windows核心編程--線程的同步
線程的同步
由于同一進程的所有線程共享進程的虛擬地址空間,并且線程的中斷是匯編語言級的,所以可能會發(fā)生兩個線程同時訪問同一個對象(包括全局變量、共享資源、API函數和MFC對象等)的情況,這有可能導致程序錯誤。屬于不同進程的線程在同時訪問同一內存區(qū)域或共享資源時,也會存在同樣的問題。因此,在多線程應用程序中,常常需要采取一些措施來同步線程的執(zhí)行。
需要同步的情況包括以下幾種:
在多個線程同時訪問同一對象時,可能產生錯誤。例如,如果當一個線程正在讀取一個至關重要的共享緩沖區(qū)時,另一個線程向該緩沖區(qū)寫入數據,那么程序的運行結果就可能出錯。程序應該盡量避免多個線程同時訪問同一個緩沖區(qū)或系統資源。
在
Windows 95環(huán)境下編寫多線程應用程序還需要考慮重入問題。Windows NT是真正的32位操作系統,它解決了系統重入問題。而Windows 95由于繼承了Windows 3.x的部分16位代碼,沒能夠解決重入問題。這意味著在Windows 95中兩個線程不能同時執(zhí)行某個系統功能,否則有可能造成程序錯誤,甚至會造成系統崩潰。應用程序應該盡量避免發(fā)生兩個以上的線程同時調用同一個Windows API函數的情況。
由于大小和性能方面的原因,
MFC對象在對象級不是線程安全的,只有在類級才是。也就是說,兩個線程可以安全地使用兩個不同的CString對象,但同時使用同一個CString對象就可能產生問題。如果必須使用同一個對象,那么應該采取適當的同步措施。
多個線程之間需要協調運行。例如,如果第二個線程需要等待第一個線程完成到某一步時才能運行,那么該線程應該暫時掛起以減少對
CPU的占用時間,提高程序的執(zhí)行效率。當第一個線程完成了相應的步驟后,應該發(fā)出某種信號來激活第二個線程。
關鍵節(jié)和互鎖變量訪問
關鍵節(jié) (Critical Seciton) 與 mutex 的功能類似,但它只能由同一進程中的線程使用。關鍵節(jié)可以防止共享資源被同時訪問。
進程負責為關鍵節(jié)分配內存空間,關鍵節(jié)實際上是一個CRITICAL_SECTION型的變量,它一次只能被一個線程擁有。在線程使用關鍵節(jié)之前,必須調用InitializeCriticalSection函數將其初始化。如果線程中有一段關鍵的代碼不希望被別的線程中斷,那么可以調用EnterCriticalSection函數來申請關鍵節(jié)的所有權,在運行完關鍵代碼后再用LeaveCriticalSection函數來釋放所有權。如果在調用EnterCriticalSection時關鍵節(jié)對象已被另一個線程擁有,那么該函數將無限期等待所有權。
利用互鎖變量可以建立簡單有效的同步機制。使用函數InterlockedIncrement和InterlockedDecrement可以增加或減少多個線程共享的一個32位變量的值,并且可以檢查結果是否為0。線程不必擔心會被其它線程中斷而導致錯誤。如果變量位于共享內存中,那么不同進程中的線程也可以使用這種機制。
原子訪問
所謂原子訪問,是指線程在訪問資源時能夠確保所有其他線程都不在同一時間內訪問相同的資源?;ユi的函數家族:
LONG?InterlockedExchangeAdd(
???PLONG?plAddend,
???LONG?Increment);
這是個最簡單的函數了。只需調用這個函數,傳遞一個長變量地址,并指明將這個值遞增多少即可。但是這個函數能夠保證值的遞增以原子操作方式來完成。
LONG InterlockedExchange(PLONG plTarget,
LONG lValue);
PVOID InterlockedExchangePointer(PVOID* ppvTarget,
PVOID pvValue);
I n t e r l o c k e d E x c h a n g e和I n t e r l o c k e d E x c h a n g e P o i n t e r能夠以原子操作方式用第二個參數中傳遞的值來取代第一個參數中傳遞的當前值。
------------------------------以上為用戶方式同步,以下為內核方式同步---------------------------------
等待函數
等待函數可使線程自愿進入等待狀態(tài),直到一個特定的內核對象變?yōu)橐淹ㄖ獱顟B(tài)為止。
???
