【线程安全问题】线程互斥与线程同步技术（上）

2023-06-19 84

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简介： 【线程安全问题】线程互斥与线程同步技术

在达内Windows/Win32编程专栏中，我们已经介绍过线程同步与线程互斥技术，包括了原子锁，互斥体，事件和信号量。但是与海哥讲的线程同步与线程互斥技术不太一样，这篇文章来带领大家学习线程同步与线程互斥技术，包含了【Windows线程开发】Windows线程同步技术文章中的技术和海哥讲的技术，来系统了解一下线程同步与线程互斥技术。

本篇文章包含了线程同步技术（事件，信号量）和线程互斥技术（原子锁，临界区，互斥体）。之前写过相关文章，但是在最近逆向的时候发现还是不熟悉，而且之前的文章中讲到的技术与海哥讲的技术不是很贴合，今天写一篇文章来系统学习一下线程同步与线程互斥技术。

线程互斥

一. 原子锁

原子锁我们在这里介绍到了，但是严格来说，它不属于线程互斥对象。

我们先来看看存在线程安全问题的一个控制台程序：

#include <iostream>
#include <windows.h>
DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID);
int g_value = 0;
int main()
{
  HANDLE Thread[2] = { 0 };
  Thread[0]=CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, 0, NULL, NULL);
  Thread[1]=CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, 0, NULL, NULL);
  WaitForMultipleObjects(2, Thread, TRUE, INFINITE);
  printf("%d", g_value);
  return 0;
}
DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter) {
  for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
    g_value++;
  }
  return 0;
}

程序运行：

我们创建了两个线程分别对全局变量g_value进行＋1的操作，分别进行10000000次，但是最后出现的结果并不是20000000，具体原因看【Windows线程开发】Windows线程同步技术。

这时候就需要我们使用原子锁，对全局变量g_value进行加锁了。

我们来看看原子锁：

原子锁主要解决的问题就是：当多个线程使用同一个变量时，对变量进行“加锁”技术，防止多个线程使用同一个变量。原子锁主要解决的就是对变量进行写的操作时，方式多个线程同时对同一个变量操作。

对于每一个不同类型的变量，都有自己的“加锁”函数，对于不同的运算操作，也有不同的“加锁”函数，具体可查看文档。

这里展示对变量++操作时使用原子锁：

这里为了方便大家查看，只给出了线程处理函数：

DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter) {
  for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
    InterlockedIncrement(&g_value);
  }
  return 0;
}

我们来看看运行效果：

二. 临界区

临界区也被称作关键节，关键节对象提供与互斥对象提供的同步类似，但关键节只能由单个进程的线程使用。关键节对象不能跨进程共享。

在使用临界区的时候，我们需要一下几个步骤：

创建全局临界区对象
初始化临界区对象

之后，我们在使用临界区的时候，可以使用函数进入临界区，离开临界区。

1. 创建关键节对象

这里给出官方文档地址：Critical Section 对象

CRITICAL_SECTION cs;

2.初始化关键节对象

这里给出官方文档地址：initializeCriticalSection 函数 (synchapi.h)

语法：

void InitializeCriticalSection(
  [out] LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection
);

参数说明：

LPCRITICAL_SECTION：指向关键节对象的指针。

3. 进入关键节

这里给出官方文档地址：enterCriticalSection 函数 (synchapi.h)

函数功能：等待指定关键部分对象的所有权。此函数将在授予调用线程所有权时返回。

语法：

void EnterCriticalSection(
  [in, out] LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection
);

参数说明：

LPCRITICAL_SECTION指向关键节对象的指针。

4. 离开关键节

这里给出官方文档地址：LeaveCriticalSection 函数 (synchapi.h)

函数功能：释放指定关键节对象的所有权。

语法：

void LeaveCriticalSection(
  [in, out] LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection
);

参数说明：

LPCRITICAL_SECTION：指向关键节对象的指针

5. 释放关键节资源

这里给出官方文档地址：deleteCriticalSection 函数 (synchapi.h)

函数功能：释放未拥有的关键节对象使用的所有资源。

语法：

void DeleteCriticalSection(
  [in, out] LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection
);

参数说明：

LPCRITICAL_SECTION:指向关键节对象的指针。该对象以前必须使用 InitializeCriticalSection 函数进行初始化。

我们来使用临界区解决最开始提出的线程安全问题：

#include <iostream>
#include <windows.h>
DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID);
CRITICAL_SECTION cs;
DWORD g_value = 0;
int main()
{
  InitializeCriticalSection(&cs);
  HANDLE Thread[2] = { 0 };
  Thread[0]=CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, 0, NULL, NULL);
  Thread[1]=CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, 0, NULL, NULL);
  WaitForMultipleObjects(2, Thread, TRUE, INFINITE);
  printf("%d", g_value);
  DeleteCriticalSection(&cs);
  return 0;
}
DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter) {
  for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
    EnterCriticalSection(&cs);
    g_value++;
    LeaveCriticalSection(&cs);
  }
  return 0;
}

我们来看看运行效果：

可以看到我们成功使用临界区实现了线程互斥。

三.互斥体

大家可以到官方文档中查看互斥对象：互斥体对象

互斥对象状态设置为当任何线程不拥有时发出信号，一次只能有一个线程可以拥有互斥体对象。与临界区不同的是，互斥体可以跨进程使用。

互斥体的使用相对来说较为简单，我们只需要创建互斥体对象即可使用。

1. 创建互斥体

使用CreateMutex()函数，这里给出官方文档地址：createMutexA 函数 (synchapi.h)

语法：

HANDLE CreateMutexA(
  [in, optional] LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,
  [in]           BOOL                  bInitialOwner,
  [in, optional] LPCSTR                lpName
);

参数说明：

LPSECURITY_ATTRIBUTES:安全属性，我们一般不关注。

bInitialOwner：如果此值设置为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使用权。也就是说，我们在某个线程中创建了互斥体，并且此字段设置为TRUE，那么这个线程立即拥有该互斥体。

lpName：为互斥体对象命名。

返回值：互斥体句柄。

2. 多线程使用互斥体

临界区对象创建并且初始化之后，可以使用进入临界区或者离开临界区的方式来实现线程互斥，那么我们如何使用互斥体实现线程间的互斥呢？

我们可以在创建互斥体的时候，将bInitialOwner字段设置为FALSE，然后在使用互斥体的时候，采用等候消息的方式来获取互斥体使用权：
这里给出官方文档地址：WaitForSingleObject 函数 (synchapi.h)
使用WaitForSingleObject函数。
语法：

DWORD WaitForSingleObjectEx(
  [in] HANDLE hHandle,
  [in] DWORD  dwMilliseconds,
);

参数说明：

hHandle：要等待的对象的句柄。

dwMilliseconds：超时间隔（以毫秒为单位）。

在一个线程使用互斥体结束后，想要释放互斥体让其他线程使用，我们可以使用ReleaseMutex()函数来释放已获得的互斥体。
这里给出官方文档地址：releaseMutex 函数 (synchapi.h)

函数功能：释放指定互斥对象的所有权。

语法：

BOOL ReleaseMutex(
  [in] HANDLE hMutex
);

参数说明：hMutex：要释放的互斥体对象句柄。

在互斥体使用结束后，我们可以使用CloseHandle函数来关闭互斥体。
这里给出官方文档地址：closeHandle 函数 (handleapi.h)

函数功能：关闭打开的对象句柄。