Win32线程安全问题.同步函数

　　　　　　　　　　　　　　线程安全问题.同步函数

一丶简介什么是线程安全

　　通过上面几讲.我们知道了线程怎么创建.线程切换的原理(CONTEXT结构) 每个线程在切换的时候都有自己的堆栈.

但是这样会有安全问题. 为什么?  我们每个线程都使用自己的局部变量这个是没有安全问题的. 但是线程可能会使用全局变量.这样很有可能会产生安全问题.为什么是很有可能.

1.有全局变量的情况下.有可能会有安全问题.

2.对全局变量进行写操作.则一定有安全问题.

上面两个条件都具备,线程才是不安全的.

为什么是不安全的.

试想一下. 如果这个全局变量在更改.另一个线程也更改了.最后则会出现两个线程同时更改这个全局变量. 问题就会出现在这.

例如以下代码:

// 临界区同步函数.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//

#include "stdafx.h"
#include <Windows.h>
DWORD g_Number = ;
DWORD WINAPI MyThreadFun1(LPVOID lParame)
{
    while (g_Number > )
    {
        printf("+++剩下Number个数 = %d\r\n", g_Number);
        g_Number--;
        printf("+++当前的Number个数 = %d\r\n", g_Number);
    }
    return ;
}

DWORD WINAPI MyThreadFun2(LPVOID lParame)
{
    while (g_Number >  )
    {
        printf("***剩下Number个数 = %d\r\n", g_Number);
        g_Number--;                                           //产生线程安全问题
        printf("***当前的Number个数 = %d\r\n", g_Number);
    }
    return ;
}

int main(int argc,char *argv[])
{
    HANDLE hThreadHand[] = { NULL };
    hThreadHand[] = CreateThread(NULL, , (LPTHREAD_START_ROUTINE)MyThreadFun1, NULL, , NULL);
    hThreadHand[] = CreateThread(NULL, , (LPTHREAD_START_ROUTINE)MyThreadFun2, NULL, , NULL); //创建两个线程
    WaitForMultipleObjects(, hThreadHand, TRUE, INFINITE);

    printf("Number个数 = %d \r\n", g_Number);
    system("pause");
    return ;
}

上面的代码很简单. 看下运行结果

为什么会产生这个问题.原因是.在线程中我们有个地方

while(全局变量 > 0) 则会执行下边代码. 但是很有可能执行完这一句. 线程发生了切换. 去执行另一个线程去了. 最终会产生这样的结果.

如果看反汇编.则会发现 全局变量--的地方.汇编代码 并不是一局. 如果发生线程切换则会出现错误.

首先获取全局变量的值.

然后sub -1

最后重新赋值.

很有可能在sun eax 1的时候就发生了切换. 这样就有安全问题了.为了解决这些问题.我们必须想办法. 所以Windows提供了一组线程同步的函数.

二丶线程同步函数之临界区

什么时候临界区. 临界区的意思就是 这一个区域我给你锁定.当前有且只能有一个线程来执行我们临界区的代码.

而临界资源是一个全局变量

临界区的使用步骤.

1.创建全局原子变量.

2.初始化全原子变量

3.进入临界区

4.释放临界区.

5.删除临界区.

具体API:

　　1.全局原子变量

CRITICAL_SECTION g_cs;  //直接创建即可.不用关心内部实现.

　　2.初始化全局原子变量.InitializeCriticalSection

    _Maybe_raises_SEH_exception_ VOID InitializeCriticalSection(
        LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection                       //传入全局原子变量的地址
    );

3.使用的API 进入临界区.

void EnterCriticalSection(
  LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection      //全局原子变量
);

下面还有一个. 是尝试无阻塞模式进入临界区. 意思就是内部加了一个判断.是否死锁了.

BOOL TryEnterCriticalSection(                  返回吃持有的临界区对象.如果成功的情况下.
  LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection
);

　　4.使用API 释放临界区.