DWORD?WaitForSingleObject(HANDLE?hObject,
???DWORD?dwMilliseconds);
函數Wa i t F o r M u l t i p l e O b j e c t s與Wa i t F o r S i n g l e O b j e c t函數很相似,區(qū)別在于它允許調用線程同時查看若干個內核對象的已通知狀態(tài):
DWORD WaitForMultipleObjects(DWORD dwCount,
CONST HANDLE* phObjects,
BOOL fWaitAll,
DWORD dwMilliseconds);
同步對象
同步對象用來協調多線程的執(zhí)行,它可以被多個線程共享。線程的等待函數用同步對象的句柄作為參數,同步對象應該是所有要使用的線程都能訪問到的。同步對象的狀態(tài)要么是有信號的,要么是無信號的。同步對象主要有三種:事件、 mutex 和信號燈。
事件對象 (Event) 是最簡單的同步對象,它包括有信號和無信號兩種狀態(tài)。在線程訪問某一資源之前,也許需要等待某一事件的發(fā)生,這時用事件對象最合適。例如,只有在通信端口緩沖區(qū)收到數據后,監(jiān)視線程才被激活。
事件對象是用 CreateEvent 函數建立的。該函數可以指定事件對象的種類和事件的初始狀態(tài)。如果是手工重置事件,那么它總是保持有信號狀態(tài),直到用 ResetEvent 函數重置成無信號的事件。如果是自動重置事件,那么它的狀態(tài)在單個等待線程釋放后會自動變?yōu)闊o信號的。用 SetEvent 可以把事件對象設置成有信號狀態(tài)。在建立事件時,可以為對象起個名字,這樣其它進程中的線程可以用 OpenEvent 函數打開指定名字的事件對象句柄。
mutex對象的狀態(tài)在它不被任何線程擁有時是有信號的,而當它被擁有時則是無信號的。mutex對象很適合用來協調多個線程對共享資源的互斥訪問(mutually exclusive)。
線程用 CreateMutex 函數來建立 mutex 對象,在建立 mutex 時,可以為對象起個名字,這樣其它進程中的線程可以用 OpenMutex 函數打開指定名字的 mutex 對象句柄。在完成對共享資源的訪問后,線程可以調用 ReleaseMutex 來釋放 mutex ,以便讓別的線程能訪問共享資源。如果線程終止而不釋放 mutex ,則認為該 mutex 被廢棄。
信號燈對象維護一個從 0 開始的計數,在計數值大于 0 時對象是有信號的,而在計數值為 0 時則是無信號的。信號燈對象可用來限制對共享資源進行訪問的線程數量。線程用 CreateSemaphore 函數來建立信號燈對象,在調用該函數時,可以指定對象的初始計數和最大計數。在建立信號燈時也可以為對象起個名字,別的進程中的線程可以用 OpenSemaphore 函數打開指定名字的信號燈句柄。
一般把信號燈的初始計數設置成最大值。每次當信號燈有信號使等待函數返回時,信號燈計數就會減 1 ,而調用 ReleaseSemaphore 可以增加信號燈的計數。計數值越小就表明訪問共享資源的程序越多。
可用于同步的對象
對象
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描述
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變化通知
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由
FindFirstChangeNotification 函數建立,當在指定目錄中發(fā)生指定類型的變化時對象變成有信號的。
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控制臺輸入
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在控制臺建立是被創(chuàng)建。它是用
CONIN$ 調用 CreateFile 函數返回的句柄,或是 GetStdHandle 函數的返回句柄。如果控制臺輸入緩沖區(qū)中有數據,那么對象是有信號的,如果緩沖區(qū)為空,則對象是無信號的。
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進程
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當調用
CreateProcess 建立進程時被創(chuàng)建。進程在運行時對象是無信號的,當進程終止時對象是有信號的。
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線程
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當調用
Createprocess 、 CreateThread 或 CreateRemoteThread 函數創(chuàng)建新線程時被創(chuàng)建。在線程運行是對象是無信號的,在線程終止時則是有信號的。
|
另外,有時可以用文件或通信設備作為同步對象使用。
事件內核對象
讓我們觀察一個簡單的例子,以便說明如何使用事件內核對象對線程進行同步。下面就是這個代碼:
// Create a global handle to a manual-reset, nonsignaled event.
