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WIN32核心编程 - 线程操作(二) 同步互斥

2024-07-12

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目录

竞态条件

CriticalSection

Mutex

CriticalSection & Mutex

Semaphore

Event


竞态条件

  • 多线程环境下,当多个线程同时访问或者修改同一个数据时,最终结果为线程执行的时许。

  • 如果没有同步机制,会发生竞态条件,可能导致数据不准确,或者程序发生异常等。

  1. #include <iostream>
  2. #include <windows.h>
  3. DWORD g_Num = 0;
  4. DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
  5. {
  6. for (size_t i = 0; i < 10000000; i++)
  7. {
  8. //g_Num++;
  9. __asm LOCK INC [g_Num]
  10. }
  11. return 0;
  12. }
  13. int main()
  14. {
  15. HANDLE hThread[2] = { 0 };
  16. hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);
  17. hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);
  18. WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, -1);
  19. std::cout << g_Num << std::endl;
  20. return 0;
  21. }

CriticalSection

  1. #include <iostream>
  2. #include <windows.h>
  3. DWORD g_Num = 0;
  4. CRITICAL_SECTION cs = { 0 };
  5. DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
  6. {
  7. for (size_t i = 0; i < 1000000; i++)
  8. {
  9. // 进入临界区
  10. EnterCriticalSection(&cs);
  11. // TODO
  12. g_Num++;
  13. // 退出临界区
  14. LeaveCriticalSection(&cs);
  15. }
  16. return 0;
  17. }
  18. int main()
  19. {
  20. HANDLE hThread[2] = { 0 };
  21. // 初始临界区
  22. InitializeCriticalSection(&cs);
  23. hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);
  24. hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);
  25. WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, -1);
  26. std::cout << g_Num << std::endl;
  27. // 清理临界区
  28. DeleteCriticalSection(&cs);
  29. return 0;
  30. }

Mutex

  • 互斥体(Mutex),用于防止多个线程同时访问或修改共享资源。

  • 同一时刻下只有一个线程可以拥有互斥体的所有权,如果一个线程拥有了互斥体的所有权,则其他请求该互斥体的线程将会被阻塞,直到互斥体权限释放。

  • 创建互斥体 - CreateMutex

  • 请求互斥体 - WaitForSingleObject

  • 释放互斥体 - ReleaseMutex

  1. #include <iostream>
  2. #include <windows.h>
  3. HANDLE hMutex = 0;
  4. DWORD g_Num = 0;
  5. DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
  6. {
  7. for (size_t i = 0; i < 100000; i++)
  8. {
  9. WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
  10. g_Num++;
  11. ReleaseMutex(hMutex);
  12. }
  13. return 0;
  14. }
  15. int main()
  16. {
  17. hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
  18. HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);
  19. HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);
  20. WaitForSingleObject(hThread1, INFINITE);
  21. WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);
  22. CloseHandle(hThread1);
  23. CloseHandle(hThread2);
  24. CloseHandle(hMutex);
  25. std::cout << g_Num << std::endl;
  26. return 0;
  27. }

CriticalSection & Mutex

  • 临界区

    • 共享资源的线程同步机制,临界区在同一进程的线程之间提供了互斥访问。

    • 每个线程在访问共享资源之前必须先能够进入临界区,在访问结束后离开临界区,完成线程同步。

  • 互斥体

    • 线程同步机制,用来限制多个线程同时访问共享资源。

    • 互斥体可以同步进程或者线程,且可以跨进程同步。
      1. #include <iostream>
      2. #include <Windows.h>
      3. int main()
      4. {
      5. HANDLE hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, L"0xCC_Mutex");
      6. if (hMutex == NULL) return 0;
      7. if (GetLastError() == ERROR_ALREADY_EXISTS)
      8. {
      9. MessageBox(NULL, L"禁止多开", L"错误", MB_OKCANCEL);
      10. return 0;
      11. }
      12. std::cout << "Game Start..." << std::endl;
      13. system("pause");
      14. CloseHandle(hMutex);
      15. return 0;
      16. }
  • 性能

    • 临界区在同一进程的线程中比互斥体更快。

  • 功能

    • 互斥体可以跨进程同步,但临界区只能够在同一个进程下的线程之间进行同步。

  • 所有权

    • 互斥体有严格的所有权要求,只有拥有互斥体权限的线程才能够释放它。

  • 死锁
    • 当线程在持有锁的情况下意外死亡(异常)
    • 如果线程在持有临界区锁的情况下意外终结,这个锁不会被释放,导致其他等待该临界区的线程无法正常执行,造成死锁。
      1. #include <iostream>
      2. #include <Windows.h>
      3. CRITICAL_SECTION CriticalSection = { 0 };
      4. DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
      5. {
      6. EnterCriticalSection(&CriticalSection);
      7. printf("TID -> %d rn", GetCurrentThreadId());
      8. Sleep(5000);
      9. LeaveCriticalSection(&CriticalSection);
      10. return 0;
      11. }
      12. int main()
      13. {
      14. InitializeCriticalSection(&CriticalSection);
      15. HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);
      16. Sleep(1000);
      17. TerminateThread(hThread1, 1);
      18. HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);
      19. WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);
      20. DeleteCriticalSection(&CriticalSection);
      21. return 0;
      22. }
    • 如果线程在持有互斥体锁的情况下意外终结,Windows会自动释放其所有权,使得其他线程可以继续正常执行。
      1. #include <iostream>
      2. #include <Windows.h>
      3. HANDLE hMutex = NULL;
      4. DWORD WINAPI WorkThread1(LPVOID lp)
      5. {
      6. WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
      7. printf("TID -> %d rn", GetCurrentThreadId());
      8. Sleep(5000);
      9. TerminateThread(GetCurrentThread(), -1);
      10. //todo
      11. return 0;
      12. }
      13. DWORD WINAPI WorkThread2(LPVOID lp)
      14. {
      15. printf("Wait For Thread1 Leavern");
      16. WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
      17. printf("TID -> %d rn", GetCurrentThreadId());
      18. ReleaseMutex(hMutex);
      19. return 0;
      20. }
      21. int main()
      22. {
      23. hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
      24. HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread1, NULL, 0, NULL);
      25. Sleep(1000);
      26. HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread2, NULL, 0, NULL);
      27. WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);
      28. CloseHandle(hMutex);
      29. CloseHandle(hThread1);
      30. CloseHandle(hThread2);
      31. return 0;
      32. }

