深入浅出Win32多线程程序设计-【1】基本概念-阿里云开发者社区

开发者社区> 开发与运维> 正文

深入浅出Win32多线程程序设计-【1】基本概念

简介:   引言  从单进程单线程到多进程多线程是操作系统发展的一种必然趋势,当年的DOS系统属于单任务操作系统,最优秀的程序员也只能通过驻留内存的方式实现所谓的"多任务",而如今的Win32操作系统却可以一边听音乐,一边编程,一边打印文档。
 

  引言

  从单进程单线程到多进程多线程是操作系统发展的一种必然趋势,当年的DOS系统属于单任务操作系统,最优秀的程序员也只能通过驻留内存的方式实现所谓的"多任务",而如今的Win32操作系统却可以一边听音乐,一边编程,一边打印文档。

  理解多线程及其同步、互斥等通信方式是理解现代操作系统的关键一环,当我们精通了Win32多线程程序设计后,理解和学习其它操作系统的多任务控制也非常容易。许多程序员从来没有学习过嵌入式系统领域著名的操作系统VxWorks,但是立马就能在上面做开发,大概要归功于平时在Win32多线程上下的功夫。

  因此,学习Win32多线程不仅对理解Win32本身有重要意义,而且对学习和领会其它操作系统也有触类旁通的作用。

  进程与线程

  先阐述一下进程和线程的概念和区别,这是一个许多大学老师也讲不清楚的问题。

  进程(Process)是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动,是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。程序只是一组指令的有序集合,它本身没有任何运行的含义,只是一个静态实体。而进程则不同,它是程序在某个数据集上的执行,是一个动态实体。它因创建而产生,因调度而运行,因等待资源或事件而被处于等待状态,因完成任务而被撤消,反映了一个程序在一定的数据集上运行的全部动态过程。

  线程(Thread)是进程的一个实体,是CPU调度和分派的基本单位。线程不能够独立执行,必须依存在应用程序中,由应用程序提供多个线程执行控制。

  线程和进程的关系是:线程是属于进程的,线程运行在进程空间内,同一进程所产生的线程共享同一内存空间,当进程退出时该进程所产生的线程都会被强制退出并清除。线程可与属于同一进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源,但是其本身基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的信息(如程序计数器、一组寄存器和栈)

  根据进程与线程的设置,操作系统大致分为如下类型:

  (1)单进程、单线程,MS-DOS大致是这种操作系统;

  (2)多进程、单线程,多数UNIX(及类UNIXLINUX)是这种操作系统;

  (3)多进程、多线程,Win32Windows NT/2000/XP等)、Solaris 2.xOS/2都是这种操作系统;

  (4)单进程、多线程,VxWorks是这种操作系统。

  在操作系统中引入线程带来的主要好处是:

  (1)在进程内创建、终止线程比创建、终止进程要快;

  (2)同一进程内的线程间切换比进程间的切换要快,尤其是用户级线程间的切换。另外,线程的出现还因为以下几个原因:

  (1)并发程序的并发执行,在多处理环境下更为有效。一个并发程序可以建立一个进程,而这个并发程序中的若干并发程序段就可以分别建立若干线程,使这些线程在不同的处理机上执行。

  (2)每个进程具有独立的地址空间,而该进程内的所有线程共享该地址空间。这样可以解决父子进程模型中,子进程必须复制父进程地址空间的问题。

  (3)线程对解决客户/服务器模型非常有效。

  Win32进程

  1、进程间通信(IPC

  Win32进程间通信的方式主要有:

  (1)剪贴板(Clip Board)

  (2)动态数据交换(Dynamic Data Exchange)

  (3)部件对象模型(Component Object Model)

  (4)文件映射(File Mapping)

  (5)邮件槽(Mail Slots)

  (6)管道(Pipes)

  (7Win32套接字(Socket)

  (8)远程过程调用(Remote Procedure Call)

  (9WM_COPYDATA消息(WM_COPYDATA Message)