HANDLE g_hEvent;
int WINAPI WinMain(...)
{
//Create the manual-reset, nonsignaled event.
g_hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);
//Spawn 3 new threads.
HANDLE hThread[3];
DWORD dwThreadID;
hThread[0] = _beginthreadex(NULL, 0, WordCount, NULL, 0, &dwThreadID);
hThread[1] = _beginthreadex(NULL, 0, SpellCheck, NULL, 0, &dwThreadID);
hThread[2] = _beginthreadex(NULL, 0, GrammarCheck, NULL, 0, &dwThreadID);
OpenFileAndReadContentsIntoMemory(...);
//Allow all 3 threads to access the memory.
SetEvent(g_hEvent);
...
}
DWORD WINAPI WordCount(PVOID pvParam)
{
//Wait until the file's data is in memory.
WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);
//Access the memory block.
...
return(0);
}
DWORD WINAPI SpellCheck(PVOID pvParam)
{
//Wait until the file's data is in memory.
WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);
//Access the memory block.
...
return(0);
}
DWORD WINAPI GrammarCheck(PVOID pvParam)
{
//Wait until the file's data is in memory.
WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);
//Access the memory block.
...
return(0);
}
當這個進程啟動時,它創(chuàng)建一個人工重置的未通知狀態(tài)的事件,并且將句柄保存在一個全局變量中。這使得該進程中的其他線程能夠非常容易地訪問同一個事件對象?,F在3個線程已經產生。這些線程要等待文件的內容讀入內存,然后每個線程都要訪問它的數據。一個線程進行單詞計數,另一個線程運行拼寫檢查器,第三個線程運行語法檢查器。這3個線程函數的代碼的開始部分都相同,每個函數都調用Wa i t F o r S i n g l e O b j e c t,這將使線程暫停運行,直到文件的內容由主線程讀入內存為止。
一旦主線程將數據準備好,它就調用S e t E v e n t,給事件發(fā)出通知信號。這時,系統就使所有這3個輔助線程進入可調度狀態(tài),它們都獲得了C P U時間,并且可以訪問內存塊。注意,這3個線程都以只讀方式訪問內存。這就是所有3個線程能夠同時運行的唯一原因。還要注意,如何計算機上配有多個C P U,那么所有3個線程都能夠真正地同時運行,從而可以在很短的時間內完成大量的操作。
如果你使用自動重置的事件而不是人工重置的事件,那么應用程序的行為特性就有很大的差別。當主線程調用S e t E v e n t之后,系統只允許一個輔助線程變成可調度狀態(tài)。同樣,也無法保證系統將使哪個線程變?yōu)榭烧{度狀態(tài)。其余兩個輔助線程將繼續(xù)等待。
已經變?yōu)榭烧{度狀態(tài)的線程擁有對內存塊的獨占訪問權。讓我們重新編寫線程的函數,使得每個函數在返回前調用S e t E v e n t函數(就像Wi n M a i n函數所做的那樣)。這些線程函數現在變成下面的形式:
DWORD WINAPI WordCount(PVOID pvParam)
{
//Wait until the file's data is in memory.
WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);
//Access the memory block.
...
SetEvent(g_hEvent);
return(0);
}
DWORD WINAPI SpellCheck(PVOID pvParam)
{
//Wait until the file's data is in memory.
WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);
//Access the memory block.
...
SetEvent(g_hEvent);
return(0);
}
DWORD WINAPI GrammarCheck(PVOID pvParam)
{
//Wait until the file's data is in memory.
WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);
//Access the memory block.
...
