VC++ 线程同步 总结

注:所谓同步，并不是多个线程一起同时执行，而是他们协同步调，按预定的先后次序执行。

与线程相关的基本函数包括：
CreateThread：创建线程
CloseHandle：关闭线程句柄。注意，这只会使指定的线程句柄无效（减少该句柄的引用计数），启动句柄的检查操作，如果一个对象所关联的最后一个句柄被关闭了，那么这个对象会从系统中被删除。关闭句柄不会终止相关的线程。

线程是如何运行的呢？这又与你的CPU有关系了，如果你是一个单核CPU，那么系统会采用时间片轮询的方式运行每个线程；如果你是多核CPU，那么线程之间就有可能并发运行了。这样就会出现很多问题，比如两个线程同时访问一个全局变量之类的。它们需要线程的同步来解决。所谓同步，并不是多个线程一起同时执行，而是他们协同步调，按预定的先后次序执行。
Windows下线程同步的基本方法有3种：互斥对象、事件对象、关键代码段（临界区），下面一一介绍：

互斥对象属于内核对象，包含3个成员：
1.使用数量：记录了有多少个线程在调用该对象
2.一个线程ID：记录互斥对象维护的线程的ID
3.一个计数器：前线程调用该对象的次数
与之相关的函数包括：
创建互斥对象：CreateMutex
判断能否获得互斥对象：WaitForSingleObject
对于WaitForSingleObject，如果互斥对象为有信号状态，则获取成功，函数将互斥对象设置为无信号状态，程序将继续往下执行；如果互斥对象为无信号状态，则获取失败，线程会停留在这里等待。等待的时间可以由参数控制。
释放互斥对象：ReleaseMutex
当要保护的代码执行完毕后，通过它来释放互斥对象，使得互斥对象变为有信号状态，以便于其他线程可以获取这个互斥对象。注意，只有当某个线程拥有互斥对象时，才能够释放互斥对象，在其他线程调用这个函数不得达到释放的效果，这可以通过互斥对象的线程ID来判断。

 #include <Windows.h>
 #include <stdio.h>

 //线程函数声明
 DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter);
 DWORD WINAPI Thread2Proc(  LPVOID lpParameter);

 //全局变量
 int tickets = ;
 HANDLE hMutex;

 int main()
 {
     HANDLE hThread1;
     HANDLE hThread2;
     //创建互斥对象
     hMutex = CreateMutex( NULL,            //默认安全级别
                           FALSE,        //创建它的线程不拥有互斥对象
                           NULL);        //没有名字
     //创建线程1
     hThread1 = CreateThread(NULL,        //默认安全级别
                             ,            //默认栈大小
                             Thread1Proc,//线程函数
                             NULL,        //函数没有参数
                             ,            //创建后直接运行
                             NULL);        //线程标识，不需要

     //创建线程2
     hThread2 = CreateThread(NULL,        //默认安全级别
                             ,            //默认栈大小
                             Thread2Proc,//线程函数
                             NULL,        //函数没有参数
                             ,            //创建后直接运行
                             NULL);        //线程标识，不需要

     //主线程休眠4秒
     Sleep();
     //主线程休眠4秒
     Sleep();
     //关闭线程句柄
     CloseHandle(hThread1);
     CloseHandle(hThread2);

     //释放互斥对象
     ReleaseMutex(hMutex);
     return ;
 }

 //线程1入口函数
 DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter)
 {
     while(TRUE)
     {
         WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);
         if(tickets > )
         {
             Sleep();
             printf("thread1 sell ticket : %d\n",tickets--);
             ReleaseMutex(hMutex);
         }
         else
         {
             ReleaseMutex(hMutex);
             break;
         }
     }

     return ;
 }

 //线程2入口函数
 DWORD WINAPI Thread2Proc(  LPVOID lpParameter)
 {
     while(TRUE)
     {
         WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);
         if(tickets > )
         {
             Sleep();
             printf("thread2 sell ticket : %d\n",tickets--);
             ReleaseMutex(hMutex);
         }
         else
         {
             ReleaseMutex(hMutex);
             break;
         }
     }

     return ;
 }

 使用互斥对象时需要小心：
 调用假如一个线程本身已经拥有该互斥对象，则如果它继续调用WaitForSingleObject，则会增加互斥对象的引用计数，此时，你必须多次调用ReleaseMutex来释放互斥对象，以便让其他线程可以获取：

