多线程与线程同步-优快云博客

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通常，要实现并发有两种方法：多进程和多线程。
多线程是多任务处理的一种特殊形式，多任务处理允许让电脑同时运行两个或两个以上的程序。一般情况下，两种类型的多任务处理：基于进程和基于线程。

基于进程的多任务处理是程序的并发执行。
基于线程的多任务处理是同一程序的片段的并发执行。

多线程程序包含可以同时运行的两个或多个部分。这样的程序中的每个部分称为一个线程，每个线程定义了一个单独的执行路径。

在window环境下，Win32 提供了一系列的API函数来完成线程的创建、挂起、恢复、终结以及通信等工作：

主要的函数列表：

序号	函数名	功能
1	CreateThread()	创建一个新线程
2	ExitThread()	正常结束一个线程的执行
3	TerminateThead()	强制终止一个线程的执行
4	ResumeThread()	重启一个线程
5	SuspendThread()	挂起一个线程
6	GetExiCodeThread()	得到一个线程的退出码
7	GetThreadPriority()	得到一个线程的优先级
8	SetThreadPriority()	设置一个线程的优先级
9	CloseHandle()	关闭一个线程的句柄
10	CreateRemoteThread()	再另一个进程中创建一个新线程
11	PostThreadMessage()	发送一条消息给指定的线程
12	GetCurrentThread()	得到当前的线程句柄
13	GetCurrentThreadId()	得到当前线程的ID
14	GetThreadId()	得到指定线程的ID
15	WaitForSingleObject()	等待单个对象
16	WaitForMultipleObjects()	等待多个对象

关于多线程的API函数还有很多，以上只是列出了一些比较常用的函数，欲知更多函数和函数的使用方法，请参考MSDN或网络资源，在此就不再介绍了。

多进程并发
【优点】：

操作系统对进程提供了大量的保护机制，以避免一个进程修改了另一个进程的数据

【缺点】：

进程间的通信，无论是使用信号、套接字，还是文件、管道等方式，其使用要么比较复杂，要么就是速度较慢或者两者兼而有之。
运行多个进程的开销很大，操作系统要分配很多的资源来对这些进程进行管理。

由于多个进程并发完成同一个任务时，不可避免的是：操作同一个数据和进程间的相互通信，上述的两个缺点也就决定了多进程的并发不是一个好的选择。

多线程并发
【优点】：

同一进程内的多个线程能够很方便的进行数据共享以及通信，也就比进程更适用于并发操作。

【缺点】：

在多线程共享数据及通信时，需要程序员做更多的工作以保证对共享数据段的操作是以预想的操作顺序进行的，并且要极力的避免死锁(deadlock)。

由于控制台是系统资源，这里控制台拥有权的管理是操作系统完成的。但是，假如是多个线程共享进程空间的数据，这就需要自己写代码控制，每个线程何时能够拥有共享数据进行操作。共享数据的管理以及线程间的通信，是多线程编程的两大核心。

创建线程

C++语言本身并没有提供多线程机制（当然目前C++ 11新特性中，已经可以使用std::thread来创建线程了，因为还没有系统地了解过，所以这里不提了。），但Windows系统为我们提供了相关API，我们可以使用他们来进行多线程编程。
创建线程的API函数

HANDLE CreateThread(
    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,//SD：线程安全相关的属性，常置为NULL
    SIZE_T dwStackSize,//initialstacksize：新线程的初始化栈的大小，可设置为0
    LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,//threadfunction：被线程执行的回调函数，也称为线程函数
    LPVOID lpParameter,//threadargument：传入线程函数的参数，传参是传的指针，不需传递参数时为NULL
    DWORD dwCreationFlags,//creationoption：控制线程创建的标志
    LPDWORD lpThreadId//threadidentifier：传出参数，用于获得线程ID，如果为NULL则不返回线程ID
    )

/*-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
lpThreadAttributes：指向SECURITY_ATTRIBUTES结构的指针，决定返回的句柄是否可被子进程继承，如果为NULL则表示返回的句柄不能被子进程继承。
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
dwStackSize：设置初始栈的大小，以字节为单位，如果为0，那么默认将使用与调用该函数的线程相同的栈空间大小。
任何情况下，Windows根据需要动态延长堆栈的大小。
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
lpStartAddress：指向线程函数的指针，函数名称没有限制，但是必须以下列形式声明：
DWORD WINAPI 函数名 (LPVOID lpParam) ，格式不正确将无法调用成功。
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
lpParameter：向线程函数传递的参数，是一个指向结构的 指针，不需传递参数时，为NULL。
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
dwCreationFlags：控制线程创建的标志，可取值如下：
（1）CREATE_SUSPENDED(0x00000004)：创建一个挂起的线程（就绪状态），直到线程被唤醒时才调用
（2）0：表示创建后立即激活。
（3）STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION(0x00010000)：dwStackSize参数指定初始的保留堆栈的大小，
如果STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION标志未指定，dwStackSize将会设为系统预留的值
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
lpThreadId:保存新线程的id
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
返回值：函数成功，返回线程句柄，否则返回NULL。如果线程创建失败，可通过GetLastError函数获得错误信息。*/

