VC++深入详解（14）：多线程与线程同步（重新修改版）

考虑到内容的连贯性，我对几乎重写了这篇博客，在这一小节，主要介绍线程以及线程间的同步，而把那个聊天工具放到下一节。

什么是程序？程序是计算计指令的集合，它以文件的形式储存在磁盘上。
什么是进程？进程是一个正在运行的程序的实例，是一个程序在其自身的地址空间内中的一次执行活动。因此，一个程序可以对应多个进程，比如我们可以把自己编写的简单的“hello, world”程序执行很多遍。
进程是资源申请、调度很运行的基本单位，因此：

#include <stdio.h>int a = 0;int main(){printf("%d",a);++a;return 0;}

尽管a是“全局”变量，但假如我们把这个程序执行2遍，每次打印出来的结果都是0。
在Windows系统下，进程有两部分组成：
（1）操作系统用来管理进程的内核对象。
这些对象用来存放进程统计信息。他们是操作系统内部分配的内存块，只能被内核访问使用，用用程序无法找到该数据结构，并直接改变其内容。Windows提供了一些函数来对内核对象进行操作。
（2）地址空间
它包含所有可执行的模块或DLL模块的代码和数据，也包含动态分配的空间。例如线程的栈和堆。
关于进程的知识我们会在后面的章节仔细讲解。


实际上，进程从来不执行任何东西，若要使进程完成某项操作，它必须拥有一个在它的环境中运行的线程，此线程负责执行包含在进程的地址空间中的代码。也就是说，真正完成代码执行的是线程，而进程只是线程的容器。线程是使用系统资源的基本单位。


线程也由两部分组成：
（1）线程的内核对象。操作系统用它来对线程进行管理，存放线程的统计信息。
（2）线程栈。它用于维护线程执行代码时所需要的所有函数和参数的局部变量。


线程只有一个内核对象和一个栈，开销相对较少，因此在编程中经常采用多线程来解决编程问题，而尽量避免创建新的进程。
与线程相关的基本函数包括：
CreateThread：创建线程
CloseHandle：关闭线程句柄。注意，这只会使指定的线程句柄无效（减少该句柄的引用计数），启动句柄的检查操作，如果一个对象所关联的最后一个句柄被关闭了，那么这个对象会从系统中被删除。关闭句柄不会终止相关的线程。


线程是如何运行的呢？这又与你的CPU有关系了，如果你是一个单核CPU，那么系统会采用时间片轮询的方式运行每个线程；如果你是多核CPU，那么线程之间就有可能并发运行了。这样就会出现很多问题，比如两个线程同时访问一个全局变量之类的。它们需要线程的同步来解决。所谓同步，并不是多个线程一起同时执行，而是他们协同步调，按预定的先后次序执行。
Windows下线程同步的基本方法有3种：互斥对象、事件对象、关键代码段（临界区），下面一一介绍：

互斥对象属于内核对象，包含3个成员：
1.使用数量：记录了有多少个线程在调用该对象
2.一个线程ID：记录互斥对象维护的线程的ID
3.一个计数器：前线程调用该对象的次数
与之相关的函数包括：
创建互斥对象：CreateMutex
判断能否获得互斥对象：WaitForSingleObject
对于WaitForSingleObject，如果互斥对象为有信号状态，则获取成功，函数将互斥对象设置为无信号状态，程序将继续往下执行；如果互斥对象为无信号状态，则获取失败，线程会停留在这里等待。等待的时间可以由参数控制。
释放互斥对象：ReleaseMutex
当要保护的代码执行完毕后，通过它来释放互斥对象，使得互斥对象变为有信号状态，以便于其他线程可以获取这个互斥对象。注意，只有当某个线程拥有互斥对象时，才能够释放互斥对象，在其他线程调用这个函数不得达到释放的效果，这可以通过互斥对象的线程ID来判断。