     //创建互斥对象
     hMutex = CreateMutex( NULL,            //默认安全级别
                           TRUE,            //创建它的线程拥有互斥对象
                           NULL);        //没有名字
     WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);
     //释放互斥对象
     ReleaseMutex(hMutex);
     //释放互斥对象
     ReleaseMutex(hMutex);

下面看事件对象，它也属于内核对象，包含3各成员：
1.使用计数
2.用于指明该事件是自动重置事件还是人工重置事件的布尔值
3.用于指明该事件处于已通知状态还是未通知状态。
自动重置和人工重置的事件对象有一个重要的区别：当人工重置的事件对象得到通知时，等待该事件对象的所有线程均变为可调度线程；而当一个自动重置的事件对象得到通知时，等待该事件对象的线程中只有一个线程变为可调度线程。
与事件对象相关的函数包括：
创建事件对象：CreateEvent
HANDLE CreateEvent(  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes, BOOL bManualReset, BOOL bInitialState,LPCTSTR lpName);
设置事件对象：SetEvent：将一个这件对象设为有信号状态
BOOL SetEvent(  HANDLE hEvent  );
重置事件对象状态：ResetEvent：将指定的事件对象设为无信号状态
BOOL ResetEvent(  HANDLE hEvent );

下面仍然使用买火车票的例子：

 #include <Windows.h>
 #include <stdio.h>

 //线程函数声明
 DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter);
 DWORD WINAPI Thread2Proc(  LPVOID lpParameter);

 //全局变量
 int tickets = ;
 HANDLE g_hEvent;

 int main()
 {
     HANDLE hThread1;
     HANDLE hThread2;
     //创建事件对象
     g_hEvent = CreateEvent( NULL,    //默认安全级别
                             TRUE,    //人工重置
                             FALSE,    //初始为无信号
                             NULL );    //没有名字
     //创建线程1
     hThread1 = CreateThread(NULL,        //默认安全级别
                             ,            //默认栈大小
                             Thread1Proc,//线程函数
                             NULL,        //函数没有参数
                             ,            //创建后直接运行
                             NULL);        //线程标识，不需要

     //创建线程2
     hThread2 = CreateThread(NULL,        //默认安全级别
                             ,            //默认栈大小
                             Thread2Proc,//线程函数
                             NULL,        //函数没有参数
                             ,            //创建后直接运行
                             NULL);        //线程标识，不需要

     //主线程休眠4秒
     Sleep();
     //关闭线程句柄
     //当不再引用这个句柄时，立即将其关闭，减少其引用计数
     CloseHandle(hThread1);
     CloseHandle(hThread2);
     //关闭事件对象句柄
     CloseHandle(g_hEvent);
     return ;
 }

 //线程1入口函数
 DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter)
 {
     while(TRUE)
     {
         WaitForSingleObject(g_hEvent,INFINITE);
         if(tickets > )
         {
             Sleep();
             printf("thread1 sell ticket : %d\n",tickets--);
         }
         else
             break;
     }

     return ;
 }

 //线程2入口函数
 DWORD WINAPI Thread2Proc(  LPVOID lpParameter)
 {
     while(TRUE)
     {
         WaitForSingleObject(g_hEvent,INFINITE);
         if(tickets > )
         {
             Sleep();
             printf("thread2 sell ticket : %d\n",tickets--);
         }
         else
             break;
     }

     return ;
 }

程序运行后并没有出现两个线程买票的情况，而是等待了4秒之后直接退出了，这是什么原因呢？问题出在了我们创建的事件对象一开始就是无信号状态的，因此2个线程线程运行到WaitForSingleObject时就会一直等待，直到自己的时间片结束。所以什么也不会输出。
如果想让线程能够执行，可以在创建线程时将第3个参数设为TRUE，或者在创建完成后调用

     SetEvent(g_hEvent);

程序的确可以实现买票了，但是有些时候，会打印出某个线程卖出第0张票的情况，这是因为当人工重置的事件对象得到通知时，等待该对象的所有线程均可变为可调度线程，两个线程同时运行，线程的同步失败了。

也许有人会想到，在线程得到CPU之后，能否使用ResetEvent是得线程将事件对象设为无信号状态，然后当所保护的代码运行完成后，再将事件对象设为有信号状态？我们可以试试：