SetEvent(g_hEvent);
return(0);
}
當線程完成它對數據的專門傳遞時,它就調用S e t E v e n t函數,該函數允許系統使得兩個正在等待的線程中的一個成為可調度線程。同樣,我們不知道系統將選擇哪個線程作為可調度線程,但是該線程將進行它自己的對內存塊的專門傳遞。當該線程完成操作時,它也將調用S e t E v e n t函數,使第三個即最后一個線程進行它自己的對內存塊的傳遞。注意,當使用自動重置事件時,如果每個輔助線程均以讀/寫方式訪問內存塊,那么就不會產生任何問題,這些線程將不再被要求將數據視為只讀數據。
等待定時器內核對象
等待定時器是在某個時間或按規(guī)定的間隔時間發(fā)出自己的信號通知的內核對象。它們通常用來在某個時間執(zhí)行某個操作。
若要創(chuàng)建等待定時器,只需要調用C r e a t e Wa i t a b l e Ti m e r函數:
HANDLE CreateWaitableTimer(
PSECURITY_ATTRIBUTES psa,
BOOL fManualReset,
PCTSTR pszName);
進程可以獲得它自己的與進程相關的現有等待定時器的句柄,方法是調用O p e n Wa i t a b l e Ti m e r函數:
HANDLE OpenWaitableTimer(
DWORD dwDesiredAccess,
BOOL bInheritHandle,
PCTSTR pszName);
當發(fā)出人工重置的定時器信號通知時,等待該定時器的所有線程均變?yōu)榭烧{度線程。當發(fā)出自動重置的定時器信號通知時,只有一個等待的線程變?yōu)榭烧{度線程。
等待定時器對象總是在未通知狀態(tài)中創(chuàng)建。必須調用S e t Wa i t a b l e Ti m e r函數來告訴定時器你想在何時讓它成為已通知狀態(tài):
BOOL SetWaitableTimer(
HANDLE hTimer,
const LARGE_INTEGER *pDueTime,
LONG lPeriod,
PTIMERAPCROUTINE pfnCompletionRoutine,
PVOID pvArgToCompletionRoutine,
BOOL fResume);
定時器函數外,最后還有一個C a n c e l Wa i t a b l e Ti m e r函數:
BOOL CancelWaitableTimer(HANDLE hTimer);
這個簡單的函數用于取出定時器的句柄并將它撤消,這樣,除非接著調用S e t Wa i t a b l e Ti m e r函數以便重新設置定時器,否則定時器決不會進行報時。
信標內核對象
信標內核對象用于對資源進行計數。它們與所有內核對象一樣,包含一個使用數量,但是它們也包含另外兩個帶符號的3 2位值,一個是最大資源數量,一個是當前資源數量。最大資源數量用于標識信標能夠控制的資源的最大數量,而當前資源數量則用于標識當前可以使用的資源的數量。
信標的使用規(guī)則如下:
? 如果當前資源的數量大于0,則發(fā)出信標信號。
? 如果當前資源數量是0,則不發(fā)出信標信號。
? 系統決不允許當前資源的數量為負值。
? 當前資源數量決不能大于最大資源數量。
下面的函數用于創(chuàng)建信標內核對象:
HANDLE CreateSemaphore(
PSECURITY_ATTRIBUTE psa,
LONG lInitialCount,
LONG lMaximumCount,
PCTSTR pszName);
通過調用O p e n S e m a p h o r e函數,另一個進程可以獲得它自己的進程與現有信標相關的句柄:
HANDLE OpenSemaphore(
DWORD fdwAccess,
BOOL bInheritHandle,
PCTSTR pszName);
通過調用R e l e a s e S e m a p h o r e函數,線程就能夠對信標的當前資源數量進行遞增:
BOOL ReleaseSemaphore(
HANDLE hsem,
LONG lReleaseCount,
PLONG plPreviousCount);
互斥對象內核對象
互斥對象(m u t e x)內核對象能夠確保線程擁有對單個資源的互斥訪問權。
互斥對象有許多用途,屬于最常用的內核對象之一。通常來說,它們用于保護由多個線程訪問的內存塊。如果多個線程要同時訪問內存塊,內存塊中的數據就可能遭到破壞。互斥對象能夠保證訪問內存塊的任何線程擁有對該內存塊的獨占訪問權,這樣就能夠保證數據的完整性。
互斥對象的使用規(guī)則如下:
? 如果線程I D是0(這是個無效I D),互斥對象不被任何線程所擁有,并且發(fā)出該互斥對象的通知信號。
? 如果I D是個非0數字,那么一個線程就擁有互斥對象,并且不發(fā)出該互斥對象的通知信號。
? 與所有其他內核對象不同, 互斥對象在操作系統中擁有特殊的代碼,允許它們違反正常的規(guī)則(后面將要介紹這個異常情況)。
若要使用互斥對象,必須有一個進程首先調用C r e a t e M u t e x,以便創(chuàng)建互斥對象:
HANDLE CreateMutex(
PSECURITY_ATTRIBUTES psa,
BOOL fInitialOwner,
PCTSTR pszName);
通過調用O p e n M u t e x,另一個進程可以獲得它自己進程與現有互斥對象相關的句柄:
HANDLE OpenMutex(
DWORD fdwAccess,
BOOL bInheritHandle,
PCTSTR pszName);
一旦線程成功地等待到一個互斥對象,該線程就知道它已經擁有對受保護資源的獨占訪問權。試圖訪問該資源的任何其他線程(通過等待相同的互斥對象)均被置于等待狀態(tài)中。當目前擁有對資源的訪問權的線程不再需要它的訪問權時,它必須調用R e l e a s e M u t e x函數來釋放該互斥對象:
BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex);
該函數將對象的遞歸計數器遞減1。
互斥對象與關鍵代碼段的比較
就等待線程的調度而言,互斥對象與關鍵代碼段之間有著相同的特性。但是它們在其他屬性方面卻各不相同。表9 - 1對它們進行了各方面的比較。
表9-1 互斥對象與關鍵代碼段的比較
特性
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互斥對象
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關鍵代碼段
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運行速度
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慢
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快
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是否能夠跨進程邊界來使用
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是
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否
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聲明
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HANDLE hmtx;