我们看一个例子：

#include <Windows.h>#include <stdio.h>//线程函数声明DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter);DWORD WINAPI Thread2Proc(  LPVOID lpParameter);//全局变量int tickets = 100;HANDLE hMutex;int main(){HANDLE hThread1;HANDLE hThread2;//创建互斥对象hMutex = CreateMutex( NULL,//默认安全级别  FALSE,//创建它的线程不拥有互斥对象  NULL);//没有名字//创建线程1hThread1 = CreateThread(NULL,//默认安全级别0,//默认栈大小Thread1Proc,//线程函数 NULL,//函数没有参数0,//创建后直接运行NULL);//线程标识，不需要//创建线程2hThread2 = CreateThread(NULL,//默认安全级别0,//默认栈大小Thread2Proc,//线程函数 NULL,//函数没有参数0,//创建后直接运行NULL);//线程标识，不需要//主线程休眠4秒Sleep(4000);//主线程休眠4秒Sleep(4000);//关闭线程句柄CloseHandle(hThread1);CloseHandle(hThread2);//释放互斥对象ReleaseMutex(hMutex);return 0;}//线程1入口函数DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter){while(TRUE){WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);if(tickets > 0){Sleep(10);printf("thread1 sell ticket : %d\n",tickets--);ReleaseMutex(hMutex);}else{ReleaseMutex(hMutex);break;}}return 0;}//线程2入口函数DWORD WINAPI Thread2Proc(  LPVOID lpParameter){while(TRUE){WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);if(tickets > 0){Sleep(10);printf("thread2 sell ticket : %d\n",tickets--);ReleaseMutex(hMutex);}else{ReleaseMutex(hMutex);break;}}return 0;}

使用互斥对象时需要小心：
调用假如一个线程本身已经拥有该互斥对象，则如果它继续调用WaitForSingleObject，则会增加互斥对象的引用计数，此时，你必须多次调用ReleaseMutex来释放互斥对象，以便让其他线程可以获取：

//创建互斥对象hMutex = CreateMutex( NULL,//默认安全级别  TRUE,//创建它的线程拥有互斥对象  NULL);//没有名字WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);//释放互斥对象ReleaseMutex(hMutex);//释放互斥对象ReleaseMutex(hMutex);

下面看事件对象，它也属于内核对象，包含3各成员：
1.使用计数
2.用于指明该事件是自动重置事件还是人工重置事件的布尔值
3.用于指明该事件处于已通知状态还是未通知状态。
自动重置和人工重置的事件对象有一个重要的区别：当人工重置的事件对象得到通知时，等待该事件对象的所有线程均变为可调度线程；而当一个自动重置的事件对象得到通知时，等待该事件对象的线程中只有一个线程变为可调度线程。
与事件对象相关的函数包括：
创建事件对象：CreateEvent
HANDLE CreateEvent(  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes, BOOL bManualReset, BOOL bInitialState,LPCTSTR lpName);
设置事件对象：SetEvent：将一个这件对象设为有信号状态
BOOL SetEvent(  HANDLE hEvent  );
重置事件对象状态：ResetEvent：将指定的事件对象设为无信号状态
BOOL ResetEvent(  HANDLE hEvent );

下面仍然使用买火车票的例子：

#include <Windows.h>#include <stdio.h>//线程函数声明DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter);DWORD WINAPI Thread2Proc(  LPVOID lpParameter);//全局变量int tickets = 100;HANDLE g_hEvent;int main(){HANDLE hThread1;HANDLE hThread2;//创建事件对象g_hEvent = CreateEvent( NULL,//默认安全级别TRUE,//人工重置FALSE,//初始为无信号NULL );//没有名字//创建线程1hThread1 = CreateThread(NULL,//默认安全级别0,//默认栈大小Thread1Proc,//线程函数 NULL,//函数没有参数0,//创建后直接运行NULL);//线程标识，不需要//创建线程2hThread2 = CreateThread(NULL,//默认安全级别0,//默认栈大小Thread2Proc,//线程函数 NULL,//函数没有参数0,//创建后直接运行NULL);//线程标识，不需要//主线程休眠4秒Sleep(4000);//关闭线程句柄//当不再引用这个句柄时，立即将其关闭，减少其引用计数CloseHandle(hThread1);CloseHandle(hThread2);//关闭事件对象句柄CloseHandle(g_hEvent);return 0;}//线程1入口函数DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter){while(TRUE){WaitForSingleObject(g_hEvent,INFINITE);if(tickets > 0){Sleep(1);printf("thread1 sell ticket : %d\n",tickets--);}elsebreak;}return 0;}//线程2入口函数DWORD WINAPI Thread2Proc(  LPVOID lpParameter){while(TRUE){WaitForSingleObject(g_hEvent,INFINITE);if(tickets > 0){Sleep(1);printf("thread2 sell ticket : %d\n",tickets--);}elsebreak;}return 0;}