Semaphore

  • 信号量是一种同步对象,用于控制多个线程对共享资源的访问。它是一个计数器,用来表示可用资源的数量。当信号量的值大于0,它表示有资源可用;当值为0,表示没有可用资源。

    • 等待:试图减少信号量的值。如果信号量的值大于0,减1并继续执行。如果信号量的值为0,则线程阻塞,直到信号量的值变为大于0。

    • 释放:增加信号量的值。如果有其他线程因等待这个信号量而阻塞,它们中的一个将被唤醒。

  • 创建信号量

    • 在 Windows 系统中,使用 CreateSemaphoreCreateSemaphoreEx 函数创建信号量。

  • 等待(Wait)和释放(Release)信号量

    • 等待信号量通常使用 WaitForSingleObjectWaitForMultipleObjects 函数。

    • 释放信号量使用 ReleaseSemaphore 函数。

  1. #include <iostream>
  2. #include <Windows.h>
  3. #define MAX_COUNT_SEMAPHORE 3
  4. HANDLE g_SemapHore = NULL;
  5. HANDLE g_hThreadArr[10] = { 0 };
  6. DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
  7. {
  8. WaitForSingleObject(g_SemapHore, INFINITE);
  9. for (size_t i = 0; i < 10; i++)
  10. {
  11. std::cout << "COUNT -> " << (int)lp << std::endl;
  12. Sleep(500);
  13. }
  14. ReleaseSemaphore(g_SemapHore, 1, NULL);
  15. return 0;
  16. }
  17. int main()
  18. {
  19. g_SemapHore = CreateSemaphore(
  20. NULL, //安全属性
  21. MAX_COUNT_SEMAPHORE, //初始计数
  22. MAX_COUNT_SEMAPHORE, //最大计数
  23. NULL //信号名称
  24. );
  25. if (g_SemapHore == NULL)
  26. {
  27. std::cout << GetLastError() << std::endl;
  28. return 1;
  29. }
  30. for (size_t i = 0; i < 10; i++)
  31. {
  32. g_hThreadArr[i] = CreateThread(
  33. NULL,
  34. 0,
  35. WorkThread,
  36. (LPVOID)i,
  37. 0,
  38. NULL
  39. );
  40. }
  41. WaitForMultipleObjects(10, g_hThreadArr, TRUE, INFINITE);
  42. //closehandle
  43. return 0;
  44. }

Event

  • 在Windows编程中,事件是一种同步机制,用于在多个线程之间发送信号。事件对象可以是手动重置自动重置

    • 手动重置事件(Manual Reset Event):当事件被设置(signaled)后,它将保持这个状态直到显式地被重置。这意味着多个等待该事件的线程都可以在事件被重置之前被唤醒。

    • 自动重置事件(Auto Reset Event):当事件被一个等待的线程接收(signaled)后,系统会自动将事件状态重置为非信号状态(non-signaled)。这意味着每次只允许一个线程被唤醒。

  • 创建事件

    • 使用Windows API函数CreateEvent可以创建一个事件对象

    • lpEventAttributes:指向安全属性的指针,如果设置为NULL,则使用默认安全性。

    • bManualReset:如果为TRUE,则创建一个手动重置事件,否则创建自动重置事件。

    • bInitialState:如果为TRUE,则初始状态为信号状态;如果为FALSE,则为非信号状态。

    • lpName:事件的名称。

  • 设置事件(将事件状态设置为信号状态)使用SetEvent函数

  • 重置事件(将事件状态设置为非信号状态)使用ResetEvent函数

  • 等待事件 等待一个事件对象变为信号状态使用WaitForSingleObject函数

  1. #include <iostream>
  2. #include <Windows.h>
  3. DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
  4. {
  5. HANDLE hEvent = *(HANDLE*)lp;
  6. std::cout << "Thread - " << GetCurrentThreadId() << " Waiting For Event" << std::endl;
  7. WaitForSingleObject(hEvent, INFINITE);
  8. std::cout << "Thread - " << GetCurrentThreadId() << " actived" << std::endl;
  9. return 0;
  10. }
  11. int main()
  12. {
  13. HANDLE hThreads[3] = { 0 };
  14. HANDLE hEvent = NULL;
  15. hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);
  16. if (hEvent == NULL) return 0;
  17. for (size_t i = 0; i < 3; i++)
  18. {
  19. hThreads[i] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, &hEvent, 0, NULL);
  20. }
  21. Sleep(2000);
  22. SetEvent(hEvent);
  23. WaitForMultipleObjects(3, hThreads, TRUE, INFINITE);
  24. CloseHandle(hEvent);
  25. return 0;
  26. }