 //线程1入口函数
 DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter)
 {
     while(TRUE)
     {
         WaitForSingleObject(g_hEvent,INFINITE);
         ResetEvent(g_hEvent);
         if(tickets > )
         {
             Sleep();
             printf("thread1 sell ticket : %d\n",tickets--);
             SetEvent(g_hEvent);
         }
         else
         {
             SetEvent(g_hEvent);
             break;
         }
     }

     return ;
 }

线程2的类似，这里就省略了。运行程序，发现依然会出现卖出第0张票的情况。这是为什么呢？我们仔细思考一下：单核CPU下，可能线程1执行完WaitForSingleObject，还没来得及执行ResetEvent时，就切换到线程2了，此时，由于线程1并没有执行ResetEvent，所以线程2也可以得到事件对象了。而在多CPU平台下，假如两个线程同时执行，则有可能都执行到本应被保护的代码区域。
所以，为了实现线程间的同步，不应该使用人工重置的事件对象，而应该使用自动重置的事件对象：

     hThread2 = CreateThread(NULL,,Thread2Proc,NULL0,NULL);

并将原来写的ResetEvent和SetEvent全都注释起来。我们发现程序只打印了一次买票过程。我们分析一下原因：
当一个自动重置的事件得到通知后，等待该该事件的线程中只有一个变为可调度线程。在这里，线程1变为可调度线程后，操作系统将事件设为了无信号状态，当线程1休眠时，所以线程2只能等待，时间片结束以后，又轮到线程1运行，输出thread1 sell ticket :100。然后循环，又去WaitForSingleObject，而此时事件对象处于无信号状态，所以线程不能继续往下执行，只能一直等待，等到自己时间片结束，直到主线程睡醒了，结束整个程序。
正确的使用方法是：当访问完对保护的代码段后，立即调用SetEvent将其设为有信号状态。允许其他等待该对象的线程变为可调度状态：

 DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter)
 {
     while(TRUE)
     {
         WaitForSingleObject(g_hEvent,INFINITE);
         if(tickets > )
         {
             Sleep();
             printf("thread1 sell ticket : %d\n",tickets--);
             SetEvent(g_hEvent);
         }
         else
         {
             SetEvent(g_hEvent);
             break;
         }
     }

     return ;
 }

总结一下：事件对象要区分人工重置事件还是自动重置事件。如果是人工重置的事件对象得到通知，则等待该事件对象的所有线程均变为可调度线程；当一个自动重置的事件对象得到通知时，只有一个等待该事件对象的线程变为可调度线程，且操作系统会将该事件对象设为无信号状态。因此，当执行完受保护的代码后，需要调用SetEvent将事件对象设为有信号状态。

下面介绍另一种线程同步的方法：关键代码段。
关键代码段又称为临界区，工作在用户方式下。它是一小段代码，但是在代码执行之前，必须独占某些资源的访问权限。
我们先介绍与之先关的API函数：
使用InitializeCriticalSection初始化关键代码段
使用EnterCriticalSection进入关键代码段：
使用LeaveCriticalSection离开关键代码段：
使用DeleteCriticalSection删除关键代码段，释放资源
我们看一个例子：

 #include <Windows.h>
 #include <stdio.h>

 //线程函数声明
 DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter);
 DWORD WINAPI Thread2Proc(  LPVOID lpParameter);

 //全局变量
 int tickets = ;
 CRITICAL_SECTION g_cs;

 int main()
 {
     HANDLE hThread1;
     HANDLE hThread2;
     //初始化关键代码段
     InitializeCriticalSection(&g_cs);
     //创建线程1
     hThread1 = CreateThread(NULL,        //默认安全级别
                             ,            //默认栈大小
                             Thread1Proc,//线程函数
                             NULL,        //函数没有参数
                             ,            //创建后直接运行
                             NULL);        //线程标识，不需要

     //创建线程2
     hThread2 = CreateThread(NULL,        //默认安全级别
                             ,            //默认栈大小
                             Thread2Proc,//线程函数
                             NULL,        //函数没有参数
                             ,            //创建后直接运行
                             NULL);        //线程标识，不需要

     //主线程休眠4秒
     Sleep();
     //关闭线程句柄
     CloseHandle(hThread1);
     CloseHandle(hThread2);
     //关闭事件对象句柄
     DeleteCriticalSection(&g_cs);
     return ;
 }

