThread;
    DWORD ThreadID;

    InitializeCriticalSection(
&csPrint); // 初始化临界区
    
//evtPrint = CreateEvent(NULL, FALSE, TRUE, L"PrintEvent"); // 初始化事件
    
//mtxPrint = CreateMutex(NULL, FALSE, L"PrintMutex"); // 初始化互斥量
    
//smphPrint= CreateSemaphore(NULL, 1, 1, L"PrintSemaphore"); // 设置信号量1个资源,因此同时只可以有一个线程访问 

    hThread
=CreateThread(NULL,
        
0,
        (LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadProcess,
        NULL,
        
0,
        
&ThreadID);

    
while (ThreadData)
    
{
        Print(
"Main Thread is waiting for Sub Thread!");
        Sleep(
600);
    }


    printf(
"Main Thread Finished!");
    system(
"pause");
    
return 0;
}


   综上所述:当在同一进程中的多线程同步时,临界区是效率最最高,基本不需要什么开销。而内核对象由于要进行用户态和内核态的切换,开销较大,但是内核对象由于可以命名,因此它们同时可以用于进程间的同步。另外,值得一提的是,信号量可以设置允许访问资源的线程或进程个数,而不仅仅是只允许单个线程或进程访问资源。

posted on 2009-07-24 15:14 Saga 阅读(11107) 评论(6)  编辑 收藏 引用 所属分类: MultiTask

评论

# re: 多线程编程浅析(3)——多线程的互斥与同步 2009-07-25 15:52 罗莱家纺

分享一下!  回复  更多评论   

# re: 多线程编程浅析(3)——多线程的互斥与同步 2009-07-25 21:18 legendlee

还有一个EnterlockedExchang也挺好用  回复  更多评论   

# re: 多线程编程浅析(3)——多线程的互斥与同步 2009-07-27 10:32 Saga

网络上搜了一下EnterlockedExchang,没有找到相关的信息
可否给详细讲解一下
@legendlee
  回复  更多评论   

# re: 多线程编程浅析(3)——多线程的互斥与同步 2011-06-14 18:02 jc_ontheroad

简洁、适用的说明。  回复  更多评论   

# re: 多线程编程浅析(3)——多线程的互斥与同步 2012-10-16 00:00 funcman

全局变量的操作是原子的么?好像不一定。  回复  更多评论   

# re: 多线程编程浅析(3)——多线程的互斥与同步 2013-08-13 17:25 waterdragon

如果是32位处理器上的long long就不用考虑了,做不到原子  回复  更多评论   


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