Multithreading Applications in Win32 Faqs

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在《Multithreading Applications in Win32》书中旁栏附有关于主题的Faqs，这些Faqs涉及到Multithreading Programming应该引起注意的大部分，于是写下来作为笔记，希望在进行Win32 Multithreading Programming中能起到一些Effective的作用。（Effective是一类书系的名称，这类书是(C++)程序员必读书，最近在读《Effective TCP/IP Programming》）

FAQ 01：合作型(cooperative)多任务与抢先式(preemptive)多任务有何不同？

合作型多任务环境下程序对CPU具有自主占用权，OS不加干预，这样如果一个程序一直占着CPU不放，其他程序就只能一直等停了，没有执行的机会（后果不可想象！）；抢先式任务系统中则由OS合理分配CPU。

FAQ 02：我可以在Win32s中使用多个线程吗？

Win32s (subset)包括Windows 3.1和3.11，不支持抢先式多任务和多线程。

FAQ 03：线程和进程有何不同？

简单说来，在Win32的世界（不同于Unix系OS），进程是一大堆对象集的拥有者，包括内存（memory context），file handles，Threads，DLL Modules（被映射到进程空间）；线程是CPU调度和分配的基本单元。

FAQ 04：线程在操作系统中携带多少“行李”？

线程自身拥有少量的资源，包括自己的堆栈和局部变量，线程间共享进程的所有资源。

FAQ 05：Context Switch是怎么发生的？

在一个抢先式多任务系统中，OS依赖硬件的协助和许多登记操作来确保每个线程都有机会执行。当硬件计时器认为某个线程已经执行够久了，就会发出一个中断，CPU取得目前这个线程的状态，也就是把所有寄存器内容拷贝到堆栈之中，再把它从堆栈拷贝到一个CONTEXT结构中，线程状态信息被保存起来。在切换不同的线程时，OS先切换该线程所隶属的进程的内存，然后恢复该线程放在CONTEXT结构中的寄存器值。

FAQ 06：为什么我应该调用CloseHandle？

由于核心对象可以有一个以上的拥有者，甚至可以跨进程，OS通过引用计数来保持对每一位拥有者的追踪。每次调用返回核心对象handle的API，该核心对象的引用计数便累加1，当调用CloseHandle()时，引用计数便递减1，一旦引用计数降至0，这一核心对象即自动被销毁。因此，有没有调用CloseHandle()对决定核心对象能否正常释放。虽然OS也会把一个进程在结束前没有CloseHandle的核心对象的引用计数降1，但OS不知道对象实际代表的什么意义，所以它不可能知道解构顺序是否重要，进而可能带来负面影响。

FAQ 07：为什么可以在不结束线程的情况下关闭其handle？

线程的handle是指向“线程核心对象”，而不是指向线程本身。当传入一个handle调用CloseHandle()时只不过表示你不希望和此核心对象不再有任何瓜葛。CloseHandle()唯一做的事情就是把引用计数减1。如果该值变成0，对象会自动被OS销毁。另，“线程核心对象”引用到的那个线程也会另核心对象开启。因此，线程对象的默认引用计数是2。当调用CloseHandle()时，引用计数降1，当线程结束时，引用计数再降1。只有当这两件事情都发生了的时候，这个对象才会被真正清除。

FAQ 08：如果线程还在运行而我的程序结束了，会怎样？

程序结束，意味着主线程结束了，这使得其他所有线程都被迫结束而没有机会做清理工作。因此应该在主线程中先等待所有的线程结束。

FAQ 09：什么是MTVERIFY？

（略）

FAQ 10：我如何得知一个核心对象是否处于激发状态？

通过WaitForSingleObject()，将等待时间dwMilliseconds参数设为0，判断返回值：
WAIT_OBJECT_0：激发状态    WAIT_TIMEOUT:未激发状态

FAQ 11：什么是一个被激发的对象？

在Win32中，当一个对象变成激发状态，也就是它的内部状态有所改变，这对程序没有冲击，除非有一个线程正在等待此对象的激发。

FAQ 12：“激发”对于不同的核心对象有什么不同的意义？

每种核心对象“激发”状态的意义都不同：

对象被激发未激发说明Thread当线程结束时；当线程还在进行时；象由CreateThread()或CreateRemoteThread()产生。Process当进程结束时；当进程还在进行时；对象由CreateProcess()或OpenProcess()产生。Change Notification当一个特定的磁盘子目录中发生一件特别的变化时； 对象由FindFirstChangeNotification()产生。Console Input当console窗口的输入缓冲区中有数据可用时； 对象由CreateFile()或GetStdFile()产生。Event  对象状态直接受控于OS提供的3个API：SetEvent()、PulseEvent()、ResetEvent()。对象可以由CreatEvent()或OpenEvent()产生。（当用于”overlapped”操作时，也可以被OS设定状态）Mutexmutex没有被任何线程拥有；一个等待mutex的函数返回了，自动重置为未激发状态； 对象可由CreateMutex()或OpenMutex()产生。Semaphore 当semaphore的计数器大于0时；当计数器等于0时；对象可由CreateSemaphore()或OpenSemaphore产生。