　　

void LeaveCriticalSection(
  LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection         //全局原子对象
);

　　5.删除临界区对象.

void DeleteCriticalSection(
  LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection
);

代码例子:

// 临界区同步函数.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//

#include "stdafx.h"
#include <Windows.h>
//创建临界区结构
CRITICAL_SECTION g_cs;

DWORD g_Number = ;
DWORD WINAPI MyThreadFun1(LPVOID lParame)
{
    EnterCriticalSection(&g_cs); //进入临界区
    while (g_Number > )
    {
        printf("+++剩下Number个数 = %d\r\n", g_Number);
        g_Number--;
        printf("+++当前的Number个数 = %d\r\n", g_Number);
    }
    LeaveCriticalSection(&g_cs);
    return ;
}

DWORD WINAPI MyThreadFun2(LPVOID lParame)
{
    EnterCriticalSection(&g_cs); //进入临界区
    while (g_Number >  )
    {
        printf("***剩下Number个数 = %d\r\n", g_Number);
        g_Number--;                                                                 //while语句内就是临界区了.有且只能一个线程访问.
        printf("***当前的Number个数 = %d\r\n", g_Number);
    }
    LeaveCriticalSection(&g_cs);
    return ;
}

int main(int argc,char *argv[])
{
    //初始化临界区全局原子变量
    InitializeCriticalSectionAndSpinCount(&g_cs, 0x00000400);
    //InitializeCriticalSection(&g_cs);                      //初始化临界区.两个API都可以.

    HANDLE hThreadHand[] = { NULL };
    hThreadHand[] = CreateThread(NULL, , (LPTHREAD_START_ROUTINE)MyThreadFun1, NULL, , NULL);
    hThreadHand[] = CreateThread(NULL, , (LPTHREAD_START_ROUTINE)MyThreadFun2, NULL, , NULL); //创建两个线程
    WaitForMultipleObjects(, hThreadHand, TRUE, INFINITE);

    DeleteCriticalSection(&g_cs); //删除临界区.

    printf("+Number个数 = %d \r\n", g_Number);
    system("pause");
    return ;
}

官方MSDN例子:

链接:  https://docs.microsoft.com/zh-cn/windows/desktop/Sync/using-critical-section-objects

三丶线程同步之互斥体

1.临界区缺点.以及衍生出来的跨进程保护

上面讲了临界区. 但是我们的临界资源是一个全局变量.例如下图:

如果我们的临界资源是一个文件. 需要两个进程都要访问怎么办? 此时临界区已经不可以跨进程使用了.

2.跨进程控制.

　　跨进程控制就是指 不同进程中的多线程控制安全..比如A进程访问临界资源的时候. B进程不能访问. 因为临界区的 令牌.也就是我们说的全局原子变量.只能在应用层.

但是如果放到内核中就好办了. 如下图所示

　　

A进程的线程从内核中获取互斥体. 为0 还是为1. B进程一样. 如果为 0 则可以进行访问临界资源.  访问的时候.互斥体则设置为1(也就是令牌设置为1)这样B进程就获取不到了.自然不能访问

临界区资源了.

3.互斥体操作API

　　既然明白了互斥体是一个内核层的原子操作.那么我们就可以使用API 进行操作了.

操作步骤.

　　　　1.创建互斥体. 信号量设置为有信号的状态    例如全局的原子变量现在是有信号.是可以进行访问的.

　　　　2.获取信号状态. 如果有信号则进入互斥体临界区执行代码.此时互斥体信号为无信号. 也就是说别的进程访问的时候.因为没有信号.执行不了代码.

　　　　3.释放互斥体. 信号状态为有信号. 此时别的进程信号已经有了.所以可以进行访问了.

具体API:

1.创建互斥体

HANDLE CreateMutexA(
  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,          SD安全属性.句柄是否可以继承.每个内核对象API都拥有.
  BOOL                  bInitialOwner,              初始的信号量状态. false为有信号. 获取令牌的时候可以获取到. True为无信号. 且如果为True互斥体对象为线程拥有者.
  LPCSTR                lpName                      全局名字. 根据名字寻找互斥体.
);

2.获取令牌.

