12.2线程的同步

12.2线程的同步

　　多线程的使用会产生一些新的问题，主要是如何保证线程的同步执行。多线程应用程序需要使用同步对象和等待函数来实现同步。

12.2.1 为什么需要同步

　　由于同一进程的所有线程共享进程的虚拟地址空间，并且线程的中断是汇编语言级的，所以可能会发生两个线程同时访问同一个对象（包括全局变量、共享资源、API函数和MFC对象等）的情况，这有可能导致程序错误。例如，如果一个线程在未完成对某一大尺寸全局变量的读操作时，另一个线程又对该变量进行了写操作，那么第一个线程读入的变量值可能是一种修改过程中的不稳定值。

　　属于不同进程的线程在同时访问同一内存区域或共享资源时，也会存在同样的问题。

　　因此，在多线程应用程序中，常常需要采取一些措施来同步线程的执行。需要同步的情况包括以下几种：

在多个线程同时访问同一对象时，可能产生错误。例如，如果当一个线程正在读取一个至关重要的共享缓冲区时，另一个线程向该缓冲区写入数据，那么程序的运行结果就可能出错。程序应该尽量避免多个线程同时访问同一个缓冲区或系统资源。

在Windows 95环境下编写多线程应用程序还需要考虑重入问题。Windows NT是真正的32位操作系统，它解决了系统重入问题。而Windows 95由于继承了Windows 3.x的部分16位代码，没能够解决重入问题。这意味着在Windows 95中两个线程不能同时执行某个系统功能，否则有可能造成程序错误，甚至会造成系统崩溃。应用程序应该尽量避免发生两个以上的线程同时调用同一个Windows API函数的情况。

由于大小和性能方面的原因，MFC对象在对象级不是线程安全的，只有在类级才是。也就是说，两个线程可以安全地使用两个不同的CString对象，但同时使用同一个CString对象就可能产生问题。如果必须使用同一个对象，那么应该采取适当的同步措施。

多个线程之间需要协调运行。例如，如果第二个线程需要等待第一个线程完成到某一步时才能运行，那么该线程应该暂时挂起以减少对CPU的占用时间，提高程序的执行效率。当第一个线程完成了相应的步骤后，应该发出某种信号来激活第二个线程。

12.2.2 等待函数

　　Win32 API提供了一组能使线程阻塞其自身执行的等待函数。这些函数只有在作为其参数的一个或多个同步对象(见下小节)产生信号时才会返回。在超过规定的等待时间后，不管有无信号，函数也都会返回。在等待函数未返回时，线程处于等待状态，此时线程只消耗很少的CPU时间。

　　使用等待函数即可以保证线程的同步，又可以提高程序的运行效率。最常用的等待函数是WaitForSingleObject，该函数的声明为：

DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle, DWORD dwMilliseconds);

　　参数hHandle是同步对象的句柄。参数dwMilliseconds是以毫秒为单位的超时间隔，如果该参数为0，那么函数就测试同步对象的状态并立即返回，如果该参数为INFINITE，则超时间隔是无限的。函数的返回值在表12.1中列出。

表12.1 WaitForSingleObject的返回值

返回值	含义
WAIT_FAILED	函数失败
WAIT_OBJECT_0	指定的同步对象处于有信号的状态
WAIT_ABANDONED	拥有一个mutex的线程已经中断了，但未释放该MUTEX
WAIT_TIMEOUT	超时返回，并且同步对象无信号

函数WaitForMultipleObjects可以同时监测多个同步对象，该函数的声明为：

DWORD WaitForMultipleObjects(DWORD nCount, CONST HANDLE *lpHandles, BOOL bWaitAll, DWORD dwMilliseconds );

　　参数nCount是句柄数组中句柄的数目。lpHandles代表一个句柄数组。bWaitAll说明了等待类型，如果为TRUE，那么函数在所有对象都有信号后才返回，如果为FALSE，则只要有一个对象变成有信号的，函数就返回。函数的返回值在表12.2中列出。参数dwMilliseconds是以毫秒为单位的超时间隔，如果该参数为0，那么函数就测试同步对象的状态并立即返回，如果该参数为INFINITE，则超时间隔是无限的。

表12.2 WaitForMultipleObjects的返回值

返回值	说明
WAIT_OBJECT_0到WAIT_ OBJECT_0+nCount-1	若bWaitAll为TRUE，则返回值表明所有对象都是有信号的。如果bWaitAll为FALSE，则返回值减去WAIT_OBJECT_0就是数组中有信号对象的最小索引。
WAIT_ABANDONED_0到WAIT_ ABANDONED_ 0+nCount-1	若bWaitAll为TRUE，则返回值表明所有对象都有信号，但有一个mutex被放弃了。若bWaitAll为FALSE，则返回值减去WAIT_ABANDONED_0就是被放弃mutex在对象数组中的索引。
WAIT_TIMEOUT	超时返回。

12.2.3 同步对象

　　同步对象用来协调多线程的执行，它可以被多个线程共享。线程的等待函数用同步对象的句柄作为参数，同步对象应该是所有要使用的线程都能访问到的。同步对象的状态要么是有信号的，要么是无信号的。同步对象主要有三种：事件、mutex和信号灯。

　　事件对象(Event)是最简单的同步对象，它包括有信号和无信号两种状态。在线程访问某一资源之前，也许需要等待某一事件的发生，这时用事件对象最合适。例如，只有在通信端口缓冲区收到数据后，监视线程才被激活。