FAQ 13：我如何在主线程中等待一个handle？

一般主线程负责GUI程序中的主消息循环，如果使用WaitForSingleObject()或WaitForMultipleObjects()正在等待某个对象被激发，则无法回到主消息循环中去。因此，在主线程中等待一个handle时，必须使用另一个API：MsgWaitForMultipleObjects()，该函数类似WaitForMultipleObjects()，但是会在“对象被激发”或“消息到达队列”时被唤醒而返回。

FAQ 14：如果线程在critical sections中停很久，会怎样？

如果资源被critical sections（或其他同步对象）锁定时，可能会阻止其他（同时需要该资源的）线程的执行，并把整个程序带到一个完全停止的状态。最坏的情况可能是，当一个带GUI的主线程需要这被锁定的资源时，程序会hang在那里，而用户得不到任何错误信息。因此记住：千万不要在一个critical sections之中调用Sleep()或任何Wait…() AP函数。

FAQ 15：如果线程在critical sections中结束，会怎样？

使用critical sections有一个严重的缺点：无法获知进入critical sections中的那个线程是生是死。从另一个角度看，由于critical section不是核心对象，如果进入critical section的那个线程结束了或当掉了，而没有调用LeaveCriticalSection()的话，系统没有办法将该critical section清除。

FAQ 16：我如何避免死锁？

任何时候当一段代码需要两个或更多资源时，都存在死锁的可能。避免死锁的一个办法是：强迫将资源锁定，使它们成为“all-or-nothing”（要不统统获得，要不统统没有）。

FAQ 17：我能够等待一个以上的critical sections吗？

由于critical sections并不是核心对象（它没有handle），而等待函数WaitForMultipleObjects()等待的只是核心对象，因此无法做到同时等待一个以上的critical sections。

FAQ 18：谁才拥有semaphore？

semaphore没有所有权的概念。Win32中的一个semaphore可以被锁住最多n次，其中n是semaphore被产生时指定的，用来代表“可以锁住一份资源”的线程个数，一个线程可以（反复调用Wait…()函数）拥有所有的锁定。当n为1时，semaphore相当于一个mutex，不同的是，当semaphore的可用计数值降为1时，任何线程调用Wait…()必然要等待；而拥有mutex的线程不论再调用多少次Wait…()，也不会被阻塞。

FAQ 19：Event object有什么用途？

events 核心对象是Win32中最具弹性的同步机制，它唯一的目的就是成为激发状态或未激发状态，这两种状态完全由程序来控制，可运用在多种类型的高级I/O操作中（如Overlapped I/O）。

FAQ 20：如果我对着一个event对象调用PulseEvent()，并且没有线程正在等待，会怎样？

这个event会被遗失（在context switch的时候）。

FAQ 21：什么是overlapped I/O？

简单的说，overlapped I/O是Win32的一项技术，你可以要求OS为你传递数据，并且在传送完毕时通知你。这样你就可以在I/O进行过程中仍能够继续处理事务。

FAQ 22：Overlapped I/O在Windows 95上有什么限制？

Win95所支持的overlapped I/O限于named pipes、mailslots、serial I/O、以及socket()或accept()所传回来的sockets，而不支持磁盘或光盘中的文件操作。

FAQ 23：我能够以C RunTime Library使用overlapped I/O吗？

不能藉由调用 C Runtime Library中的stdio.h函数（如fgets()、fprintf()）而使用overlapped I/O。overlapped I/O的基本型式是以ReadFile()和WriteFile()完成的。

FAQ 24：Overlapped I/O总是异步地(asynchronously)执行吗？

对于提交的overlapped操作，不一定就是overlapped。如果数据已经被放进cache中，或如果OS认为它可以很快速的取得那份数据 ，那么文件操作就会在ReadFile()返回之前完成，而ReadFile()将返回TRUE。这种情况下，文件handle处于激发状态，而对文件的操作可被视为就像overlapped一样。