　　

DWORD WaitForSingleObject(
  HANDLE hHandle,                          等待的内核对象
  DWORD  dwMilliseconds                 等待的时间
);

调用此函数之后.信号为无信号.别的进程是进入不了互斥体临界区的.

3.释放互斥体

　　

BOOL ReleaseMutex(
  HANDLE hMutex
);

调用完比之后.互斥体为有信号.可以使用了.

代码例子:

　　两个工程代码是一样的.贴一份出来.

#include "stdafx.h"
#include <Windows.h>
//创建临界区结构

int main(int argc,char *argv[])
{
    //初始化临界区全局原子变量
    HANDLE MutexHandle = CreateMutex(NULL, FALSE, TEXT("AAA"));  //创建互斥体. 信号量为0. 有信号的状态.wait可以等待

    WaitForSingleObject(MutexHandle,INFINITE);

    for (size_t i = ; i < ; i++)
    {
        Sleep();
        printf("A进程访问临街资源中临街资源ID = %d \r\n", i);
    }

    ReleaseMutex(MutexHandle);
    return ;
}

先运行A进程在运行B进程. 则B进程处于卡死状态.

实现了同步. 除非A进程释放互斥体句柄使信号变为有信号.此时才可以访问B

官方代码例子:

　　

#include <windows.h>
#include <stdio.h>

#define THREADCOUNT 2

HANDLE ghMutex; 

DWORD WINAPI WriteToDatabase( LPVOID );

int main( void )
{
    HANDLE aThread[THREADCOUNT];
    DWORD ThreadID;
    int i;

    // Create a mutex with no initial owner

    ghMutex = CreateMutex(
        NULL,              // default security attributes
        FALSE,             // initially not owned               有信号
        NULL);             // unnamed mutex                     不需要跨进程使用.所以不用名字

    if (ghMutex == NULL)
    {
        printf("CreateMutex error: %d\n", GetLastError());
        return ;
    }

    // Create worker threads

    for( i=; i < THREADCOUNT; i++ )
    {
        aThread[i] = CreateThread(                                       //创建  THREADCOUNT个线程
                     NULL,       // default security attributes
                     ,          // default stack size
                     (LPTHREAD_START_ROUTINE) WriteToDatabase,
                     NULL,       // no thread function arguments
                     ,          // default creation flags
                     &ThreadID); // receive thread identifier

        if( aThread[i] == NULL )
        {
            printf("CreateThread error: %d\n", GetLastError());
            return ;
        }
    }

    // Wait for all threads to terminate

    WaitForMultipleObjects(THREADCOUNT, aThread, TRUE, INFINITE);                   //等待线程执行完毕

    // Close thread and mutex handles

    for( i=; i < THREADCOUNT; i++ )
        CloseHandle(aThread[i]);

    CloseHandle(ghMutex);

    return ;
}

DWORD WINAPI WriteToDatabase( LPVOID lpParam )
{
    // lpParam not used in this example
    UNREFERENCED_PARAMETER(lpParam);

    DWORD dwCount=, dwWaitResult; 

    // Request ownership of mutex.

    while( dwCount <  )
    {
        dwWaitResult = WaitForSingleObject(                                //线程内部等待互斥体.因为一开始为FALSE所以有信号.第一次执行线程的时候则会执行.
            ghMutex,    // handle to mutex
            INFINITE);  // no time-out interval

        switch (dwWaitResult)
        {
            // The thread got ownership of the mutex
            case WAIT_OBJECT_0:
                __try {
                    // TODO: Write to the database
                    printf("Thread %d writing to database...\n",
                            GetCurrentThreadId());
                    dwCount++;
                } 

                __finally {
                    // Release ownership of the mutex object
                    if (! ReleaseMutex(ghMutex))                                         //执行完毕.释放互斥体.信号量变为有信号. 其余线程等待的时候可以等到则可以继续执行线程代码
                    {
                        // Handle error.
                    }
                }
                break; 

            // The thread got ownership of an abandoned mutex
            // The database is in an indeterminate state
            case WAIT_ABANDONED:
                return FALSE;
        }
    }
    return TRUE;
}

四丶事件操作API

　　相应的管理线程同步操作的.还有事件.

