多线程

最新推荐文章于 2024-12-01 23:53:39 发布

原创最新推荐文章于 2024-12-01 23:53:39 发布 · 332 阅读

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　Windows提供了许多内核对象来实现线程的同步。对于线程同步而言，这些内核对象有两个非常重要的状态：“已通知”状态，“未通知”状态（也有翻译为：受信状态，未受信状态）。Windows提供了几种内核对象可以处于已通知状态和未通知状态：进程、线程、作业、文件、控制台输入/输出 /错误流、事件、等待定时器、信号量、互斥对象

你可以通知一个内核对象，使之处于“已通知状态”，然后让其他等待在该内核对象上的线程继续执行。你可以使用Windows提供的API函数，等待函数来等待某一个或某些内核对象变为已通知状态。

　　你可以使用WaitForSingleObject函数来等待一个内核对象变为已通知状态：

DWORD WaitForSingleObject(
HANDLE hObject, //指明一个内核对象的句柄
DWORD dwMilliseconds); //等待时间
　　该函数需要传递一个内核对象句柄，该句柄标识一个内核对象，如果该内核对象处于未通知状态，则该函数导致线程进入阻塞状态；如果该内核对象处于已通知状态，则该函数立即返回WAIT_OBJECT_0。第二个参数指明了需要等待的时间（毫秒），可以传递INFINITE指明要无限期等待下去，如果第二个参数为0，那么函数就测试同步对象的状态并立即返回。如果等待超时，该函数返回WAIT_TIMEOUT。如果该函数失败，返回 WAIT_FAILED。可以通过下面的代码来判断：

DWORD dw = WaitForSingleObject(hProcess, 5000); //等待一个进程结束
switch (dw)
{
case WAIT_OBJECT_0:
// hProcess所代表的进程在5秒内结束
break;

case WAIT_TIMEOUT:
// 等待时间超过5秒
break;

case WAIT_FAILED:
// 函数调用失败，比如传递了一个无效的句柄
break;
}
　　
还可以使用WaitForMulitpleObjects函数来等待多个内核对象变为已通知状态：

DWORD WaitForMultipleObjects(
DWORD dwCount, //等待的内核对象个数
CONST HANDLE* phObjects, //一个存放被等待的内核对象句柄的数组
BOOL bWaitAll, //是否等到所有内核对象为已通知状态后才返回
DWORD dwMilliseconds); //等待时间
　　该函数的第一个参数指明等待的内核对象的个数，可以是0到MAXIMUM_WAIT_OBJECTS（64）中的一个值。phObjects参数是一个存放等待的内核对象句柄的数组。bWaitAll参数如果为TRUE，则只有当等待的所有内核对象为已通知状态时函数才返回，如果为FALSE，则只要一个内核对象为已通知状态，则该函数返回。第四个参数和WaitForSingleObject中的dwMilliseconds参数类似。

　　该函数失败，返回WAIT_FAILED；如果超时，返回WAIT_TIMEOUT；如果bWaitAll参数为TRUE，函数成功则返回WAIT_OBJECT_0，如果bWaitAll为FALSE，函数成功则返回值指明是哪个内核对象收到通知。

　　可以如下使用该函数：

HANDLE h[3]; //句柄数组

//三个进程句柄
h[0] = hProcess1;
h[1] = hProcess2;
h[2] = hProcess3;

DWORD dw = WaitForMultipleObjects(3, h, FALSE, 5000); //等待3个进程结束

switch (dw)
{
case WAIT_FAILED:
// 函数呼叫失败
break;

case WAIT_TIMEOUT:
// 超时
break;

case WAIT_OBJECT_0 + 0:
// h[0]（hProcess1）所代表的进程结束
break;

case WAIT_OBJECT_0 + 1:
// h[1]（hProcess2）所代表的进程结束
break;

case WAIT_OBJECT_0 + 2:
// h[2]（hProcess3）所代表的进程结束
break;
}
　　
你也可以同时通知一个内核对象，同时等待另一个内核对象，这两个操作以原子的方式进行：

DWORD SignalObjectAndWait(
HANDLE hObjectToSignal, //通知的内核对象
HANDLE hObjectToWaitOn, //等待的内核对象
DWORD dwMilliseconds, //等待的时间
BOOL bAlertable); //与IO完成端口有关的参数，暂不讨论
　　该函数在内部使得hObjectToSignal参数所指明的内核对象变成已通知状态，同时等待hObjectToWaitOn参数所代表的内核对象。dwMilliseconds参数的用法与WaitForSingleObject函数类似。
　　该函数返回如下：WAIT_OBJECT_0，WAIT_TIMEOUT，WAIT_FAILED，WAIT_IO_COMPLETION。

