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线程同步机制的区别与比较及进程通信方法

简介:
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线程同步机制的区别与比较及进程通信方法
2008-08-29 14:07
有关多线程的一些技术问题:

1、   何时使用多线程?

2、   线程如何同步?

3、   线程之间如何通讯?

4、   进程之间如何通讯?



先来回答第一个问题,线程实际主要应用于四个主要领域,当然各个领域之间不是绝对孤立的,他们有可能是重叠的,但是每个程序应该都可以归于某个领域:

1、   offloading time-consuming task。由辅助线程来执行耗时计算,而使GUI有更好的反应。我想这应该是我们考虑使用线程最多的一种情况吧。

2、   Scalability。服务器软件最常考虑的问题,在程序中产生多个线程,每个线程做一份小的工作,使每个CPU都忙碌,使CPU(一般是多个)有最佳的使用率,达到负载的均衡,这比较复杂,我想以后再讨论这个问题。

3、   Fair-share resource allocation。当你向一个负荷沉重的服务器发出请求,多少时间才能获得服务。一个服务器不能同时为太多的请求服务,必须有一个请求的最大个数,而且有时候对某些请求要优先处理,这是线程优先级干的活了。

4、   Simulations。线程用于仿真测试。

我把主要的目光放在第一个领域,因为它正是我想要的。第二和第三个领域比较有意思,但是目前不在我的研究时间表中。



线程的同步机制:

1、   Event
用事件(Event)来同步线程是最具弹性的了。一个事件有两种状态:激发状态和未激发状态。也称有信号状态和无信号状态。事件又分两种类型:手动重置事件和自动重置事件。手动重置事件被设置为激发状态后,会唤醒所有等待的线程,而且一直保持为激发状态,直到程序重新把它设置为未激发状态。自动重置事件被设置为激发状态后,会唤醒“一个”等待中的线程,然后自动恢复为未激发状态。所以用自动重置事件来同步两个线程比较理想。MFC中对应的类为CEvent.。CEvent的构造函数默认创建一个自动重置的事件,而且处于未激发状态。共有三个函数来改变事件的状态:SetEvent,ResetEvent和PulseEvent。用事件来同步线程是一种比较理想的做法,但在实际的使用过程中要注意的是,对自动重置事件调用SetEvent和PulseEvent有可能会引起死锁,必须小心。

2、   Critical Section
使用临界区域的第一个忠告就是不要长时间锁住一份资源。这里的长时间是相对的,视不同程序而定。对一些控制软件来说,可能是数毫秒,但是对另外一些程序来说,可以长达数分钟。但进入临界区后必须尽快地离开,释放资源。如果不释放的话,会如何?答案是不会怎样。如果是主线程(GUI线程)要进入一个没有被释放的临界区,呵呵,程序就会挂了!临界区域的一个缺点就是:Critical Section不是一个核心对象,无法获知进入临界区的线程是生是死,如果进入临界区的线程挂了,没有释放临界资源,系统无法获知,而且没有办法释放该临界资源。这个缺点在互斥器(Mutex)中得到了弥补。Critical Section在MFC中的相应实现类是CcriticalSection。CcriticalSection::Lock()进入临界区,CcriticalSection::UnLock()离开临界区。

3、   Mutex
互斥器的功能和临界区域很相似。区别是:Mutex所花费的时间比Critical Section多的多,但是Mutex是核心对象(Event、Semaphore也是),可以跨进程使用,而且等待一个被锁住的Mutex可以设定TIMEOUT,不会像Critical Section那样无法得知临界区域的情况,而一直死等。MFC中的对应类为CMutex。Win32函数有:创建互斥体CreateMutex() ,打开互斥体OpenMutex(),释放互斥体ReleaseMutex()。Mutex的拥有权并非属于那个产生它的线程,而是最后那个对此Mutex进行等待操作(WaitForSingleObject等等)并且尚未进行ReleaseMutex()操作的线程。线程拥有Mutex就好像进入Critical Section一样,一次只能有一个线程拥有该Mutex。如果一个拥有Mutex的线程在返回之前没有调用ReleaseMutex(),那么这个Mutex就被舍弃了,但是当其他线程等待(WaitForSingleObject等)这个Mutex时,仍能返回,并得到一个WAIT_ABANDONED_0返回值。能够知道一个Mutex被舍弃是Mutex特有的。

