多线程数据同步总结

在线程安全的单间类中提到了InterlockedCompareExchangePointer函数及CAS（Compare and swap）技术，或者成为Lock Free，及使用系统提供的基于cpu指令的无锁多线程数据同步技术。这里打算稍微学习并总结下windows平台下常用的多线程数据同步方法以及他们的区别。

多线程同步，最常用的应该是加锁。常见的方式有临界区、信号量、互斥锁等。

临界区是windows下的，是用户态的同步，开销小、速度快，适合用于控制多线程数据访问。不可用于进程间数据同步。首先进入临界区的线程执行，其他线程挂起。

互斥锁在Windows和linux都可用，各线程争抢锁，抢到锁的线程可执行，其他现成挂起等待。互斥锁可以用于线程同步，也可以用于进程同步。工作在内核态，相对来说开销大，速度慢。

信号量用在多线程多任务同步的，一个线程完成了某一个动作就通过信号量告诉别的线程，别的线程再进行某些动作。内核态。

和lock free相比，上面的同步方式都先的少重，对于频繁访问的一些资源，如果使用锁来同步，就会有比较大的开销。在某些场景下，使用Lock free，在性能上会有一定的优化。

lock free 基于 CAS(compare and swap)以及atomic。先介绍下一组atomic。

原子操作是不可分割的，在执行完毕不会被任何其它任务或事件中断，不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch （切换到另一个线程）

LONG __cdecl InterlockedIncrement(_Inout_  LONG volatile *Addend);//原子+1

LONG __cdecl InterlockedDecrement(_Inout_  LONG volatile *Addend);//原子-1

LONG __cdecl InterlockedExchangeAdd(_Inout_  LONG volatile *Addend,_In_     LONG Value);//原子+n(n可为负数)

LONG __cdecl InterlockedExchange(_Inout_  LONG volatile *Target,_In_     LONG Value);//原子赋值

LONG __cdecl InterlockedCompareExchange(_Inout_  LONG volatile *Destination,_In_     LONG Exchange,_In_     LONG Comparand);//原子比较赋值

PVOID __cdecl InterlockedCompareExchangePointer(_Inout_  PVOID volatile *Destination,_In_     PVOID Exchange,_In_     PVOID Comparand);//原子指针比较赋值

为什么对一个自增操作需要原子操作InterlockedIncrement？

这是因为一条简单的i += 1或者i++指令，在cpu执行时，是由多条指令组合而成的。

1.将i从内存取出，并动态生成一个空间存储取出来的值；
2.将取出来的值和1做加法，并将和放入i的空间覆盖掉原值，操作结束；

起码有两步，那么它就不是原子操作。当有多个线程时，有可能在step1和step2之间由于线程切换而造成数据异常。

而InterlockedIncrement就保证了对一个数i的自增操作是原子的，自动实现线程同步。可以认为InterlockedIncrement内部是这样的，当然，它需要cpu的支持：

InterlockedIncrement(&param)  
{   
      __禁止其他线程访问   (&param)   这个地址   
     param++;          
      move   EAX,  param;   //   设定返回值,C++函数的返回值   都放在EAX中,   
      __开放其他线程访问   (&param)   这个地址   
}   

InterlockedDecrement和InterlockedIncrement类似，他们常用于引用计数的增减。

InterlockedExchangeAdd可以实现+n操作。

InterlockedExchange实现给赋值的原子操作。

InterlockedCompareExchange实现比较赋值，如果destination等于compare，则将exchange的值赋给destination。

InterlockedCompareExchangePointer是对指针的比较赋值。

上面这些原子操作api更多的是在lock free中和其他结合使用。可参看并行编程中的lock free

最后加一句，关于sleep操作。加锁造成的线程等待，线程将被挂起，而sleep操作并不会挂起线程。sleep把进程的运行状态改为睡眠，将其从系统可执行队列去掉，这样系统就不会调度到该进程，不会分配CPU时间片。同时根据该进程的睡眠时间，将进程挂入相应的定时器队列中。同时内核维持一个定时器队列，每一次时钟中断处理，都把当前到期的队列中的进程唤醒，加入到可运行进程队列中。 同时对所有挂入定时器队列中的进程时间值减1。所以即使sleep(0)，当前线程也会交出当前cpu时间片中未使用的部分。理解了这些，对于处理CPU占用高的性能问题，使用sleep(0)或sleep(1)会有一定帮助。