　　等你需要通知一个互斥内核对象并等待一个事件内核对象的时候，可以这么写：

ReleaseMutex(hMutex);
WaitForSingleObject(hEvent, INFINITE);
　　可是，这样的代码不是以原子的方式来操纵这两个内核对象。因此，可以更改如下：

SignalObjectAndWait(hMutex, hEvent, INFINITE, FALSE);

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对于多线程编程，我们有时候会遇到多个线程需要互斥访问同一个资源的问题，或者是线程间同步的问题，比如生存者和消费者，下面我就来讲讲多线程编程中的同步和互斥的问题。

1：互斥锁

当有一个链表，这个链表需要两个线程互斥访问时，我们就需要互斥锁。为什么呢？因为当一个线程要去使用这个链表时，首先他得先获得锁，一旦发现锁已经被别的线程占用，则无法获得锁将阻塞等待互斥锁被别人解锁，当然也有办法不阻塞，一旦无法获得锁，则直接返回。

如何初始化锁：

函数原型：

int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t*mutex,constpthread_mutexattr_t* mutexattr);
函数传入值: mutex：互斥锁。

互斥锁有三种类型：

mutexattr：

PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 创建快速互斥锁。
PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP 创建递归互斥锁。
PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_NP 创建检错互斥锁。

区别如下：

互斥量分为下面三种：
1、快速型。这种类型也是默认的类型。该线程的行为正如上面所说的。
2、递归型。如果遇到我们上面所提到的死锁情况，同一线程循环给互斥量上锁，那么系统将会知道该上锁行为来自同一线程，那么就会同意线程给该互斥量上锁。
3、错误检测型。如果该互斥量已经被上锁，那么后续的上锁将会失败而不会阻塞，pthread_mutex_lock()操作将会返回EDEADLK。

使用方式如下：

pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init (&mutex, NULL); /*定义*/
...

pthread_mutex_lock(&mutex); /*获取互斥锁*/
临界资源
pthread_mutex_unlock(&mutex); /*释放互斥锁*/

此时对锁的访问时阻塞的。所以这就会出现这么一个问题，当同一个线程已经获得这个锁，并且没有释放这个锁，如果他在申请锁，将造成死锁。所以对于同一个线程获取了锁，记得要释放。不要因为其他原因导致释放锁没有被执行，而再次去请求锁。

2：条件变量

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线程的同步和互斥

多线程共享一个进程的地址空间虽然线程间通信容易进行，但是多线程同时访问共享对象时需要引入同步和互斥机制。
同步指的是多个任务按照约定的顺序相互配合完成一件事情，dijkstra基于信号量的概念提出了一种同步机制。由信号量
赖决定线程是继续运行还是阻塞等待。

信号量代表某一类资源，其值表示系统中该资源的数量
信号量是一个受保护的变量，智能通过三种操作来访问：初始化 P操作（申请资源），V操作（释放资源），信号量的值为非负整数
P操作的含义： if(信号量的值大于0)
{
申请资源的任务继续运行；
信号量的值减去1；
}
else
{
申请资源的任务阻塞；
}
v操作的含义： if(没有任务在等待该资源){信号量的值加1；}
else{唤醒第一个等待的任务，让其继续运行}

POSIX Semaphore API
posix 中定义了两类信号量：
无名信号量和有名信号量

pthread库常用的信号量操作函数如下：

int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value);
int sem_wait(sem_t *sem); P操作
int sem_post(sem_t * sem);V操作
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_getvalue(sem_t *sem,int *svalue);

例子：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
char buf[60];
sem_t sem;
void * function(void *arg);
int main()
{
pthread_t a_thread;
void * thread_result;
if(sem_init(&sem,0,0)<0)
{
perror("fail to sem_init");
exit(-1);
}
if(pthread_create(&a_thread,NULL,function,NULL)<0)
{
perror("fail to pthread_create");
exit(-1);
}
printf("input 'quit' to exit\n");
do
{
fgets(buf,60,stdin);
sem_post(&sem);

}while(strncmp(buf,"quit",4)!= 0);
return 0;