 //线程1入口函数
 DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter)
 {
     while(TRUE)
     {
         //进入关键代码段前调用该函数判断否能得到临界区的使用权
         EnterCriticalSection(&g_cs);
         Sleep();
         if(tickets > )
         {
             Sleep();
             printf("thread1 sell ticket : %d\n",tickets--);
             //访问结束后释放临界区对象的使用权
             LeaveCriticalSection(&g_cs);
             Sleep();
         }
         else
         {
             LeaveCriticalSection(&g_cs);
             break;
         }
     }

     return ;
 }

 //线程2入口函数
 DWORD WINAPI Thread2Proc(  LPVOID lpParameter)
 {
     while(TRUE)
     {
         //进入关键代码段前调用该函数判断否能得到临界区的使用权
         EnterCriticalSection(&g_cs);
         Sleep();
         if(tickets > )
         {
             Sleep();
             printf("thread2 sell ticket : %d\n",tickets--);
             //访问结束后释放临界区对象的使用权
             LeaveCriticalSection(&g_cs);
             Sleep();
         }
         else
         {
             LeaveCriticalSection(&g_cs);
             break;
         }
     }

     return ;
 }

在这个例子中，通过在放弃临界区资源后，立即睡眠引起另一个线程被调用，导致两个线程交替售票。
下面看一个多线程程序中常犯的一个错误-线程死锁。死锁产生的原因，举个例子：线程1拥有临界区资源A，正在等待临界区资源B；而线程2拥有临界区资源B，正在等待临界区资源A。它俩各不相让，结果谁也执行不了。我们看看程序：

 #include <Windows.h>
 #include <stdio.h>

 //线程函数声明
 DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter);
 DWORD WINAPI Thread2Proc(  LPVOID lpParameter);

 //全局变量
 int tickets = ;
 CRITICAL_SECTION g_csA;
 CRITICAL_SECTION g_csB;
 int main()
 {
     HANDLE hThread1;
     HANDLE hThread2;
     //初始化关键代码段
     InitializeCriticalSection(&g_csA);
     InitializeCriticalSection(&g_csB);
     //创建线程1
     hThread1 = CreateThread(NULL,        //默认安全级别
                             ,            //默认栈大小
                             Thread1Proc,//线程函数
                             NULL,        //函数没有参数
                             ,            //创建后直接运行
                             NULL);        //线程标识，不需要

     //创建线程2
     hThread2 = CreateThread(NULL,        //默认安全级别
                             ,            //默认栈大小
                             Thread2Proc,//线程函数
                             NULL,        //函数没有参数
                             ,            //创建后直接运行
                             NULL);        //线程标识，不需要
     //关闭线程句柄
     //当不再引用这个句柄时，立即将其关闭，减少其引用计数
     CloseHandle(hThread1);
     CloseHandle(hThread2);

     //主线程休眠4秒
     Sleep();

     //关闭事件对象句柄
     DeleteCriticalSection(&g_csA);
     DeleteCriticalSection(&g_csB);
     return ;
 }

 //线程1入口函数
 DWORD WINAPI Thread1Proc(  LPVOID lpParameter)
 {
     while(TRUE)
     {
         EnterCriticalSection(&g_csA);
         Sleep();
         EnterCriticalSection(&g_csB);
         if(tickets > )
         {
             Sleep();
             printf("thread1 sell ticket : %d\n",tickets--);
             LeaveCriticalSection(&g_csB);
             LeaveCriticalSection(&g_csA);
             Sleep();
         }
         else
         {
             LeaveCriticalSection(&g_csB);
             LeaveCriticalSection(&g_csA);
             break;
         }
     }

     return ;
 }

 //线程2入口函数
 DWORD WINAPI Thread2Proc(  LPVOID lpParameter)
 {
     while(TRUE)
     {
         EnterCriticalSection(&g_csB);
         Sleep();
         EnterCriticalSection(&g_csA);
         if(tickets > )
         {
             Sleep();
             printf("thread2 sell ticket : %d\n",tickets--);
             LeaveCriticalSection(&g_csA);
             LeaveCriticalSection(&g_csB);
             Sleep();
         }
         else
         {
             LeaveCriticalSection(&g_csA);
             LeaveCriticalSection(&g_csB);
             break;
         }
     }

     return ;
 }

在程序中，创建了两个临界区对象g_csA和g_csB。线程1中先尝试获取g_csA，获取成功后休眠，线程2尝试获取g_csB，成功后休眠，切换回线程1，然后线程1试图获取g_csB，因为g_csB已经被线程2获取，所以它线程1的获取不会成功，一直等待，直到自己的时间片结束后，转到线程2，线程2获取g_csB后，试图获取g_csA，当然也不会成功，转回线程1……这样交替等待，直到主线程睡醒，执行完毕，程序结束。