具体API:

　　1.创建事件对象

HANDLE CreateEventA(
  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes,   SD安全属性
  BOOL                  bManualReset,                通知类型
  BOOL                  bInitialState,                 初始值有信号还是无信号.false无信号
  LPCSTR                lpName                          全局名字
);
                                                                   返回事件句柄

首先这个函数有点复杂. 主要是第二个跟第三个参数.

第三个参数我们很好理解. 有信号还是无信号.  false为无信号. true为有信号.  这样Wait函数根据有无信号就可以进行线程是否执行了.

主要是第二个参数. 通知类型.这个比较复杂.

通知类型的意思就是指.  如果我们按照以前.我们使用了wait函数. 那么有信号会变为无信号.除非释放才会继续有信号执行.

而现在的通知类型如果为TRUE. 那么wait函数执行的时候.你有信号我不会自动变为无信号了.除非你手动自己更改.

如果通知类型为FALSE 那么则自动设置.有信号使用wait函数接受了.那么就变成无信号了.

2.设置信号状态

上面说了.如果为TRUE. 那么信号就不会自动设置了.那么需要我们手动设置.

具体API

　　设置为有信号状态

BOOL SetEvent(
  HANDLE hEvent
);

那么相应的也有设置为无信号的状态

BOOL ResetEvent(
  HANDLE hEvent
);

3.具体代码例子

初始值为有信号状态. 通知类型为TRUE的情况下.

#include "stdafx.h"
#include <Windows.h>
HANDLE g_hEvent;
DWORD WINAPI MyThreadFun1(LPVOID lparam)
{
    WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);// 等待事件对象
    for (size_t i = ; i < ; i++)
    {
        printf("A线程执行EIP = %d\r\n", i);
    }
    return ;
}

DWORD WINAPI MyThreadFun2(LPVOID lparam)
{
    WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);// 等待事件对象

    for (size_t i = ; i < ; i++)
    {
        printf("B线程执行EIP = %d\r\n", i);
    }
    return ;
}

int main(int argc, char *argv[])
{

    g_hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, TRUE, NULL);   //通知类型为TRUE,则wait函数不手动将信号设置为无信号.

    HANDLE hThread[] = { NULL };
    hThread[] = CreateThread(NULL, , (LPTHREAD_START_ROUTINE)MyThreadFun1, , , NULL);
    hThread[] = CreateThread(NULL, , (LPTHREAD_START_ROUTINE)MyThreadFun2, , , NULL);

    WaitForMultipleObjects(, hThread, TRUE, INFINITE);

    CloseHandle(hThread[]);
    CloseHandle(hThread[]);
    CloseHandle(g_hEvent);

    system("pause");
    return ;
}

根据上面代码我们设置的通知类型为TRUE. 那么则AB线程都会执行. 因为wait函数不会将信号设置为无信号了.

结果演示.

但是如果我们设置为信号状态为无信号的情况下.

也就是将上面的创建事件的代码. 的第三个参数设置为FALSE

启动后线程都会被阻塞.

那么如果我们设置通知类型为FALSE .且信号类型是有信号的情况下.

看看其执行结果

可以看到只会执行线程A. 因为通知类型我们改为FALSE. 那么wait函数则会自动设置信号状态了. 也就是说我们创建的事件一开始是有信号的.

首先执行线程A. 线程A 里面的wait函数等待到了有信号. 那么就会执行代码了. 此时信号状态已经设置为无信号了. 所以线程B就会阻塞到wait函数哪里.

如果此时我们想执行完A之后再执行B. 那么可以使用 SetEvent设置信号为有信号.

如果我们用于编程的话.大部分通知类型会改成FALSE. 让它自动设置信号状态为无信号. 我们可以使用API SetEvent设置有信号.

这样编程比较简单. 如果设置通知类型为TRUE. 那么我们就要使用 ResetEvent 跟SetEvent配合了.

如以下图片所示代码:

g_hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, TRUE, NULL);  不截图了.通知类型改为TRUE. 手动设置通知类型.