}
void * function(void *arg)
{
while(1)
{
sem_wait(&sem);
printf("YOu enter %d characters\n",strlen(buf)-1);
}
}

线程间的互斥，引入互斥锁的目的是用来保证共享资源数据操作的完整性。
互斥锁主要用来保护临界资源
每个邻居资源都由一个互斥锁来保护，任何时刻最多只能有一个线程能访问该资源。

线程必须先获得互斥锁才能访问临界资源，访问完临界资源后释放该锁。如果无法获得锁，线程会阻塞知道获得锁为止。

初始化互斥锁
所需头文件： #include<pthread.h>
函数原型;
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * mutex,pthread_mutexattr_t *attr);
函数参数：mutex：互斥锁
attr：互斥锁属性 //NULL表示缺省属性

函数返回值：成功 0，失败 -1

申请互斥锁：
函数原型:
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)
函数参数：
mutex 互斥锁
成功 0，失败 -1
释放互斥锁：
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t * mutex)

成功返回0，失败-1；

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
int value1,value2;

unsigned int count = 0;
pthread_mutex_t mutex;
void * function(void *arg);
int main()
{
pthread_t a_thread;
void * thread_result;

if(pthread_mutex_init(&mutex,NULL) < 0)
{
perror("fail to mutex_init");
exit(-1);
}
if(pthread_create(&a_thread,NULL,function,NULL)<0)
{
perror("fail to pthread_create");
exit(-1);
}
while(1)
{
count++;
#ifdef _LOCK_
pthread_mutex_lock(&mutex);
#endif
value1 = count;
value2 = count;
#ifdef _LOCK_
pthread_mutex_unlock(&mutex);
#endif
}
return 0;
}
void * function(void *arg)
{
while(1)
{
#ifdef _LOCK_
pthread_mutex_lock(&mutex);
#endif
if(value1 != value2)
{
printf("count =%d,value1 =%d,value2=%d\n",count,value1,value2);
}
#ifdef _LOCK_
pthread_mutex_unlock(&mutex);
#endif
}
return NULL;
}

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互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。

同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源，如“第一类读写者模型”。

2Windows下的互斥同步机制

Windows下提供了多种内核对象实现线程、进程间的同步和互斥，常用的有：

关键节（Critical Section）：关键节不是内核对象，在用户态实现了同一进程中线程的互斥。由于使用时不需要从用户态切换到核心态，所以速度很快（X86系统上约为20个指令周期），但其缺点是不能跨进程同步，同时不能指定阻塞时的等待时间，只能无限等待。

互斥体：（Mutex）：互斥体实现了和关键节类似的互斥功能，但区别在于：互斥体是内核对象，可以实现跨进程互斥，但需要在用户态和核心态之间切换，速度比关键节慢得多（X86系统上约为600个指令周期），同时可以指定阻塞时的等待时间。

事件（Event）：事件也是内核对象，具有“信号态”和“无信号态”两种状态。当某一线程等待一个事件时，如果事件为信号态，将继续执行，如果事件为无信号态，那么线程被阻塞。线程能够指定阻塞时的等待时间。

信号量（Semaphore）：信号量是一个资源计数器，当某线程获取某信号量时，信号量计数首先减1，如果计数小于0，那么该线程被阻塞；当某线程释放某信号量时，信号量计数首先加1，如果计数小于或等与0，那么唤醒某被阻塞的线程并执行之。对信号量的总结如下：

1．如果计数器m大于0，表示还有m个资源可以访问，此时信号量线程等待队列中没有线程被阻塞，新的线程访问资源也不会被阻塞；

2．如果计数器m等与0，表示没有资源可以访问，此时信号量线程等待队列中没有线程被阻塞，但新的线程访问资源会被阻塞；

3．如果计数器m小于0，表示没有资源可以访问，此时信号量线程等待队列中有abs（m）个线程被阻塞，新的线程访问资源会被阻塞；

信号量常被用于保证对多个资源进行同步访问。

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几种进程间的通信方式

# 管道( pipe )：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
# 有名管道 (named pipe) ：有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。
# 信号量( semophore ) ：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。
# 消息队列( message queue ) ：消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
# 信号 ( sinal ) ：信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。
# 共享内存( shared memory ) ：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号两，配合使用，来实现进程间的同步和通信。
# 套接字( socket ) ：套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同及其间的进程通信。