【av68676164（p31-p32)】Windows和Linux同步机制

4.6.1 Windows同步机制

临界区（CRITICAL_SECTION）

• 在进程内使用，保证仅一个线程可以申请到该对象
• 临界区内是临界资源的访问

相关的API函数

初始化临界区

WINBASEAPI
VOID
WINAPI
InitializeCriticalSection(
    _Out_ LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection
    );

删除临界区

WINBASEAPI
VOID
WINAPI
DeleteCriticalSection(
    _Inout_ LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection
    );

退出临界区（开锁）

WINBASEAPI
VOID
WINAPI
LeaveCriticalSection(
    _Inout_ LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection
    );

例子

/*用3个线程共同把nSum累加到240*/
#include <cstdio>
#include <Windows.h>

#define INF 0x7fffffff
//全局变量
int nSum = 0;
const int NUMBER = 80;

//累加线程函数
DWORD WINAPI Accumulate(LPVOID lpParam) {
    for (int i = 0; i < NUMBER; i++) {
        //多个线程同时就绪，让nSum不唯一
        int iCopy = nSum;
        nSum = iCopy + 1;
    }

    return 0;
}

int main() {
    HANDLE hThread[3];
    hThread[0] = CreateThread(nullptr, 0, Accumulate, nullptr, 0, nullptr);
    hThread[1] = CreateThread(nullptr, 0, Accumulate, nullptr, 0, nullptr);
    hThread[2] = CreateThread(nullptr, 0, Accumulate, nullptr, 0, nullptr);
    //等待这三个线程结束之后才能返回
    WaitForMultipleObjects(3, hThread, true, INF);

    printf("nSum = %d\n", nSum);

    system("pause");
    return EXIT_SUCCESS;
}

结果可能会出现不是240的情况

等待函数

功能：等待目标对象变成有信号的状态返回

WINBASEAPI
DWORD
WINAPI
WaitForMultipleObjects(
    _In_ DWORD nCount,							// 等待的目标对象的数量
    _In_reads_(nCount) CONST HANDLE* lpHandles, // 目标对象的句柄
    _In_ BOOL bWaitAll,							// 等待方式
    _In_ DWORD dwMilliseconds					// 等待时间，单位是毫秒
    );

等待单个对象：

WINBASEAPI
DWORD
WINAPI
WaitForSingleObject(
    _In_ HANDLE hHandle,				// 等待的目标对象的句柄
    _In_ DWORD dwMilliseconds			// 等待时间，单位是毫秒
    );

修改

/*用3个线程共同把nSum累加到240*/
#include <cstdio>
#include <Windows.h>

#define INF 0x7fffffff
//全局变量
int nSum = 0;
const int NUMBER = 80;
//定义临界区对象
CRITICAL_SECTION cs;

//累加线程函数
DWORD WINAPI Accumulate(LPVOID lpParam) {
    for (int i = 0; i < NUMBER; i++) {
        //进入临界区 P(S)
        EnterCriticalSection(&cs);
        //多个线程同时就绪，让nSum不唯一
        int iCopy = nSum;
        nSum = iCopy + 1;
        //退出临界区 V(S)
        LeaveCriticalSection(&cs);
    }

    return 0;
}

int main() {
    //初始化临界区对象
    InitializeCriticalSection(&cs);

    HANDLE hThread[3];
    hThread[0] = CreateThread(nullptr, 0, Accumulate, nullptr, 0, nullptr);
    hThread[1] = CreateThread(nullptr, 0, Accumulate, nullptr, 0, nullptr);
    hThread[2] = CreateThread(nullptr, 0, Accumulate, nullptr, 0, nullptr);
    //等待这三个线程结束之后才能返回
    WaitForMultipleObjects(3, hThread, true, INF);

    printf("nSum = %d\n", nSum);

    system("pause");
    return EXIT_SUCCESS;
}

互斥量（Mutex）

• 保证只有1个线程或进程可以申请到该对象
• 可以跨进程使用
• 可以有名称
• 互斥量比临界区要耗费更多资源，速度慢

用在互斥量上的函数

//创建互斥量
WINBASEAPI
_Ret_maybenull_
HANDLE
WINAPI
CreateMutexW(
    _In_opt_ LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,
    _In_ BOOL bInitialOwner,		//初始化互斥量的状态：真或假
    _In_opt_ LPCWSTR lpName			//名字，可为null但不能跨进程用
    );

//打开一个存在的互斥量
WINBASEAPI
_Ret_maybenull_
HANDLE
WINAPI
OpenMutexW(
    _In_ DWORD dwDesiredAccess,
    _In_ BOOL bInheritHandle,
    _In_ LPCWSTR lpName		//名字
    );

WINBASEAPI
BOOL
WINAPI
ReleaseMutex(
    _In_ HANDLE hMutex
    );

//关闭互斥量
WINBASEAPI
BOOL
WINAPI
CloseHandle(
    _In_ _Post_ptr_invalid_ HANDLE hObject	//句柄
    );

信号量（Semaphore）

• 允许指定数目的多个进程/进程访问临界区
• 一种资源计数器，用于限制并发线程的数量
• 初始值可设为N，则表示允许N个进程/线程并发访问资源

用于信号量操作的API函数

//创建信号量
WINBASEAPI
HANDLE
WINAPI
CreateSemaphoreW(
    _In_opt_ LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,	//安全属性
    _In_ LONG lInitialCount,	//初始值
    _In_ LONG lMaximumCount,	//最大值
    _In_opt_ LPCWSTR lpName		//名字
    );

