深入浅出Win32多线程程序设计(一)――基本概念

简介:
作者:宋宝华  e-mail:21cnbao@21cn.com

1.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。

2.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 UNIX LINUX )是这种操作系统;
3 )多进程、多线程, Win32 Windows NT/2000/XP 等)、 Solaris 2.x OS/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。

3.Win32进程

3.1 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)
7 Win32 套接字 (Socket)
8 )远程过程调用 (Remote Procedure Call)
9 WM_COPYDATA 消息 (WM_COPYDATA Message)
3.2 获取进程信息
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。
1 EnumProcesses() 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
2 GetModuleFileNameExA() 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 lpstrFileName LPTSTR 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 nsize lpstrFileName 所指数组的长度;
函数返回值:如果调用成功,返回一个大于 0 DWORD 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;
}

4.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 0 31 ,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 16 31 ,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 1 15 ,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。

5.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:
1 WaitForSingleObject ,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 notification Console input Event Job Memory resource notification Mutex Process Semaphore Thread Waitable 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。
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
);
2 CloseHandle ,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。

6.C运行时库

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 MFC MFC 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





 本文转自 21cnbao 51CTO博客,原文链接:http://blog.51cto.com/21cnbao/120736,如需转载请自行联系原作者



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