程序运行后并没有出现两个线程买票的情况，而是等待了4秒之后直接退出了，这是什么原因呢？问题出在了我们创建的事件对象一开始就是无信号状态的，因此2个线程线程运行到WaitForSingleObject时就会一直等待，直到自己的时间片结束。所以什么也不会输出。
如果想让线程能够执行，可以在创建线程时将第3个参数设为TRUE，或者在创建完成后调用

SetEvent(g_hEvent);

程序的确可以实现买票了，但是有些时候，会打印出某个线程卖出第0张票的情况，这是因为当人工重置的事件对象得到通知时，等待该对象的所有线程均可变为可调度线程，两个线程同时运行，线程的同步失败了。


也许有人会想到，在线程得到CPU之后，能否使用ResetEvent是得线程将事件对象设为无信号状态，然后当所保护的代码运行完成后，再将事件对象设为有信号状态？我们可以试试：

//线程1入口函数DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter){while(TRUE){WaitForSingleObject(g_hEvent,INFINITE);ResetEvent(g_hEvent);if(tickets > 0){Sleep(10);printf("thread1 sell ticket : %d\n",tickets--);SetEvent(g_hEvent);}else{SetEvent(g_hEvent);break;}}return 0;}

线程2的类似，这里就省略了。运行程序，发现依然会出现卖出第0张票的情况。这是为什么呢？我们仔细思考一下：单核CPU下，可能线程1执行完WaitForSingleObject，还没来得及执行ResetEvent时，就切换到线程2了，此时，由于线程1并没有执行ResetEvent，所以线程2也可以得到事件对象了。而在多CPU平台下，假如两个线程同时执行，则有可能都执行到本应被保护的代码区域。
所以，为了实现线程间的同步，不应该使用人工重置的事件对象，而应该使用自动重置的事件对象：

hThread2 = CreateThread(NULL,0,Thread2Proc,NULL0,NULL);

并将原来写的ResetEvent和SetEvent全都注释起来。我们发现程序只打印了一次买票过程。我们分析一下原因：
当一个自动重置的事件得到通知后，等待该该事件的线程中只有一个变为可调度线程。在这里，线程1变为可调度线程后，操作系统将事件设为了无信号状态，当线程1休眠时，所以线程2只能等待，时间片结束以后，又轮到线程1运行，输出thread1 sell ticket :100。然后循环，又去WaitForSingleObject，而此时事件对象处于无信号状态，所以线程不能继续往下执行，只能一直等待，等到自己时间片结束，直到主线程睡醒了，结束整个程序。
正确的使用方法是：当访问完对保护的代码段后，立即调用SetEvent将其设为有信号状态。允许其他等待该对象的线程变为可调度状态：

DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter){while(TRUE){WaitForSingleObject(g_hEvent,INFINITE);if(tickets > 0){Sleep(10);printf("thread1 sell ticket : %d\n",tickets--);SetEvent(g_hEvent);}else{SetEvent(g_hEvent);break;}}return 0;}

总结一下：事件对象要区分人工重置事件还是自动重置事件。如果是人工重置的事件对象得到通知，则等待该事件对象的所有线程均变为可调度线程；当一个自动重置的事件对象得到通知时，只有一个等待该事件对象的线程变为可调度线程，且操作系统会将该事件对象设为无信号状态。因此，当执行完受保护的代码后，需要调用SetEvent将事件对象设为有信号状态。


下面介绍另一种线程同步的方法：关键代码段。
关键代码段又称为临界区，工作在用户方式下。它是一小段代码，但是在代码执行之前，必须独占某些资源的访问权限。
我们先介绍与之先关的API函数：
使用InitializeCriticalSection初始化关键代码段
使用EnterCriticalSection进入关键代码段：
使用LeaveCriticalSection离开关键代码段：
使用DeleteCriticalSection删除关键代码段，释放资源
我们看一个例子：