4、   Semaphore
信号量是最具历史的同步机制。信号量是解决producer/consumer问题的关键要素。对应的MFC类是Csemaphore。Win32函数CreateSemaphore()用来产生信号量。ReleaseSemaphore()用来解除锁定。Semaphore的现值代表的意义是目前可用的资源数,如果Semaphore的现值为1,表示还有一个锁定动作可以成功。如果现值为5,就表示还有五个锁定动作可以成功。当调用Wait…等函数要求锁定,如果Semaphore现值不为0,Wait…马上返回,资源数减1。当调用ReleaseSemaphore()资源数加1,当时不会超过初始设定的资源总数。



线程之间的通讯:
线程常常要将数据传递给另外一个线程。Worker线程可能需要告诉别人说它的工作完成了,GUI线程则可能需要交给Worker线程一件新的工作。
通过PostThreadMessage(),可以将消息传递给目标线程,当然目标线程必须有消息队列。以消息当作通讯方式,比起标准技术如使用全局变量等,有很大的好处。如果对象是同一进程中的线程,可以发送自定义消息,传递数据给目标线程,如果是线程在不同的进程中,就涉及进程之间的通讯了。下面将会讲到。



进程之间的通讯:

当线程分属于不同进程,也就是分驻在不同的地址空间时,它们之间的通讯需要跨越地址空间的边界,便得采取一些与同一进程中不同线程间通讯不同的方法。

1、   Windows专门定义了一个消息:WM_COPYDATA,用来在线程之间搬移数据,――不管两个线程是否同属于一个进程。同时接受这个消息的线程必须有一个窗口,即必须是UI线程。WM_COPYDATA必须由SendMessage()来发送,不能由PostMessage()等来发送,这是由待发送数据缓冲区的生命期决定的,出于安全的需要。

2、   WM_COPYDATA效率上面不是太高,如果要求高效率,可以考虑使用共享内存(Shared Memory)。使用共享内存要做的是:设定一块内存共享区域;使用共享内存;同步处理共享内存。
第一步:设定一块内存共享区域。首先,CreateFileMapping()产生一个file-mapping核心对象,并指定共享区域的大小。MapViewOfFile()获得一个指针指向可用的内存。如果是C/S模式,由Server端来产生file-mapping,那么Client端使用OpenFileMapping(),然后调用MapViewOfFile()。
第二步:使用共享内存。共享内存指针的使用是一件比较麻烦的事,我们需要借助_based属性,允许指针被定义为从某一点开始起算的32位偏移值。
第三步:清理。UnmapViewOfFile()交出由MapViewOfFile()获得的指针,CloseHandle()交出file-mapping核心对象的handle。
第四步:同步处理。可以借助Mutex来进行同步处理。

3、   IPC
1)Anonymous Pipes。Anonymous Pipes只被使用于点对点通讯。当一个进程产生另一个进程时,这是最有用的一种通讯方式。
2)Named Pipes。Named Pipes可以是单向,也可以是双向,并且可以跨越网络,步局限于单机。
3)Mailslots。Mailslots为广播式通讯。Server进程可以产生Mailslots,任何Client进程可以写数据进去,但是只有Server进程可以取数据。
4)OLE Automation。OLE Automation和UDP都是更高阶的机制,允许通讯发生于不同进程间,甚至不同机器间。
5)DDE。DDE动态数据交换,使用于16位Windows,目前这一方式应尽量避免使用。

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