線程的同步

Critical section（臨界區(qū)）用來實現(xiàn)“排他性占有”。適用范圍是單一進程的各線程之間。它是：

·         一個局部性對象，不是一個核心對象。

·         快速而有效率。

·         不能夠同時有一個以上的critical section被等待。

·         無法偵測是否已被某個線程放棄。

Mutex

Mutex是一個核心對象，可以在不同的線程之間實現(xiàn)“排他性占有”，甚至幾十那些現(xiàn)成分屬不同進程。它是：

·         一個核心對象。

·         如果擁有mutex的那個線程結(jié)束，則會產(chǎn)生一個“abandoned”錯誤信息。

·         可以使用Wait…()等待一個mutex。

·         可以具名，因此可以被其他進程開啟。

·         只能被擁有它的那個線程釋放（released）。

Semaphore

Semaphore被用來追蹤有限的資源。它是：

·         一個核心對象。

·         沒有擁有者。

·         可以具名，因此可以被其他進程開啟。

·         可以被任何一個線程釋放（released）。

Event Object

Event object通常使用于overlapped I/O，或用來設(shè)計某些自定義的同步對象。它是：

·         一個核心對象。

·         完全在程序掌控之下。

·         適用于設(shè)計新的同步對象。

·         “要求蘇醒”的請求并不會被儲存起來，可能會遺失掉。

·         可以具名，因此可以被其他進程開啟。

Interlocked Variable

如果Interlocked…()函數(shù)被使用于所謂的spin-lock，那么他們只是一種同步機制。所謂spin-lock是一種busy loop，被預期在極短時間內(nèi)執(zhí)行，所以有最小的額外負擔（overhead）。系統(tǒng)核心偶爾會使用他們。除此之外，interlocked variables主要用于引用技術(shù)。他們：

·         允許對4字節(jié)的數(shù)值有些基本的同步操作，不需動用到critical section或mutex之類。

·         在SMP（Symmetric Multi-Processors）操作系統(tǒng)中亦可有效運作。

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有關(guān)多線程的一些技術(shù)問題：

1、   何時使用多線程？

2、   線程如何同步？

3、   線程之間如何通訊？

4、   進程之間如何通訊？

先來回答第一個問題，線程實際主要應用于四個主要領(lǐng)域，當然各個領(lǐng)域之間不是絕對孤立的，他們有可能是重疊的，但是每個程序應該都可以歸于某個領(lǐng)域：

1、   offloading time-consuming task。由輔助線程來執(zhí)行耗時計算，而使GUI有更好的反應。我想這應該是我們考慮使用線程最多的一種情況吧。

2、   Scalability。服務器軟件最?？紤]的問題，在程序中產(chǎn)生多個線程，每個線程做一份小的工作，使每個CPU都忙碌，使CPU（一般是多個）有最佳的使用率，達到負載的均衡，這比較復雜，我想以后再討論這個問題。

3、   Fair-share resource allocation。當你向一個負荷沉重的服務器發(fā)出請求，多少時間才能獲得服務。一個服務器不能同時為太多的請求服務，必須有一個請求的最大個數(shù)，而且有時候?qū)δ承┱埱笠獌?yōu)先處理，這是線程優(yōu)先級干的活了。

4、   Simulations。線程用于仿真測試。

我把主要的目光放在第一個領(lǐng)域，因為它正是我想要的。第二和第三個領(lǐng)域比較有意思，但是目前不在我的研究時間表中。

線程的同步機制：

1、   Event

用事件（Event）來同步線程是最具彈性的了。一個事件有兩種狀態(tài)：激發(fā)狀態(tài)和未激發(fā)狀態(tài)。也稱有信號狀態(tài)和無信號狀態(tài)。事件又分兩種類型：手動重置事件和自動重置事件。手動重置事件被設(shè)置為激發(fā)狀態(tài)后，會喚醒所有等待的線程，而且一直保持為激發(fā)狀態(tài)，直到程序重新把它設(shè)置為未激發(fā)狀態(tài)。自動重置事件被設(shè)置為激發(fā)狀態(tài)后，會喚醒“一個”等待中的線程，然后自動恢復為未激發(fā)狀態(tài)。所以用自動重置事件來同步兩個線程比較理想。MFC中對應的類為CEvent.。CEvent的構(gòu)造函數(shù)默認創(chuàng)建一個自動重置的事件，而且處于未激發(fā)狀態(tài)。共有三個函數(shù)來改變事件的狀態(tài):SetEvent,ResetEvent和PulseEvent。用事件來同步線程是一種比較理想的做法，但在實際的使用過程中要注意的是，對自動重置事件調(diào)用SetEvent和PulseEvent有可能會引起死鎖，必須小心。

2、   Critical Section

使用臨界區(qū)域的第一個忠告就是不要長時間鎖住一份資源。這里的長時間是相對的，視不同程序而定。對一些控制軟件來說，可能是數(shù)毫秒，但是對另外一些程序來說，可以長達數(shù)分鐘。但進入臨界區(qū)后必須盡快地離開，釋放資源。如果不釋放的話，會如何？答案是不會怎樣。如果是主線程（GUI線程）要進入一個沒有被釋放的臨界區(qū)，呵呵，程序就會掛了！臨界區(qū)域的一個缺點就是：Critical Section不是一個核心對象，無法獲知進入臨界區(qū)的線程是生是死，如果進入臨界區(qū)的線程掛了，沒有釋放臨界資源，系統(tǒng)無法獲知，而且沒有辦法釋放該臨界資源。這個缺點在互斥器(Mutex)中得到了彌補。Critical Section在MFC中的相應實現(xiàn)類是CcriticalSection。CcriticalSection：：Lock()進入臨界區(qū)，CcriticalSection：：UnLock()離開臨界區(qū)。

