深入浅出Win32多线程程序设计(一)――基本概念-阿里云开发者社区

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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。

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)
7Win32套接字(Socket)
8)远程过程调用(Remote Procedure Call)
9WM_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。
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;
}

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。

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:
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。
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。

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





 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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