1、第三章 Windows多线程编程,主要内容,Windows操作系统的一些基本知识 Win32 API线程库 线程间通信 调度优先级,1. Windows操作系统的一些基本知识,API ( Application Programming Interface ),操作系统是由本身的API定义的。API包含了所有构造操作系统的应用程序的函数接口，同时包含了相关的数据类型和结构。32位版本Windows的API被称为Win32直接用Win32 API编写的应用程序，程序的执行代码小，运行效率高MFC用类库的方式将Win32 API 进行封装, 以类的方式提供给开发者Framework类库提供了所有应用
2、程序模型都要使用的一个面向对象的API集合,内核对象及句柄,内核对象是由操作系统内核分配的，只能由内核访问的一个内存块，用来供系统和应用程序使用和管理各种系统资源。内核对象包括：符号对象、事件对象、文件映射对象、I/O完成端口对象、作业对象、信箱对象、互斥量、管道对象、进程对象、信标对象、线程对象和等待计时器对象等，这些对象通过调用函数来创建。不同的对象拥有不同的数据结构，它的成员负责维护该对象的各种信息。,内核对象及句柄,如何操作内核对象？Windows提供了一组函数，使用这组函数来访问内核对象。创建内核对象的函数，会返回一个句柄，任何线程都可以使用这个值，把这个句柄传递给Windows的各
3、个函数，系统就知道操作哪个内核对象了。进程被初始化时，系统为它分配一个句柄表，用于保存该进程使用的内核对象的信息，而句柄值则是相应内核对象在句柄表中的索引值，因此句柄值是进程相关的。内核对象由内核拥有，各个进程可以共享内核对象。进程中止执行，它使用的内核对象并不一定会被撤销。,2. Win32 API的线程库,2.1 创建线程的基本问题,线程可以由进程中的任意线程创建，而进程的主线程在进程加载时自动创建。每个线程都有自己的进入点函数。主线程的进入点函数,线程函数-线程的入口点,线程函数的返回值是该线程的退出代码线程函数应尽可能使用函数参数和局部变量,2.2 创建线程的API函数,当创建线程时，
4、系统创建一个线程内核对象。该线程内核对象不是线程本身，而是操作系统用来管理线程的较小的数据结构在进程的地址空间分配内存，供线程的堆栈使用,安全属性 NULL,控制创建线程标志,线程ID,/STACK：reservecommit,C/C+多线程运行期库中线程创建函数 _beginthreadex,_beginthreadex函数在创建线程之前会为线程分配数据块（tiddata），并对数据块初始化，然后将数据块与线程联系起来再为线程函数建立结构异常化处理帧来处理线程函数中的异常。,2.3 操作线程的API,暂停线程返回值是线程的前一个暂停计数线程暂停是线程内核对象的一个内部值，用于指明线程的暂停计
5、数。使用要小心，因为不知道暂停线程运行时它在进行什么操作。可能造成死锁,2.3 操作线程的API,恢复线程返回值是线程的前一个暂停计数该函数用于将处于暂停状态的线程置于就绪状态，使其参加线程调度。,2.3 操作线程的API,使线程睡眠该函数是线程暂停自己的运行，直到睡眠时间过去为止当线程调用这个函数时，它自动放弃剩余的时间片，迫使系统进行线程调度。Windows不是实时的操作系统。,2.3 操作线程的API,终止线程线程函数返回（最好）通过调用ExitThread函数，线程将自行撤销同一个进程或另一个进程中的线程调用TerminateThread函数包含线程的进程终止,线程返回函数,线程中创建
6、的C+类对象能够正常撤销操作系统将正确地释放线程堆栈使用的内存系统将线程的退出代码（线程内核对象维护）设置为线程函数的返回值系统将递减线程内核对象的使用计数,ExitThread函数,线程调用这个函数，强制线程终止运行导致操作系统清除该线程使用的所有操作系统资源。C+类对象将不被撤销。,TerminateThread函数,能够撤销任何线程线程的内核对象的使用计数也被递减异步运行的函数不撤销线程的堆栈，直到进程终止,在进程终止运行时撤销线程,ExitProcess 和 TerminateProcess函数可以终止线程，这些线程将会终止进程中的所有线程进程所使用的资源被清除剩余线程被撤销C+对象撤
7、销函数没有被调用,线程内核对象示意图,在进程终止运行时撤销线程,2.4 一个简单的Windows多线程程序,3. 线程间通信,操作系统随机调度线程，程序员不能预知线程的执行顺序,3. 线程间通信,下面两种情况下，线程间需要通信当有多个线程访问共享资源而不希望共享资源遭到破坏；（互斥）当一个线程需要将某个任务已经完成的情况通知另外一个或多个线程时。（同步）Windows线程通信方法主要有互锁函数、临界段、事件、互斥量、信号量,3.1 互锁函数,互锁函数是用来解决原子访问的，主要针对变量的原子访问；原子访问：当线程访问资源时，能够确保没有其它线程同时访问相同的资源。,例子,Long g_x = 0