五丶 预留位.信号量的预留

六丶互斥本质跟同步本质

什么是互斥.什么是同步. 上面我们说了很多线程同步函数.那么是否是真的同步了.不见得. 了解了互斥跟同步的本质.才能更好的编写同步代码.

1.什么是互斥.什么是同步?

　　互斥: 互斥就是指一块资源.当前访问的时候有且只有一个线程访问. 比如A访问的时候 B会阻塞.访问不了.

　　同步: 同步的意思就是让线程执行顺序是有序的.因为互斥可以保证A访问的时候B访问不了.但有可能A会访问多次.线程无序.此时同步的意思就是 我就想让A执行完在执行B.

这个就是同步.

经典互斥例子.可以以这个例子讲解同步跟互斥.

如下代码:

　　

#include "stdafx.h"
#include <Windows.h>
HANDLE g_hMutex;
DWORD g_Money;
DWORD g_MAX = ;
DWORD WINAPI MyThreadFun1(LPVOID lparam)
{
    WaitForSingleObject(g_hMutex, INFINITE);// 等待事件对象
    for (size_t i = ; i < g_MAX; i++)
    {
        g_Money = ;  //消费者修改金钱
        DWORD dwTid = GetCurrentThreadId();
        printf("线程%d 生产者执行收钱动作.当前金钱 = %d\r\n", dwTid,g_Money);
        ReleaseMutex(g_hMutex);
    }

    return ;
}

DWORD WINAPI MyThreadFun2(LPVOID lparam)
{
    WaitForSingleObject(g_hMutex, INFINITE);// 等待事件对象
    //因为通知类型为TRUE.所以我们必须手动设置信号状态为无信号
    for (size_t i = ; i < g_MAX; i++)
    {
        g_Money = ;  //消费者修改金钱
        DWORD dwTid = GetCurrentThreadId();
        printf("线程%d 消费者执行花钱动作.当前金钱 = %d\r\n",dwTid, g_Money);
        ReleaseMutex(g_hMutex);

    }
    return ;
}

int main(int argc, char *argv[])
{

    g_hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE,NULL);     //创建互斥体.信号为有信号

    HANDLE hThread[] = { NULL };
    hThread[] = CreateThread(NULL, , (LPTHREAD_START_ROUTINE)MyThreadFun1, , , NULL);
    hThread[] = CreateThread(NULL, , (LPTHREAD_START_ROUTINE)MyThreadFun2, , , NULL);

    WaitForMultipleObjects(, hThread, TRUE, INFINITE);

    CloseHandle(hThread[]);
    CloseHandle(hThread[]);
    CloseHandle(g_hMutex);

    system("pause");
    return ;
}

一个线程修改为1.一个线程修改为0.那么按照正常逻辑.应该是生产一个.消费一个 .

观看结果.结果是迥然不同的.

并不是生产一个.释放一个.

那如何变成 生产一个消费一个的这种模式那. 那么我们可以写一个简单的例子.判断我们的金钱来进行是否修改.

修改代码为如下代码.

#include "stdafx.h"
#include <Windows.h>
HANDLE g_hMutex;
DWORD g_Money = ;
DWORD g_MAX = ;
DWORD g_IsChange;
DWORD WINAPI MyThreadFun1(LPVOID lparam)
{

    for (size_t i = ; i < g_MAX; i++)
    {
        WaitForSingleObject(g_hMutex, INFINITE);// 等待事件对象
        if (g_Money == )
        {
            g_Money = ;  //消费者修改金钱
            DWORD dwTid = GetCurrentThreadId();
            printf("线程%d 生产者执行收钱动作.当前金钱 = %d\r\n", dwTid, g_Money);

        }
        else
        {
            i--; //因为如果不想等.循环次数会浪费.所以-1次.不让它浪费.
        }
        ReleaseMutex(g_hMutex);
    }

    return ;
}

DWORD WINAPI MyThreadFun2(LPVOID lparam)
{

    //因为通知类型为TRUE.所以我们必须手动设置信号状态为无信号
    for (size_t i = ; i < g_MAX; i++)
    {
        WaitForSingleObject(g_hMutex, INFINITE);// 等待信号
        if (g_Money == )
        {
            g_Money = ;  //消费者修改金钱
            DWORD dwTid = GetCurrentThreadId();
            printf("线程%d 消费者执行花钱动作.当前金钱 = %d\r\n", dwTid, g_Money);
        }
        else
        {
            i--;
        }