3、   Mutex

互斥器的功能和臨界區(qū)域很相似。區(qū)別是：Mutex所花費的時間比Critical Section多的多，但是Mutex是核心對象(Event、Semaphore也是)，可以跨進程使用，而且等待一個被鎖住的Mutex可以設(shè)定TIMEOUT，不會像Critical Section那樣無法得知臨界區(qū)域的情況，而一直死等。MFC中的對應類為CMutex。Win32函數(shù)有：創(chuàng)建互斥體CreateMutex() ，打開互斥體OpenMutex()，釋放互斥體ReleaseMutex()。Mutex的擁有權(quán)并非屬于那個產(chǎn)生它的線程，而是最后那個對此Mutex進行等待操作（WaitForSingleObject等等）并且尚未進行ReleaseMutex()操作的線程。線程擁有Mutex就好像進入Critical Section一樣，一次只能有一個線程擁有該Mutex。如果一個擁有Mutex的線程在返回之前沒有調(diào)用ReleaseMutex()，那么這個Mutex就被舍棄了，但是當其他線程等待(WaitForSingleObject等)這個Mutex時，仍能返回，并得到一個WAIT_ABANDONED_0返回值。能夠知道一個Mutex被舍棄是Mutex特有的。

4、   Semaphore

信號量是最具歷史的同步機制。信號量是解決producer/consumer問題的關(guān)鍵要素。對應的MFC類是Csemaphore。Win32函數(shù)CreateSemaphore（）用來產(chǎn)生信號量。ReleaseSemaphore（）用來解除鎖定。Semaphore的現(xiàn)值代表的意義是目前可用的資源數(shù)，如果Semaphore的現(xiàn)值為1，表示還有一個鎖定動作可以成功。如果現(xiàn)值為5，就表示還有五個鎖定動作可以成功。當調(diào)用Wait…等函數(shù)要求鎖定，如果Semaphore現(xiàn)值不為0，Wait…馬上返回，資源數(shù)減1。當調(diào)用ReleaseSemaphore（）資源數(shù)加1，當時不會超過初始設(shè)定的資源總數(shù)。

線程之間的通訊：

線程常常要將數(shù)據(jù)傳遞給另外一個線程。Worker線程可能需要告訴別人說它的工作完成了，GUI線程則可能需要交給Worker線程一件新的工作。

通過PostThreadMessage（），可以將消息傳遞給目標線程，當然目標線程必須有消息隊列。以消息當作通訊方式，比起標準技術(shù)如使用全局變量等，有很大的好處。如果對象是同一進程中的線程，可以發(fā)送自定義消息，傳遞數(shù)據(jù)給目標線程，如果是線程在不同的進程中，就涉及進程之間的通訊了。下面將會講到。

進程之間的通訊：

當線程分屬于不同進程，也就是分駐在不同的地址空間時，它們之間的通訊需要跨越地址空間的邊界，便得采取一些與同一進程中不同線程間通訊不同的方法。

1、   Windows專門定義了一個消息：WM_COPYDATA,用來在線程之間搬移數(shù)據(jù)，――不管兩個線程是否同屬于一個進程。同時接受這個消息的線程必須有一個窗口，即必須是UI線程。WM_COPYDATA必須由SendMessage（）來發(fā)送，不能由PostMessage（）等來發(fā)送，這是由待發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的生命期決定的，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，可以考慮使用共享內(nèi)存（Shared Memory）。使用共享內(nèi)存要做的是：設(shè)定一塊內(nèi)存共享區(qū)域；使用共享內(nèi)存；同步處理共享內(nèi)存。

第一步：設(shè)定一塊內(nèi)存共享區(qū)域。首先，CreateFileMapping（）產(chǎn)生一個file-mapping核心對象，并指定共享區(qū)域的大小。MapViewOfFile（）獲得一個指針指向可用的內(nèi)存。如果是C/S模式，由Server端來產(chǎn)生file-mapping，那么Client端使用OpenFileMapping（），然后調(diào)用MapViewOfFile（）。

第二步：使用共享內(nèi)存。共享內(nèi)存指針的使用是一件比較麻煩的事，我們需要借助_based屬性，允許指針被定義為從某一點開始起算的32位偏移值。

第三步：清理。UnmapViewOfFile（）交出由MapViewOfFile（）獲得的指針，CloseHandle（）交出file-mapping核心對象的handle。

第四步：同步處理?？梢越柚鶰utex來進行同步處理。

　　雖然多線程能給我們帶來好處，但是也有不少問題需要解決。例如，對于像磁盤驅(qū)動器這樣獨占性系統(tǒng)資源，由于線程可以執(zhí)行進程的任何代碼段，且線程的運行是由系統(tǒng)調(diào)度自動完成的，具有一定的不確定性，因此就有可能出現(xiàn)兩個線程同時對磁盤驅(qū)動器進行操作，從而出現(xiàn)操作錯誤；又例如，對于銀行系統(tǒng)的計算機來說，可能使用一個線程來更新其用戶數(shù)據(jù)庫，而用另外一個線程來讀取數(shù)據(jù)庫以響應儲戶的需要，極有可能讀數(shù)據(jù)庫的線程讀取的是未完全更新的數(shù)據(jù)庫，因為可能在讀的時候只有一部分數(shù)據(jù)被更新過。

　　使隸屬于同一進程的各線程協(xié)調(diào)一致地工作稱為線程的同步。MFC提供了多種同步對象，下面我們只介紹最常用的四種：

• 臨界區(qū)（CCriticalSection）
• 事件（CEvent）
• 互斥量（CMutex）
• 信號量（CSemaphore）
  　

通過這些類，我們可以比較容易地做到線程同步。