8、; /全局变量DWORD WINAPI ThreadFunc1 (PVOID pvParam) g_x+;return 0; DWORD WINAPI ThreadFunc2 (PVOID pvParam) g_x+;return 0;,MOV EAX, g_xINC EAXMOV g_x, EAX,递增以原子方式运行,3.1 互锁函数,LONG InterlockedExchangeAdd()( PLONG plAddend, LONG lIncrement);Long g_x=0; /全局变量DWORD WINAPI ThreadFunc1 (PVOID pvParam) Interloc
9、kedExchangeAdd(,3.1 互锁函数,以原子操作方式用第二个参数的值取代第一个参数的当前值。LONG InterlockedExchange ()( PLONG plTarget, LONG lValue);LONG InterlockedExchangePointer ()( PVOID* ppvTarget, PVOID pvValue);,3.1 互锁函数,比较第一个参数所指的值和第三个参数的值，如果相等，则将第一个参数所指的值置为第二个参数，如果不相等则不进行任何操作。LONG InterlockedCompareExchange ()( PLONG plDestinati
10、on, LONG lExchange, LONG lComparand);LONG InterlockedCompareExchangePointer ()( PVOID* ppvDestination, PVOID pvExchange, PVOID pvComparand);,3.2 临界段,互锁函数：以原子操作方式修改单个值临界段：以原子方式修改复杂的数据结构。临界段：关键代码段，是指一小段代码，同一个时刻，只能有一个线程具有访问权。多个线程访问同一个临界区的原则： 一次最多只能一个线程停留在临界区内； 不能让一个线程无限地停留在临界区内，否则其它线程将不能进入该临界区,临界段相关API
11、函数,4个函数用于临界段首先定义一个临界段对象（通常全局变量）临界段对象初始化进入临界段离开临界段释放临界段对象,临界段应用举例,加上临界段,3.3 使用内核对象的线程间通信,互锁函数和临界段都是在用户态实现线程通信的，优点速度快用户态机制只能实现同一进程内线程通信。内核对象机制的适应性优于用户态机制，缺点速度慢。包含通知状态和未通知状态内核属性的内核对象有：进程，线程，作业，文件，控制台输入文件修改通知，事件，可等待定时器信号量，互斥量,3.3 使用内核对象的线程间通信,线程可以使自己进入等待状态,直到一个对象变为已通知状态，这个功能通过等待函数完成。,3.4 事件,事件内核对象是最简单的对
12、象。一个使用计数一个布尔值，指明该事件是自动重置事件，还是人工重置事件；一个布尔值，指明该事件是已通知状态，还是未通知状态。 当人工重置事件得到通知时，等待该事件的所有线程均变为可调度事件；当自动重置事件得到通知时，等待该事件的线程中只有一个线程变为可调度线程。,3.4 事件,创建事件内核对象 当系统创建事件对象后，返回进程相关的事件对象的句柄。,3.4 事件,其它进程中的线程可以获得事件对象的访问权，方法：OpenEvent,EVENT_ALL_ACCESS,3.4 事件,一旦事件已经创建，就可以直接控制它的状态将事件设置为已通知状态将事件设置为未通知状态,3.4 事件,事件的主要用途是标志
13、事件的发生，并以此协调线程的执行顺序。例子：用户在主线程输入命令，控制新建线程的运行。,3.5 互斥量,互斥量是一个种内核对象，确保线程拥有对单个资源的互斥访问权。一个使用数量一个线程ID一个递归计数器互斥量的行为特征与临界段相同，互斥量属于内核对象，而临界段属于用户方式对象。互斥量的线程ID标识系统中哪个线程拥有互斥量，为0，没有线程拥有递归计数器指明线程拥有互斥量的次数,3.5 互斥量,经常用于保护多个线程访问的内存块；控制对共享资源的访问 保证每次只能有一个线程获得互斥量,3.5 互斥量,互斥量的创建 另一个进程可获得本进程相关的互斥量的句柄,3.5 互斥量,释放互斥量 等待互斥量互斥量
14、不同于其它内核对象，互斥对象有一个“线程所有权”的概念。,3.6 信号量,信号量是一个内核对象，可用来管理大量有限的系统资源 一个使用计数32位整数，最大资源数量32位整数，当前资源数量信号量使用规则：当前资源数量大于0，则等待信号量的线程获得资源继续运行，当前资源数量减1当前资源数量等于0，则等待信号量的线程继续等待，直到有线程释放信号量，使当前资源数量大于0,3.6 信号量,创建信号量另一进程可获得与本进程相关的信号量的句柄,3.6 信号量,释放信号量,例，两个线程分别有一个初值为0的Int型局部变量，两个线程的行为是在一个循环中，使整型变量递增，一个约束条件，在递增过程中，这两个值的差不超过5,4. 调度优先级,4. 调度优先级,Windows是一个多任务多线程操作系统，调度方法是基于优先级的时间片轮转抢占式调度。每个线程被赋予优先级号码：031高优先级：优先调度，且可以即时调度，中断低优先级线程。同优先级：时间片轮转法低优先级：就绪状态，直到高优先级线程执行完毕。,1,