FAQ 25：我应该如何为overlapped I/O产生一个event对象？

OVERLAPPED结构中的最后一个栏位，是一个event handle。这它被设定为一个event对象时，系统核心会在overlapped操作完成的时候，自动将此event对象激活。注意，使用的这个event对象必须是manual-reset而非auto-reset。否则，将可能产生race condition。原因是系统核心有可能在你有机会等待该event对象之前先激发它，而这个激发状态是不能保留的，也就是会遗失，结果你的Wait…()将永不返回。

FAQ 26：ReadFileEx()和WriteFileEx()的优点是什么？

支持异步过程调用机制（APC），可以传入一个callback函数（称为I/O completion routine），当一个overlapped I/O完成时，系统会调用该callback函数。这样解决了使用overlapped I/O并搭配event对象时带来的两个问题：(1)使用WaitForMutipleObjects()最多只能够等待MAXIMUM WAIT OBJECTS个对象。在Win NT 3.x和4.0这个最大值是64；(2)你必须不断根据“哪一个handle被激发”而计算如何反应，这需要一个dispatch table和WaitForMultipleObjects()的handles数组结合起来。

FAQ 27：一个I/O completion routine何时被调用？

Windows不会贸然中断你的程序，然后调用你提供的callback函数。只有当程序处于“alertable”状态时，APCs才会被调用。如果线程因为这些函数：SleepEx()、WaitForMutipleObjects()、WaitForMutipleObjectsEx()、MsgWaitForMutipleObjectsEx()、SignalObjectAndWait()，而处于等待状态，而其“alertable”标记被设为TRUE，则该线程就是“alertable”状态。

FAQ 28：我如何把一个用户自定义数据传递给I/O completion routine？

在使用APCs时，你可以自由使用OVERLAPPED结构中的hEvent栏位(不需要用来放置event handle)，最大的用途就是配置一个自定义结构，描述数据来源，或是要进行什么操作，来传给I/O completion routine。

FAQ 29：我如何把C++成员函数当作一个I/O completion routine？

I/O completion routine同样必须是全局或static成员函数。若要使用non-static成员函数，可以通过存储一个静态this指针，然后经由该指针调用non-static成员函数。

FAQ 30：在一个高效率服务器(server)上我应该怎么进行I/O？

APCs存在一个限制：只有发出“overlapped请求”的那个线程才能够提供callback函数。而对于一个scalable（通过增加CPU或RAM或disk space而能够提升系能）系统，最好任何线程都能够服务events。这时，WinNT 3.5提供了I/O completion ports（与APCs中所用的I/O completion routines没有任何关联）机制。

FAQ 31：为什么一个I/O completion ports是如此特殊？

completion port是OS提供的一种机制，用来管理一堆线程如何为completed overlapped I/O requests服务。它能够保持一个CPU或多个CPUs尽可能地忙碌，当一个线程被阻塞时，它将发出通告，并提交给另一个线程（假设有idle线程的话）。

FAQ 32：一个I/O completion port上应该安排多少个线程等待？

当你产生一个线程时，它们都应该在completion port上等待。当线程开始为各个request服务时，池子里的线程应该是这样组织如的：目前正在执行的线程+被阻塞的线程+在completion port上等待的线程。因此，应该产生比CPU个数还多的线程。合理的个数应该是2*CPU个数+2。

FAQ 33：为什么我不应该使用select？

如果程序对性能和scalable有要求，在WinNT上应该使用completion port，select模型不能够因为增多CPUs而对程序性能有所提升。

FAQ 34：volatile如何影响编译器的最优化操作？

volatile告诉编译器不要持有变量的临时性拷贝。

FAQ 35：什么是Readers/Writers lock？

程序中的多个线程在同一时间读取数据事实上并不会有什么问题，只要当时没有其他线程企图改变数据就好。相反，如果一个线程正在写入数据，其他线程不论读或写都应该被阻止。Readers/Writers lock就是用于这两种情形的。

FAQ 36：一次应该锁住多少数据？

也就是锁定粒度，这是个问题，在“尽量少用locks”的准则下去考虑。

FAQ 37：我应该使用多线程版本的C run-time library吗？

如果写的是多线程程序，而且没有使用MFC，则应该总是链接多线程版本的C run-time library，并且总是以_beginthreadex()和_endthreadex取代CreateThread()和ExitThread()。

FAQ 38：我如何选择一套适当的c run-time library？

原先的 C run-time library中使用了数个全局变量和静态变量，在多线程程序中将引起冲突，而在后来的多线程版本中保证了thread-safe。在VC++中提供了两个版本的c runtime library分别供单/多线程程序使用。

