学习笔记—多线程同步与互斥

 

多线程编程是一个难点，不仅要考虑各个线程之间的同步和互斥问题，避免死锁，活锁和优先级反转；还要考虑对资源的释放，做到没有内存泄露就是最好的实现了。

还记得大学时候，操作系统课程介绍了进程的同步与互斥，用PV原语实现进程间的同步与互斥；当初复习考研的时候也做过很多的练习；前一段时间和最近一段时间也学习过这方面的知识；现在，当前工作中，项目用的就是多线程实现的，里面不说每种方法都涉及了的，至少涉及了两三种。

言归正传，总结一下多线程同步与互斥实现的一些方法和技术。这些讨论是基于windows平台。

一：单个进程之间多线程的同步技术

1.关键段——这个是在用户模式下的线程同步;

MS 定义了一个CRITICAL_SECTION数据结构，对外没有公开，在相应的winbase.h或者winnt.h可以找到定义。在内部也使用了Interlocked原子锁。使用起来很方便，但是，很容易造成死锁，因为在等待进入关键代码段时无法设定超时值。

初始化函数：VOID InitializeCriticalSection（PCRITICAL_SECTION pcs）//对pcs指向CRITICAL_SECTION进行初始化

释放关键段资源：VOID DeleteCriticalSection（PCRITICAL_SECTION pcs）

使用：在公共资源出使用 EnterCriticalSection（CRITICAL_SECTION g_cs）;

使用完，一定要用LeaveCreaticalSection(CRITICAL_SECTION g_cs)表示对资源不再访问，其他线程可以对此资源进行访问。

2.Sim读/写锁——这个是在用户模式下的线程同步;

对于多个读取者和多个写入者，这个是最好的解决办法；MS定义了一个SRWLOCK结构体使用InitializeSRWLock（PSRWLOCK srwlock）对它进行初始化;Sim读/写锁不需要程序员对他进行释放，操作系统会自己释放锁使用的资源；

对写入者线程来使用AcquireSRWLockExclusive（PSRWLOCK srwlock）获取资源使用权，对资源进行更新后调用ReleaseSRWLock（PSRWLOCK srwlock）释放对共享资源的占用；

对读取者线程来说方法有一点小区别，它使用AcquireSRWLockShared（PSRWLOCK srwlock）获得对共享资源的访问，多个读取者（对于多CPU就是实际上的 “同时”）可以同时对共享资源进行读（他们并不会破坏数据完整性）；调用ReleaseSRWLockShared（PSRWLOCK srwlock）解除对资源的访问权。

3.条件变量——这个是在用户模式下的线程同步;

对于多个读取者和多个写入者，存在一种情况：当读取者没有数据可以读取的时候，应该将锁释放；同样，写入者写入的数据已满就应该释放锁并进入睡眠状态。

这种情况的解决就用到了条件变量：通过SleepConditionVariableCS或者SleepConditionVariableSRW设置条件变量；当调用线程（读取者检测到有数据的时候）检测到条件满足时，会通过调用WakeConditionVariable或者WakeAllConditionVariable，将阻塞的线程（写入者阻塞自己）唤醒。

三种线程同步的方法各有利弊，sim读写锁的效率高于关键段；所以优先采用sim读写锁，不适用的话可以采用关键段。

 

二.多个进程之间同步互斥，采用内核对象实现线程同步;这种方法实现同步会比较慢，CPU花很多时间在用户模式和内核模式进行切换。

1.事件

用CreateEvent（psa， bool， bool， pszname）创建事件内核对象，第一个参数是安全属性，第二个是手动还是自动重置事件，第三个表示是将事件初始化为触发还是触发状态，最后一个对象的名称。当不需要关注事件对象的句柄时，要用CloseHandle将其关闭。

使用：SetEvent设置成触发状态；ResetEvent把事件变成未触发状态。

其他进程的线程可以通过调用OpenEvent（DEWORD，bool， pszname） 访问事件内核对象。

2.可等待计时器

用CreateWaitableTimer(psa,   bool,   pszname)同样，第二个参数表示是手动还是自动重置事件。再创建的时候总是处于未触发的状态，必须调用SetWaitableTimer通知可等待计时器何时触发，SetWaitableTimer和SetTimer很像，每个一定的时间触发一次，但是可以设置触发一次等等。

使用CancelWaitableTimer取消计时器。

3.信号量

和其他的内核对象一样，包含了一个使用计数，同时还包含了：一个最大资源计数和一个当前资源数；分别是第三个参数和第二个参数；用CreateSemaphore（psa， long， long， pszname），其他进程可以通过OpenSemaphore访问一个已经存在的信号量内核对象。

使用：等待函数（WaitSingleObject）传入信号量的句柄，此时，OS会检测信号量的当前资源计数，如果大于零（有信号状态），等待函数会递减资源使用数；使用完后，通过调用ReleaseSemaphore来递增资源的使用数量。

4.互斥量

互斥量对象包含一个使用计数和线程ID和一个递归计数。使用CreateMutex（psa， bool， pszname）或者CreateMutexEx（psa，pszname， dwFlags,   dwDesiredAccess)具体怎么使用可以查MSDN。

使用等待函数WaitSingleObject来请求对资源的访问权，使用ReleaseMutex释放互斥量。

其他进程的线程可以通过OpenMutex访问一个已经创建了的互斥对象内核对象。由于互斥量有“线程所有权”的概念，操作系统会检测想要获得互斥量的线程ID与互斥量线程的线程ID，如果一致就会调度此线程，而不管互斥量是否处于有信号状态。

 

三.其他的实现线程同步的方法

WaitForInputIdle，MsgWaitForMutilpleObjects（Ex），WaitForDebugEvent,SigalObjectAndWait等等。

 

参考资料：孙鑫《深入详解ＭＦＣ》，《Ｗｉｎｄｏｗｓ核心编程》第五版。