  2、获取进程信息

  在WIN32中,可使用在PSAPI .DLL中提供的Process status Helper函数帮助我们获取进程信息。

  (1EnumProcesses()函数可以获取进程的ID,其原型为:

BOOL EnumProcesses(DWORD * lpidProcess, DWORD cb, DWORD*cbNeeded);


  参数lpidProcess:一个足够大的DWORD类型的数组,用于存放进程的ID值;

  参数cb:存放进程ID值的数组的最大长度,是一个DWORD类型的数据;

  参数cbNeeded:指向一个DWORD类型数据的指针,用于返回进程的数目;

  函数返回值:如果调用成功,返回TRUE,同时将所有进程的ID值存放在lpidProcess参数所指向的数组中,进程个数存放在cbNeeded参数所指向的变量中;如果调用失败,返回FALSE

  (2GetModuleFileNameExA()函数可以实现通过进程句柄获取进程文件名,其原型为:

DWORD GetModuleFileNameExA(HANDLE hProcess, HMODULE hModule,LPTSTR lpstrFileName, DWORD nsize);


  参数hProcess:接受进程句柄的参数,是HANDLE类型的变量;

  参数hModule:指针型参数,在本文的程序中取值为NULL

  参数lpstrFileNameLPTSTR类型的指针,用于接受主调函数传递来的用于存放进程名的字符数组指针;

  参数nsizelpstrFileName所指数组的长度;

  函数返回值:如果调用成功,返回一个大于0DWORD类型的数据,同时将hProcess所对应的进程名存放在lpstrFileName参数所指向的数组中;加果调用失败,则返回0

  通过下列代码就可以遍历系统中的进程,获得进程列表:

//获取当前进程总数
EnumProcesses(process_ids, sizeof(process_ids), &num_processes);
//
遍历进程
for (int i = 0; i < num_processes; i++)
{
 //根据进程ID获取句柄
 process[i] = OpenProcess(PROCESS_QUERY_INFORMATION | PROCESS_VM_READ, 0,
 process_ids[i]);
 //通过句柄获取进程文件名
 if (GetModuleFileNameExA(process[i], NULL, File_name, sizeof(fileName)))
  cout << fileName << endl;
}

Win32线程

  WIN32靠线程的优先级(达到抢占式多任务的目的)及分配给线程的CPU时间来调度线程。WIN32本身的许多应用程序也利用了多线程的特性,如任务管理器等。

  本质而言,一个处理器同一时刻只能执行一个线程("微观串行")。WIN32多任务机制使得CPU好像在同时处理多个任务一样,实现了"宏观并行"。其多线程调度的机制为:

  (1)运行一个线程,直到被中断或线程必须等待到某个资源可用;

  (2)保存当前执行线程的描述表(上下文)

  (3)装入下一执行线程的描述表(上下文)

  (4)若存在等待被执行的线程,则重复上述过程。

  WIN32下的线程可能具有不同的优先级,优先级的范围为031,共32级,其中31表示最高优先级,优先级0为系统保留。它们可以分成两类,即实时优先级和可变优先级:

  (1)实时优先级从1631,是实时程序所用的高优先级线程,如许多监控类应用程序;

  (2)可变优先级从115,绝大多数程序的优先级都在这个范围内。。WIN32调度器为了优化系统响应时间,在它们执行过程中可动态调整它们的优先级。

  多线程确实给应用开发带来了许多好处,但并非任何情况下都要使用多线程,一定要根据应用程序的具体情况来综合考虑。一般来说,在以下情况下可以考虑使用多线程:

  (1)应用程序中的各任务相对独立;

  (2)某些任务耗时较多;

  (3)各任务需要有不同的优先级。

  另外,对于一些实时系统应用,应考虑多线程。

  Win32核心对象

  WIN32核心对象包括进程、线程、文件、事件、信号量、互斥体和管道,核心对象可能有不只一个拥有者,甚至可以跨进程。有一组WIN32 API与核心对象息息相关:

  (1WaitForSingleObject,用于等待对象的"激活",其函数原型为:

DWORD WaitForSingleObject(
 HANDLE hHandle, // 等待对象的句柄
 DWORD dwMilliseconds // 等待毫秒数,INFINITE表示无限等待
);


  可以作为WaitForSingleObject第一个参数的对象包括:Change notificationConsole inputEventJobMemory resource notificationMutexProcessSemaphoreThreadWaitable timer

  如果等待的对象不可用,那么线程就会挂起,直到对象可用线程才会被唤醒。对不同的对象,WaitForSingleObject表现为不同的含义。例如,使用WaitForSingleObject(hThread,…)可以判断一个线程是否结束;使用WaitForSingleObject(hMutex,…)可以判断是否能够进入临界区;而WaitForSingleObject (hProcess,… )则表现为等待一个进程的结束。

  与WaitForSingleObject对应还有一个WaitForMultipleObjects函数,可以用于等待多个对象,其原型为:

DWORD WaitForMultipleObjects(DWORD nCount,const HANDLE* pHandles,BOOL bWaitAll,DWORD dwMilliseconds);


  (2CloseHandle,用于关闭对象,其函数原型为:

BOOL CloseHandle(HANDLE hObject);


  如果函数执行成功,则返回TRUE;否则返回FALSE,我们可以通过GetLastError函数进一步可以获得错误原因。

  C运行时库

  在VC++6.0中,有两种多线程编程方法:一是使用C运行时库及WIN32 API函数,另一种方法是使用MFCMFC对多线程开发有强大的支持。
标准C运行时库是1970年问世的,当时还没有多线程的概念。因此,C运行时库早期的设计者们不可能考虑到让其支持多线程应用程序。
Visual C++
提供了两种版本的C运行时库,-个版本供单线程应用程序调用,另一个版本供多线程应用程序调用。多线程运行时库与单线程运行时库有两个重大差别:

  (1)类似errno的全局变量,每个线程单独设置一个;

  这样从每个线程中可以获取正确的错误信息。

  (2)多线程库中的数据结构以同步机制加以保护。

  这样可以避免访问时候的冲突。

  Visual C++提供的多线程运行时库又分为静态链接库和动态链接库两类,而每一类运行时库又可再分为debug版和release版,因此Visual C++共提供了6个运行时库。如下表:

C运行时库

库文件

Single thread(static link)

libc.lib

Debug single thread(static link)

Libcd.lib

MultiThread(static link)

libcmt.lib

Debug multiThread(static link)

libcmtd.lib

MultiThread(dynamic link)

msvert.lib

Debug multiThread(dynamic link)

msvertd.lib


  如果不使用VC多线程C运行时库来生成多线程程序,必须执行下列操作:

  (1)使用标准 C 库(基于单线程)并且只允许可重入函数集进行库调用;

  (2)使用 Win32 API 线程管理函数,如 CreateThread

  (3)通过使用 Win32 服务(如信号量和 EnterCriticalSection LeaveCriticalSection 函数),为不可重入的函数提供自己的同步。

  如果使用标准 C 库而调用VC运行时库函数,则在程序的link阶段会提示如下错误:

error LNK2001: unresolved external symbol __endthreadex
error LNK2001: unresolved external symbol __beginthreadex

 

编辑推荐:Windows 的多线程程序设计初步

版权声明:本文内容由阿里云实名注册用户自发贡献,版权归原作者所有,阿里云开发者社区不拥有其著作权,亦不承担相应法律责任。具体规则请查看《阿里云开发者社区用户服务协议》和《阿里云开发者社区知识产权保护指引》。如果您发现本社区中有涉嫌抄袭的内容,填写侵权投诉表单进行举报,一经查实,本社区将立刻删除涉嫌侵权内容。

分享:
开发与运维
使用钉钉扫一扫加入圈子
+ 订阅

集结各类场景实战经验,助你开发运维畅行无忧

其他文章