如果是单线程程序或多线程程序但没有使用涉及全局/静态变量的C函数时可使用单线程版的runtime library，否则使用多线程版。（MFC程序必须使用多线程版）

FAQ 39：我如何使用_beginthreadex()和_endthreadex()？

_beginthreadex()是对CreateThread()的wrapper，另外做了些额外的记录工作。另外_beginthreadex()的参数由Win32数据类型“净化”为标准的C数据类型，目的是跨平台。然后好心没干成好事，由于_beginthreadex()实际返回的是线程handle（需要强制装换为HANDLE类型才能使用），结束线程时还是需要调用CloseHandle()，所以还是需要包含windows.h头文件。

FAQ 40：什么时候我因该使用_beginthreadex而非CreateThread()？

要使用CreateThread()，除非不调用任何runtime library函数，否则都应该使用_beginthreadex。（不调用runtime library函数几乎是不可能的，编译器也常会代为调用一些位于runtime library中的辅助函数）

FAQ 41：我如何使用Console API取代stdio.h？

（略）

FAQ 42：为什么我不应该使用_beginthread()？

存在几个基本的问题：(1)没有要求获得和CreateThread()完全一样的参数，因此有些事情它办不到，如将线程产生于挂起状态；(2)被_beginthread()产生出来的线程所做的第一件事就是关闭自己的handle（为了隐藏Win32的实现细节）。因此，_beginthread()传回的handle可能在当时是不可用的，也就没办法等待这个线程的结束，以及改变其参数、或取得其结束代码。

FAQ 43：我如何以一个C++成员函数当作线程起始函数？

（略）

FAQ 44：我如何以一个成员函数当作线程起始函数？

（略）

FAQ 45：我如何能够阻止一个线程杀掉它自己？

MFC中，CWinThread对象可能在AfxBeginThread()返回时就已经被删除了，这时任何设计线程handle的操作都将使程序当掉。幸运的是，CWinThread中有一个成员变量m_bAutoDelete，可以用来阻止CWinThread对象被自动删除。要使用这个变量并且避免产生race condition，必须以挂起状态产生线程。

FAQ 46：CWinApp和主线程之间有什么关系？

（略）

FAQ 47：我如何设定AfxBeginThread()中的pThreadClass参数？

（略）

FAQ 48：我如何对一个特定的线程调试？

利用VC++进行调试时，可以将其他线程挂起。

FAQ 49：如果一个新的线程使用了我的DLL，我如何被告知？

当一个进程载入或卸载一个DLL时，DllMain()函数会被系统调用。当一个进程开始执行时，它所用到的每一个DLL的DllMain()都会被系统调用，并获得DLL_PROCESS_ATTACH消息；如果是线程开始执行，进程所用到的每一个DLL的DllMain()也会被系统调用，并获得DLL_THREAD_ATTACH消息。

FAQ 50：为什么我在写DLL时需要小心所谓的动态链接？

当一个DLL被LoadLibrary()或LoadLibraryEx()动态载入时，DllMain()不会收到任何正在执行线程的DLL_THREAD_ATTACH通告消息，除了那个调用LoadLibrary()的线程。不过，DllMain()会收到所有那些线程的DLL_THREAD_DETACH消息。

FAQ 51：为什么我在DllMain中启动一个线程时必须特别小心？

可能发生race condition。

FAQ 52：我如何在DLL中设定一个thread local storage(TLS)？

（略）

FAQ 53：_declspec(thread)的限制是什么？

_declspec(thread)（VC++编译器支持）可用来将一个变量或结构声明为“具有线程局部性”，但在使用C++时，如果一个对象拥有构造函数或析构函数，它就不能够被声明为_declspec(thread)。另外，一个DLL如果使用了_declspec(thread)，就没有办法被LoadLibrary()载入。因为线程局部节区的大小计算是在程序启动时完成的，没有办法在一个新的DLL载入时重新计算。

FAQ 54：我应该在什么时候使用多线程？

在开发一下领域的程序时，可以考虑使用多线程。

(1)offloading time-consuming task。由主线程（GUI线程）负责，让用户界面有较好的反应；(2)Scalability；(3)Fair-share resource allocation；(4)Simulations。

FAQ 55：我能够对既有程序代码进行多线程操作吗？

评估全局/静态变量的使用度高不高。

FAQ 56：我可以在我的数据库应用程序中使用多线程吗？

（略）

欢迎指正！