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CRITICAL_SECTION cs;
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初始化
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h m t x = C r e a t e M u t e x(N U L L,FA L S E,N U L L);
|
I n i t i a l i z e C r i t i c a l S e c t i o n ( & e s );
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清除
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C l o s e H a n d l e(h m t x);
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D e l e t e C r i t i c a l S e c t i o n(& c s);
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無限等待
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Wa i t F o r S i n g l e O b j e c t(h m t x , I N F I N I T E);
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E n t e r C r i t i c a l S e c t i o n(& c s);
|
0等待
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Wa i t F o r S i n g l e O b j e c t Tr y(h m t x , 0);
|
E n t e r C r i t i c a l S e c t i o n(& c s);
|
任意等待
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Wa i t F o r S i n g l e O b j e c t(h m t x , d w M i l l i s e c o n d s);
|
不能
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釋放
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R e l e a s e M u t e x(h m t x);
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L e a v e C r i t i c a l S e c t i o n(& c s);
|
是否能夠等待其他內核對象
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是(使用Wa i t F o r M u l t i p l e O b j e c t s或類似的函數)
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否
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線程同步對象速查表
內核對象與線程同步之間的相互關系
對象
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何時處于未通知狀態(tài)
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何時處于已通知狀態(tài)
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成功等待的副作用
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進程
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當進程仍然活動時
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當進程終止運行時(E x i t P r o c e s s,Te r m i n a t e P r o c e s s)
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無
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線程
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當線程仍然活動時
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當線程終止運行時(E x i t T h r e a d,Te r m i n a t e T h r e a d)
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無
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作業(yè)
|
當作業(yè)的時間尚未結束時
|
當作業(yè)的時間已經結束時
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無
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文件
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當I / O請求正在處理時
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當I / O請求處理完畢時
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無
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控制臺輸入
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不存在任何輸入
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當存在輸入時
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無
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文件修改通知
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沒有任何文件被修改
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當文件系統發(fā)現修改時
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重置通知
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自動重置事件