        ReleaseMutex(g_hMutex);

    }
    return ;
}

int main(int argc, char *argv[])
{

    g_hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE,NULL);

    HANDLE hThread[] = { NULL };
    hThread[] = CreateThread(NULL, , (LPTHREAD_START_ROUTINE)MyThreadFun1, , , NULL);
    hThread[] = CreateThread(NULL, , (LPTHREAD_START_ROUTINE)MyThreadFun2, , , NULL);

    WaitForMultipleObjects(, hThread, TRUE, INFINITE);

    CloseHandle(hThread[]);
    CloseHandle(hThread[]);
    CloseHandle(g_hMutex);

    system("pause");
    return ;
}

代码结果演示

发现已经实现了同步.但是这样写是有问题的. 浪费了大量的时间.

因为当线程执行的时候.如果判断不是1则会继续循环.而没有释放信号. 而我们要实现的则是.如果没有.则给下一个线程继续执行.且保证有序.

所以上面的代码虽然实现了但是还是不能保证同步.会浪费线程的时间.

如果要实现同步.那么只能用事件来实现了. 所以说 同步函数各有优缺点.

实现同步的方法.

1.创建两个Event对象.一个有信号.一个无信号.且通知类型都是自动设置的.也就是参数2为FALSE.

2.当A线程执行完毕之后.使用SetEvent给B线程设置信号状态为有信号.这样B就会执行. B执行完之后给A设置.这样A就执行.相当于交错设置.不浪费时间片.

如下代码演示:

#include "stdafx.h"
#include <Windows.h>
HANDLE g_hEventOne;
HANDLE g_hEventTwo;

DWORD g_Money = ;
DWORD g_MAX = ;
DWORD g_IsChange;
DWORD WINAPI MyThreadFun1(LPVOID lparam)
{

    for (size_t i = ; i < g_MAX; i++)
    {
        WaitForSingleObject(g_hEventOne, INFINITE);// 等待事件对象

        g_Money = ;  //消费者修改金钱
        DWORD dwTid = GetCurrentThreadId();
        printf("线程%d 生产者执行收钱动作.当前金钱 = %d\r\n", dwTid, g_Money);

        SetEvent(g_hEventTwo);

    }

    return ;
}

DWORD WINAPI MyThreadFun2(LPVOID lparam)
{

    //因为通知类型为TRUE.所以我们必须手动设置信号状态为无信号
    for (size_t i = ; i < g_MAX; i++)
    {
        WaitForSingleObject(g_hEventTwo, INFINITE);// 等待事件对象

        g_Money = ;  //消费者修改金钱
        DWORD dwTid = GetCurrentThreadId();
        printf("线程%d 消费者执行消费动作.当前金钱 = %d\r\n", dwTid, g_Money);

        SetEvent(g_hEventOne);

    }

    return ;
}

int main(int argc, char *argv[])
{

    g_hEventOne = CreateEvent(NULL, FALSE, TRUE, NULL);  //A线程设置为有信号则A线程先执行.
    g_hEventTwo = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);//B线程设置为无信号.则B线程不会先执行.要等A线程通知才可以执行.

    HANDLE hThread[] = { NULL };
    hThread[] = CreateThread(NULL, , (LPTHREAD_START_ROUTINE)MyThreadFun1, , , NULL);
    hThread[] = CreateThread(NULL, , (LPTHREAD_START_ROUTINE)MyThreadFun2, , , NULL);

    WaitForMultipleObjects(, hThread, TRUE, INFINITE);

    CloseHandle(hThread[]);
    CloseHandle(hThread[]);
    CloseHandle(g_hEventOne);
    CloseHandle(g_hEventTwo);

    system("pause");
    return ;
}

代码执行结果

实现了同步有序