//打开信号量
WINBASEAPI
_Ret_maybenull_
HANDLE
WINAPI
OpenSemaphoreW(
    _In_ DWORD dwDesiredAccess,		//存取方式
    _In_ BOOL bInheritHandle,		//能否被继承
    _In_ LPCWSTR lpName				//名字
    );

//释放信号量
WINBASEAPI
BOOL
WINAPI
ReleaseSemaphore(
    _In_ HANDLE hSemaphore,				//句柄
    _In_ LONG lReleaseCount,			//释放数，使信号量的值增加的数量
    _Out_opt_ LPLONG lpPreviousCount	//得到释放前信号量的值
    );

//关闭信号量
WINBASEAPI
BOOL
WINAPI
CloseHandle(
    _In_ _Post_ptr_invalid_ HANDLE hObject	//句柄
    );

信号量的值可以通过相应的函数增或减

• WaitForSingleObject()将信号量增1
• ReleaseSemaphore将信号量增1

信号状态

• 信号量的值大于0时，有信号状态
• 信号量的值小于等于0时，为无信号状态

使用信号量限制临界区访问的例子

#include <cstdio>
#include <Windows.h>

#define INF 0x7fffffff

//线程函数
DWORD AcessDB(void* pD) {
	HANDLE hSu = OpenSemaphore(SEMAPHORE_ALL_ACCESS, (LPWSTR)L"SU");
	while (true) {
		WaitForSingleObject(hSu, INF);
		//此处时模拟数据库访问
		printf("Do database access!\n");
		Sleep(100);
		ReleaseSemaphore(hSu, 1, nullptr);
	}
}

int main() {
	//创建信号灯
	HANDLE hSU = nullptr;
	//功能：信号量初始值为2，保证最多只有2个线程可以同时进行数据库访问
	hSU = CreateSemaphore(nullptr, 2, 2, (LPWSTR)L"SU");
	//创建三个线程
	HANDLE hThread[3];
	CWinThread* pT1 = AfxBeginThread(AccessDB, (void*)1);
	CWinThread* pT2 = AfxBeginThread(AccessDB, (void*)2);
	CWinThread* pT3 = AfxBeginThread(AccessDB, (void*)3);
	hThread[0] = pT1->m_hThread;
	hThread[1] = pT2->m_hThread;
	hThread[2] = pT3->m_hThread;
	WaitForMultipleObjects(3, hThread, true, INF);

	//关闭句柄
	CloseHandle(hSU);
	return EXIT_SUCCESS;
}

事件（Event）

用于通知一个或多个线程某事件出现或某操作已经完成

事件对象的分类

• 自动重置的事件：使用WaitForSingleObject等待到事件对象变为有信号状态后该事件对象自动变为无信号状态
• 人工重置的事件：使用WaitForSingleObject等待到事件对象变为有信号状态后该事件对象的状态不变，除非人工重置

Windows同步机制

临界区对象
EnterCriticalSection();	P操作
LeaveCriticalSection();	V操作
互斥量对象
ReleaseMutex()	V操作
事件对象
Bool SetEvent()	V操作
信号量对象
CreateSemaphore()
ReleaseSemaphore()	V操作
等待机制
WaitForSingleObject()	P操作

4.6.2 Linux同步机制

思考：程序运行流程？pid_1和pid_2的值

/*
	先运行子进程，打印子进程的pid，然后返回父进程，父进程打印返回回来的子进程的pid
*/

#include <iostream>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid, pid_1, pid_2;
    pid = fork();
//    子进程
    if (pid == 0) {
        pid_1 = getpid();
        printf("pid1 = %d \n", pid_1);
        sleep(10);
    }

//    父进程
    if (pid > 0) {
//      返回子进程的id号
//      子进程运行结束后，进入僵尸态，父进程来进行善后工作-
        pid_2 = wait(nullptr);
        printf("pid2 = %d\n", pid_2);
    }

    exit(0);
}

进程的阻塞wait()

进程调用wait(int status)会阻塞自己

父进程调用wait函数做善后工作

• 阻塞到有是否有子进程结束？
  • 没有：进程一直阻塞
  • 有（僵尸进程）
    • wait收集该子进程信息并彻底销毁子进程后返回
• status保存进程退出时的状态
  • 若忽略推出信息
    • pid = wait(nullptr);

进程的终结exit()

• 调用void exit(int status)终结进程
• 进程终结时要释放资源并报告父进程
  • 利用status传递进程结束时的状态
  • 变为僵尸状态，保留部分PCB信息供wait收集
    • 正常结束还是异常结束
    • 占用总系统cpu事件
    • 缺页中断次数
  • 调用schedule()函数，选择新进程运行

进程的休眠

• sleep(int nSecond)
  • 进程暂停执行nSecond秒
  • 系统暂停调度该进程
  • 相当于windows的suspend()，挂起若干秒

父子共享普通变量

#include <iostream>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid;
    int i = 1;
//    创建新进程
    pid = fork();

//    子进程
    if (pid == 0) {
        i = 2;
        printf("In child i = %d\n", i);
        exit(0);
    } else {
//        十秒休眠，让子进程先执行
        sleep(10);
        printf("In parent i = %d\n", i);
        exit(0);
    }
}

结论：对于普通变量，父子进程各自操作变量副本，互相不影响

父子进程共享文件资源

对于文件，父子进程共享同一文件和读写指针