#include <Windows.h>#include <stdio.h>//线程函数声明DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter);DWORD WINAPI Thread2Proc(  LPVOID lpParameter);//全局变量int tickets = 100;CRITICAL_SECTION g_cs;int main(){HANDLE hThread1;HANDLE hThread2;//初始化关键代码段InitializeCriticalSection(&g_cs);//创建线程1hThread1 = CreateThread(NULL,//默认安全级别0,//默认栈大小Thread1Proc,//线程函数 NULL,//函数没有参数0,//创建后直接运行NULL);//线程标识，不需要//创建线程2hThread2 = CreateThread(NULL,//默认安全级别0,//默认栈大小Thread2Proc,//线程函数 NULL,//函数没有参数0,//创建后直接运行NULL);//线程标识，不需要//主线程休眠4秒Sleep(4000);//关闭线程句柄CloseHandle(hThread1);CloseHandle(hThread2);//关闭事件对象句柄DeleteCriticalSection(&g_cs);return 0;}//线程1入口函数DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter){while(TRUE){//进入关键代码段前调用该函数判断否能得到临界区的使用权EnterCriticalSection(&g_cs);Sleep(1);if(tickets > 0){Sleep(1);printf("thread1 sell ticket : %d\n",tickets--);//访问结束后释放临界区对象的使用权LeaveCriticalSection(&g_cs);Sleep(1);}else{LeaveCriticalSection(&g_cs);break;}}return 0;}//线程2入口函数DWORD WINAPI Thread2Proc(  LPVOID lpParameter){while(TRUE){//进入关键代码段前调用该函数判断否能得到临界区的使用权EnterCriticalSection(&g_cs);Sleep(1);if(tickets > 0){Sleep(1);printf("thread2 sell ticket : %d\n",tickets--);//访问结束后释放临界区对象的使用权LeaveCriticalSection(&g_cs);Sleep(1);}else{LeaveCriticalSection(&g_cs);break;}}return 0;}

在这个例子中，通过在放弃临界区资源后，立即睡眠引起另一个线程被调用，导致两个线程交替售票。
下面看一个多线程程序中常犯的一个错误-线程死锁。死锁产生的原因，举个例子：线程1拥有临界区资源A，正在等待临界区资源B；而线程2拥有临界区资源B，正在等待临界区资源A。它俩各不相让，结果谁也执行不了。我们看看程序：

#include <Windows.h>#include <stdio.h>//线程函数声明DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter);DWORD WINAPI Thread2Proc(  LPVOID lpParameter);//全局变量int tickets = 100;CRITICAL_SECTION g_csA;CRITICAL_SECTION g_csB;int main(){HANDLE hThread1;HANDLE hThread2;//初始化关键代码段InitializeCriticalSection(&g_csA);InitializeCriticalSection(&g_csB);//创建线程1hThread1 = CreateThread(NULL,//默认安全级别0,//默认栈大小Thread1Proc,//线程函数 NULL,//函数没有参数0,//创建后直接运行NULL);//线程标识，不需要//创建线程2hThread2 = CreateThread(NULL,//默认安全级别0,//默认栈大小Thread2Proc,//线程函数 NULL,//函数没有参数0,//创建后直接运行NULL);//线程标识，不需要//关闭线程句柄//当不再引用这个句柄时，立即将其关闭，减少其引用计数CloseHandle(hThread1);CloseHandle(hThread2);//主线程休眠4秒Sleep(4000);//关闭事件对象句柄DeleteCriticalSection(&g_csA);DeleteCriticalSection(&g_csB);return 0;}//线程1入口函数DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter){while(TRUE){EnterCriticalSection(&g_csA);Sleep(1);EnterCriticalSection(&g_csB);if(tickets > 0){Sleep(1);printf("thread1 sell ticket : %d\n",tickets--);LeaveCriticalSection(&g_csB);LeaveCriticalSection(&g_csA);Sleep(1);}else{LeaveCriticalSection(&g_csB);LeaveCriticalSection(&g_csA);break;}}return 0;}//线程2入口函数DWORD WINAPI Thread2Proc(  LPVOID lpParameter){while(TRUE){EnterCriticalSection(&g_csB);Sleep(1);EnterCriticalSection(&g_csA);if(tickets > 0){Sleep(1);printf("thread2 sell ticket : %d\n",tickets--);LeaveCriticalSection(&g_csA);LeaveCriticalSection(&g_csB);Sleep(1);}else{LeaveCriticalSection(&g_csA);LeaveCriticalSection(&g_csB);break;}}return 0;}

在程序中，创建了两个临界区对象g_csA和g_csB。线程1中先尝试获取g_csA，获取成功后休眠，线程2尝试获取g_csB，成功后休眠，切换回线程1，然后线程1试图获取g_csB，因为g_csB已经被线程2获取，所以它线程1的获取不会成功，一直等待，直到自己的时间片结束后，转到线程2，线程2获取g_csB后，试图获取g_csA，当然也不会成功，转回线程1……这样交替等待，直到主线程睡醒，执行完毕，程序结束。