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【Windows线程开发】Windows线程同步技术（上）

2023-06-19 82
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简介： 【Windows线程开发】Windows线程同步技术

一.原子锁

原子锁主要解决的问题是多线程在操作符方面的问题。

  • 相关问题：

多个线程对同一个数据进行原子操作时，会产生结果丢失，比如++运算符

我们来写一段代码看看多线程在操作同一个数据的时候出现的问题：

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter);
DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter);
int g_value = 0;
int main() {
  DWORD nID = 0;
  HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc1, NULL, 0, &nID);
  HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc2, NULL, 0, &nID);
  WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, INFINITE);
  printf("%d\n", g_value);
  return 0;
}
DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter) {
  for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
    g_value++;
  }
  return 0;
}
DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter) {
  for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
    g_value++;
  }
  return 0;
}
  • 代码解释
    我们创建两个线程，同时对全局变量g_value进行自增操作，两个线程分别自增100000000次，那么最后结果就应该是200000000，我们来看看执行结果：

    我们发现，最后结果并不是200000000，那么是为什么呢？

我们来分析一下错误：

当线程A执行g_value++时，如果线程切换正好是在线程A将结果保存到g_value之前，线程B继续执行g_value++，那么当线程A再次被切换回来之后，会继续上一步的操作，继续将值保存到g_value中，线程B的计算结果被覆盖

通俗点来说，就是线程A计算好了g_value的结果，但是还没有保存到g_value，这时候线程切换到了B线程，线程B完成了计算，并且成功保存，当返回到A线程的时候，A线程会继续上一步的保存操作，那么B线程的计算结果就被覆盖掉了。

那么如何来解决这样的问题呢？那就要用到我们的线程同步技术—原子锁了：

  • 原子锁函数：
    InterlockedIncrement()
    InterlockedDecrement()
    InterlockedCompareExcahnge()
    InterlockedExchange()
    我们在上文中提到，原子锁主要针对的是运算符的问题，每一种运算符都有原子锁函数
    我们来看看使用效果：这里以++运算符为例：
#include <stdio.h>
#include <windows.h>
DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter);
DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter);
DWORD g_value = 0;
int main() {
  DWORD nID = 0;
  HANDLE hThread[2] = { 0 };
  hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc1, NULL, 0, &nID);
  hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc2, NULL, 0, &nID);
  WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, INFINITE);
  printf("%d\n", g_value);
  return 0;
}
DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter) {
  for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
    InterlockedIncrement(&g_value);
  }
  return 0;
}
DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter) {
  for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
    InterlockedIncrement(&g_value);
  }
  return 0;
}

我们来看看执行效果：

我们可以发现，当我们使用原子锁的时候，两个线程操作同一个数据，就不会出现结果丢失的问题了。但是我们也不难发现，执行结果慢了很多，这是因为执行过程中多了很多等待事件，这个等待我们在互斥中会讲到。

原子锁的实现：直接对数据所在的内存操作，并且在任何一个瞬间，只能有一个线程访问

二.互斥体

  • 相关问题
    跟原子锁一样，都是解决多线程下资源的共享使用，但是与原子锁不同的是，互斥体解决的是代码资源的共享使用。
  • 互斥体的使用：
  1. 创建互斥体：
    使用CreateMutex函数：
    MSDN官方文档解释
HMODLE CreateMutex(
  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,    //安全性
  BOOL bInitialOwner,        //初始拥有者
  LPCSTR lpName              //为互斥命名
);

参数bInitialOwner介绍：

如果此值为 TRUE ，并且调用方创建了互斥体，则调用线程获取互斥体对象的初始所有权。 否则，调用线程不会获取互斥体的所有权。

互斥体特性介绍：

  1. 在任何一个时间点上，只能由一个线程拥有互斥体
  2. 当前任何一个线程不拥有互斥体是，互斥体句柄有信号
  3. 谁先等候互斥体，谁先获取
  1. 等候互斥体：
    上一篇介绍过了，使用等候句柄函数。WaitFor...
  2. 释放互斥体
BOOL ReleaseMutex(
  HANDLE hMutex           //handle of Mutex
);
  1. 关闭互斥体
    使用CloseHandle函数
    我们来看看使用互斥体来解决我们在多线程中遇到的问题：
#include <stdio.h>
#include <windows.h>
DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter);
DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter);
DWORD g_value = 0;
HANDLE hMutex = NULL; //用于接收互斥体句柄
int main() {
  DWORD nID = 0;
  HANDLE hThread[2] = { 0 };
  //hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
  hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc1, NULL, 0, &nID);
  hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc2, NULL, 0, &nID);
  WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, INFINITE);
  printf("%d\n", g_value);
  CloseHandle(hMutex);
  return 0;
}
DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter) {
  char a[] = "********";
  while (1) {
    //WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
    for (int i = 0; i < strlen(a); i++) {
      printf("%c", a[i]);
      Sleep(125);
    }
    printf("\n");
    //ReleaseMutex(hMutex);
  }
  return 0;
}
DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter) {
  char b[] = "--------";
  while (1) {
    //WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
    for (int i = 0; i < strlen(b); i++) {
      printf("%c", b[i]);
      Sleep(125);
    }
    //ReleaseMutex(hMutex);
    printf("\n");
  }
  return 0;
}

我们来看看不适用互斥体技术的时候的输出：

我们再来看看使用了互斥体之后：

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter);
DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter);
DWORD g_value = 0;
HANDLE hMutex = NULL; //用于接收互斥体句柄
int main() {
  DWORD nID = 0;
  HANDLE hThread[2] = { 0 };
  hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
  hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc1, NULL, 0, &nID);
  hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc2, NULL, 0, &nID);
  WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, INFINITE);
  printf("%d\n", g_value);
  CloseHandle(hMutex);
  return 0;
}
DWORD WINAPI ThreadProc1(LPVOID lpParameter) {
  char a[] = "********";
  while (1) {
    WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
    for (int i = 0; i < strlen(a); i++) {
      printf("%c", a[i]);
      Sleep(125);
    }
    printf("\n");
    ReleaseMutex(hMutex);
  }
  return 0;
}
DWORD WINAPI ThreadProc2(LPVOID lpParameter) {
  char b[] = "--------";
  while (1) {
    WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
    for (int i = 0; i < strlen(b); i++) {
      printf("%c", b[i]);
      Sleep(125);
    }
    ReleaseMutex(hMutex);
    printf("\n");
  }
  return 0;
}

我们可以发现使用互斥体之后，对代码段进行了枷锁。

我们来大致讲解一下互斥体的实现吧：

我们在主进程中创建了互斥体，并且互斥体不归之进程所有，两个线程谁先等待互斥体句柄，谁就拥有了互斥体，那么当线程跳转到另一个线程之后，发现被锁定在了另一个线程，那么线程就会被阻塞，直到线程再次跳转到另一个线程，执行完之后，互斥体被释放，这时候跳转到这个线程，在这个线程中再进行加锁，这个线程执行完之后，再锁定到另一个线程，这样就实现了加锁技术。


文章标签：
Windows
关键词：
Windows开发
线程技术
线程线程同步
Windows技术
Windows线程
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