　　事件对象是用CreateEvent函数建立的。该函数可以指定事件对象的种类和事件的初始状态。如果是手工重置事件，那么它总是保持有信号状态，直到用ResetEvent函数重置成无信号的事件。如果是自动重置事件，那么它的状态在单个等待线程释放后会自动变为无信号的。用SetEvent可以把事件对象设置成有信号状态。在建立事件时，可以为对象起个名字，这样其它进程中的线程可以用OpenEvent函数打开指定名字的事件对象句柄。

　　mutex对象的状态在它不被任何线程拥有时是有信号的，而当它被拥有时则是无信号的。mutex对象很适合用来协调多个线程对共享资源的互斥访问(mutually exclusive)。

　　线程用CreateMutex函数来建立mutex对象，在建立mutex时，可以为对象起个名字，这样其它进程中的线程可以用OpenMutex函数打开指定名字的mutex对象句柄。在完成对共享资源的访问后，线程可以调用ReleaseMutex来释放mutex，以便让别的线程能访问共享资源。如果线程终止而不释放mutex，则认为该mutex被废弃。

　　信号灯对象维护一个从0开始的计数，在计数值大于0时对象是有信号的，而在计数值为0时则是无信号的。信号灯对象可用来限制对共享资源进行访问的线程数量。线程用CreateSemaphore函数来建立信号灯对象，在调用该函数时，可以指定对象的初始计数和最大计数。在建立信号灯时也可以为对象起个名字，别的进程中的线程可以用OpenSemaphore函数打开指定名字的信号灯句柄。

　　一般把信号灯的初始计数设置成最大值。每次当信号灯有信号使等待函数返回时，信号灯计数就会减1，而调用ReleaseSemaphore可以增加信号灯的计数。计数值越小就表明访问共享资源的程序越多。

　　除了上述三种同步对象外，表12.3中的对象也可用于同步。另外，有时可以用文件或通信设备作为同步对象使用。

表12.3 可用于同步的对象

对象	描述
变化通知	由FindFirstChangeNotification函数建立，当在指定目录中发生指定类型的变化时对象变成有信号的。
控制台输入	在控制台建立是被创建。它是用CONIN$调用CreateFile函数返回的句柄，或是GetStdHandle函数的返回句柄。如果控制台输入缓冲区中有数据，那么对象是有信号的，如果缓冲区为空，则对象是无信号的。
进程	当调用CreateProcess建立进程时被创建。进程在运行时对象是无信号的，当进程终止时对象是有信号的。
线程	当调用Createprocess、CreateThread或CreateRemoteThread函数创建新线程时被创建。在线程运行是对象是无信号的，在线程终止时则是有信号的。

　　当对象不再使用时，应该用CloseHandle函数关闭对象句柄。

　　清单12.3是一个使用事件对象的简单例子，在该例中，假设主线程要读取共享缓冲区中的内容，而辅助线程负责向缓冲区中写入数据。两个线程使用了一个hEvent事件对象来同步。在用CreateEvent函数创建事件对象句柄时，指定该对象是一个自动重置事件，其初始状态为有信号的。当线程要读写缓冲区时，调用WaitForSingleObject函数无限等待hEvent信号。如果hEvent无信号，则说明另一线程正在访问缓冲区；如果有信号，则本线程可以访问缓冲区，WaitForSingleObject函数在返回后会自动把hEvent置成无信号的，这样在本线程读写缓冲区时别的线程不会同时访问。在完成读写操作后，调用SetEvent函数把hEvent置成有信号的，以使别的线程有机会访问共享缓冲区。

清单12.3 使用事件对象的简单例子

HANDLE hEvent; //全局变量

//主线程

hEvent=CreateEvent(NULL, FALSE, TRUE, NULL);

if(hEvent= =NULL) return;

. . .

WaitForSingleObject(hEvent, INFINITE);

ReadFromBuf( );

SetEvent( hEvent );

. . .

CloseHandle( hEvent );

//辅助线程

UINT MyThreadProc( LPVOID pParam )

{

. . .

WaitForSingleObject(hEvent, INFINITE);

WriteToBuf( );

SetEvent( hEvent );

. . .

return 0; // 线程正常结束

}

12.2.4 关键节和互锁变量访问

　　关键节(Critical Seciton)与mutex的功能类似，但它只能由同一进程中的线程使用。关键节可以防止共享资源被同时访问。

　　进程负责为关键节分配内存空间，关键节实际上是一个CRITICAL_SECTION型的变量，它一次只能被一个线程拥有。在线程使用关键节之前，必须调用InitializeCriticalSection函数将其初始化。如果线程中有一段关键的代码不希望被别的线程中断，那么可以调用EnterCriticalSection函数来申请关键节的所有权，在运行完关键代码后再用LeaveCriticalSection函数来释放所有权。如果在调用EnterCriticalSection时关键节对象已被另一个线程拥有，那么该函数将无限期等待所有权。

　　利用互锁变量可以建立简单有效的同步机制。使用函数InterlockedIncrement和InterlockedDecrement可以增加或减少多个线程共享的一个32位变量的值，并且可以检查结果是否为0。线程不必担心会被其它线程中断而导致错误。如果变量位于共享内存中，那么不同进程中的线程也可以使用这种机制。