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R e s e t E v e n t , P u l s e - E v e n t或等待成功
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當調用S e t E v e n t / P u l s e E v e n t時
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重置事件
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人工重置事件
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R e s e t E v e n t或P u l s e E v e n t
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當調用S e t E v e n t / P u l s e E v e n t時
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無
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自動重置等待定時器
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C a n c e l Wa i t a b l e Ti m e r或等待成功
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當時間到時(S e t Wa i t a b l e Ti m e r)
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重置定時器
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人工重置等待定時器
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C a n c e l Wa i t a b l e Ti m e r
|
當時間到時(S e t Wa i t a b l e Ti m e r)
|
無
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信標
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等待成功
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當數量> 0時(R e l e a s e S e m a p h o r e)
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數量遞減1
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互斥對象
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等待成功
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當未被線程擁有時(R e l e a s e互斥對象)
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將所有權賦予線程
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關鍵代碼段(用戶方式)
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等待成功((Tr y)E n t e r C r i t i c a l S e c t i o n)
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當未被線程擁有時(L e a v e C r i t i c a l S e c t i o n)
|
將所有權賦予線程
|
其他的線程同步函數
1 異步設備I / O使得線程能夠啟動一個讀操作或寫操作,但是不必等待讀操作或寫操作完成。例如,如果線程需要將一個大文件裝入內存,那么該線程可以告訴系統將文件裝入內存。然后,當系統加載該文件時,該線程可以忙于執(zhí)行其他任務,如創(chuàng)建窗口、對內部數據結構進行初始化等等。當初始化操作完成時,該線程可以終止自己的運行,等待系統通知它文件已經讀取。
2 線程也可以調用Wa i t F o r I n p u t I d l e來終止自己的運行:
DWORD WaitForInputIdle(
HANDLE hProcess,
DWORD dwMilliseconds);
該函數將一直處于等待狀態(tài),直到h P r o c e s s標識的進程在創(chuàng)建應用程序的第一個窗口的線程中已經沒有尚未處理的輸入為止。這個函數可以用于父進程。父進程產生子進程,以便執(zhí)行某些操作。
3 線程可以調用M s g Wa i t F o r M u l t i p l e O b j e c t s或M s g Wa i t F o r M u l t i p l e O b j e c t s E x函數,讓線程等待它自己的消息:
DWORD MsgWaitForMultipleObjects(
DWORD dwCount,
PHANDLE phObjects,
BOOL fWaitAll,
DWORD dwMilliseconds,
DWORD dwWakeMask);
DWORD MsgWaitForMultipleObjectsEx(
DWORD dwCount,
PHANDLE phObjects,
DWORD dwMilliseconds,
DWORD dwWakeMask,
DWORD dwFlags);
這些函數與Wa i t F o r M u l t i p l e O b j e c t s函數十分相似。差別在于它們允許線程在內核對象變成已通知狀態(tài)或窗口消息需要調度到調用線程創(chuàng)建的窗口中時被調度。
4 Wi n d o w s將非常出色的調試支持特性內置于操作系統之中。當調試程序啟動運行時,它將自己附加給一個被調試程序。該調試程序只需閑置著,等待操作系統將與被調試程序相關的調試事件通知它。調試程序通過調用Wa i t F o r D e b u g E v e n t函數來等待這些事件的發(fā)生:
BOOL WaitForDebugEvent(
PDEBUG_EVENT pde,
DWORD dwMilliseconds);
當調試程序調用該函數時,調試程序的線程終止運行,系統將調試事件已經發(fā)生的情況通知調試程序,方法是允許調用的Wa i t F o r D e b u g E v e n t函數返回。
5 S i n g l e O b j e c t A n d Wa i t函數用于在單個原子方式的操作中發(fā)出關于內核對象的通知并等待另一個內核對象:
DWORD SingleObjectAndWait(
HANDLE hObjectToSignal,
HANDLE hObjectToWaitOn,
DWORD dwMilliseconds,
BOOL fAlertable);
posted on 2006-10-13 19:47
Jerry Cat 閱讀(538)
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