Windows Interlocked函数族

最新推荐文章于 2021-03-01 22:21:33 发布

原创最新推荐文章于 2021-03-01 22:21:33 发布 · 532 阅读

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本文探讨了C++多线程编程中共享变量的安全问题，介绍了Windows平台下interlocked系列函数的应用，通过实例展示了如何使用InterlockedExchange及InterlockedExchangeAdd确保线程安全。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

当进行多线程编程的时候，一个随时都需要面对的问题就是对一些共享变量进行操作，例如增加/降低某个数值，更改某一个数据，对某一个数据进行各种逻辑操作，如XOR AND, OR等。在这时候，比较让人头疼的地方就是，C++的操作符不保证线程安全。例如：++X，不能保证X在自增的过程中不被打断。于是就有可能：

X+1，但是X的新值还没有被放到X中去，线程就因为时间片等问题被挂起，在这样的环境下，如果某一个线程读取了X的数值，那么该线程就得到了错误的数据。

如果某一个计算在完成之前不能被打断，那么该计算就被称为原子计算。windows提供了interlocked系列函数来保证计算的原子性，

例如InterlockedExchangeAdd函数，或者InterlockedExchange函数。下面这段代码给出了一个使用这些函数的例子。

// Interlocked Family.cpp : Defines the entry point for the console application.
//

#include "stdafx.h"
#include <Windows.h>
#include <process.h>
#include <iostream>
using namespace std;
#define THREAD_NUM MAXIMUM_WAIT_OBJECTS
LONG lCounter = 0;
LONG lCounterLocked = 0;
LONG lCounterSpinLock = FALSE;
unsigned int WINAPI Thread(LPVOID pParam)
{
	while(InterlockedExchange(&lCounterSpinLock,TRUE) == TRUE) SwitchToThread(); //lock
	printf_s("Thread %d gains access\n",pParam);
	lCounter++;
	Sleep(500);
	InterlockedExchange(&lCounterSpinLock,FALSE); //unlock
	::InterlockedExchangeAdd(&lCounterLocked,1);
	return 0;
}
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	HANDLE pThreads[THREAD_NUM];
	for(int i = 0; i<THREAD_NUM; i++)
		pThreads[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL,NULL,Thread,(LPVOID)i,NULL,NULL);
	WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM,pThreads,TRUE,INFINITE);
	for(int i = 0; i<THREAD_NUM; i++)
		CloseHandle(pThreads[i]);
	cout<<lCounter<<ends<<lCounterLocked<<endl;
	return 0;
}

在线程函数中我们可以看到，有一个非线程安全的变量lCounter在自增。那么为了保证这个变量的线程安全，我使用了InterlockedExchange函数来实现了一个自旋锁。线程在锁内增加变量的值，并休眠0.5秒。同时，还有另一个变量通过原子操作来自增。在执行过程中可以看到，每0.5秒会有一个线程获得lCounter的访问权，并自增该变量。

读过我之前写的那个线程优先级那点事的人也应该知道，SwitchToThread代表在获得Access之前，该线程自动放弃时间片改去调度其它线程，再次强调一遍这个函数和Sleep(0)之间的区别，Sleep(0)只会让OS调度同级或者高优先级的线程，而SwitchToThread的调度是全系统范围的。

最后，这段代码的结果显示了用自旋锁自增的变量和用Interlocked实现的变量最后的数值是一致的。

该代码另外的一些小点提示：

1.注意我使用了_beginthreadex函数，该函数在前面的博文里提到过，是CreateThread的替代品，简单的说，它为CRT的多线程安全提供了保证，这一点CreateThread没有考虑。

2.注意，我在最后关闭了所有线程的句柄，如果你使用WinVista或者Win7，你可以观察到这个进程的句柄从125降低到了61（因为线程开了64个），记得关闭句柄是一个很好的习惯。

3.你可以从任务管理器看到自旋锁是如何FUCK CPU的，CPU的使用率一直都在100%，直到这64个线程"轮奸"完成。自旋锁只适合哪种你确定你短期之内就能访问到共享资源的情况，否则请使用内核对象（如信号量，临界区）。

最后一句话是：Jeffrey Richter andChristophe Nasarre 这两个基佬说，记得你不断访问的锁对象和你要保护的内存数据不在同一个Cache Line里，不然性能会降低。

至于什么是Cache Line，等我看到那再做总结。