BOOL WINAPI CloseHandle(HANDLE hObject);        //关闭一个被打开的对象句柄
/*可用这个函数关闭创建的线程句柄，如果函数执行成功则返回true(非0),如果失败则返回false(0)，
如果执行失败可调用GetLastError.函数获得错误信息。
*/

多个线程虽然是并发运行的，但是有一些操作（比如输出一整段内容）是必须一气呵成的，不允许打断的，所以我们会发现endl和换行符\n有时输出的结果是不一样的。

假设Fun函数和main函数同时使用endl循环输出，会出现如下情况：
在这里插入图片描述
这是因为屏幕这个资源被两个线程所共用，当main函数输出了Main Display!后，正要输出endl时（也就是清空缓冲区并换行，在这里我们可以不用理解什么是缓冲区），Fun函数却得到了运行的机会，此时main函数还没有来得及输出换行（时间片用完），就把CPU让给了Fun函数，而这时Fun函数就直接在Main Display！后输出Fun Display!。就造成了第一句的没换行直接输出。
另一种情况就是“输出两个换行”，在输出Main Display！并输出endl后，时间片用完，轮到子线程占用CPU，子进程上一次时间片用完时停在了Fun Display!,下一次时间片过来时，刚好开始输出endl，此时就会“输出两个换行”。

线程互斥量

对于一个资源被多个线程共用会导致程序的混乱，可以只允许一个线程拥有对共享资源的独占，这里我们用互斥量(Mutex)来进行线程同步。
在使用互斥量进行线程同步时，会用到以下几个函数：

HANDLE WINAPI CreateMutex(
    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,        //线程安全相关的属性，常置为NULL
    BOOL                  bInitialOwner,            //创建Mutex时的当前线程是否拥有Mutex的所有权
    LPCTSTR               lpName                    //Mutex的名称
);
/*
MutexAttributes:也是表示安全的结构，与CreateThread中的lpThreadAttributes功能相同，表示决定返回的句柄是否可被子进程继承，如果为NULL则表示返回的句柄不能被子进程继承。
bInitialOwner:表示创建Mutex时的当前线程是否拥有Mutex的所有权，若为TRUE则指定为当前的创建线程为Mutex对象的所有者，其它线程访问需要先ReleaseMutex
lpName:Mutex的名称
*/

DWORD WINAPI WaitForSingleObject(
    HANDLE hHandle,                             //要获取的锁的句柄
    DWORD  dwMilliseconds                           //超时间隔
);

/*
WaitForSingleObject:等待一个指定的对象(如Mutex对象)，直到该对象处于非占用的状态(如Mutex对象被释放)或超出设定的时间间隔。除此之外，还有一个与它类似的函数WaitForMultipleObjects，它的作用是等待一个或所有指定的对象，直到所有的对象处于非占用的状态，或超出设定的时间间隔。 

hHandle：要等待的指定对象的句柄。

dwMilliseconds：超时的间隔，以毫秒为单位；如果dwMilliseconds为非0，则等待直到dwMilliseconds时间间隔用完或对象变为非占用的状态，如果dwMilliseconds 为INFINITE则表示无限等待，直到等待的对象处于非占用的状态。
*/

BOOL WINAPI ReleaseMutex(HANDLE hMutex);
//说明：释放所拥有的互斥量锁对象，hMutex为释放的互斥量句柄

多线程示例如下：

#include <iostream>
 2 #include <windows.h>
 3 using namespace std;
 4 
 5 HANDLE hMutex = NULL;//互斥量
 6 //线程函数
 7 DWORD WINAPI Fun(LPVOID lpParamter)
 8 {
 9     for (int i = 0; i < 10; i++)
10     {
11         //请求一个互斥量锁
12         WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
13         cout << "A Thread Fun Display!" << endl;
14         Sleep(100);
15         //释放互斥量锁
16         ReleaseMutex(hMutex);
17     }
18     return 0L;//表示返回的是long型的0
19 
20 }
21 
22 int main()
23 {
24     //创建一个子线程
25     HANDLE hThread = CreateThread(NULL, 0, Fun, NULL, 0, NULL);
26     hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE,"screen");
27     //关闭线程
28     CloseHandle(hThread);
29     //主线程的执行路径
30     for (int i = 0; i < 10; i++)
31     {
32         //请求获得一个互斥量锁
33         WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);
34         cout << "Main Thread Display!" << endl;
35         Sleep(100);
36         //释放互斥量锁
37         ReleaseMutex(hMutex);
38     }
39     return 0;
40 }