摘要： 多線程同步技術(shù)是計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)，本文對(duì)多線程的各種同步技術(shù)的原理和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了初步探討。

關(guān)鍵詞： VC++6.0； 線程同步；臨界區(qū)；事件；互斥；信號(hào)量；

正文

使線程同步

　　在程序中使用多線程時(shí)，一般很少有多個(gè)線程能在其生命期內(nèi)進(jìn)行完全獨(dú)立的操作。更多的情況是一些線程進(jìn)行某些處理操作，而其他的線程必須對(duì)其處理結(jié)果進(jìn)行了解。正常情況下對(duì)這種處理結(jié)果的了解應(yīng)當(dāng)在其處理任務(wù)完成后進(jìn)行。

　　如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧渌€程往往會(huì)在線程處理任務(wù)結(jié)束前就去訪問(wèn)處理結(jié)果，這就很有可能得到有關(guān)處理結(jié)果的錯(cuò)誤了解。例如，多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)全局變量，如果都是讀取操作，則不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。如果一個(gè)線程負(fù)責(zé)改變此變量的值，而其他線程負(fù)責(zé)同時(shí)讀取變量?jī)?nèi)容，則不能保證讀取到的數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)寫(xiě)線程修改后的。

　　為了確保讀線程讀取到的是經(jīng)過(guò)修改的變量，就必須在向變量寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)禁止其他線程對(duì)其的任何訪問(wèn)，直至賦值過(guò)程結(jié)束后再解除對(duì)其他線程的訪問(wèn)限制。象這種保證線程能了解其他線程任務(wù)處理結(jié)束后的處理結(jié)果而采取的保護(hù)措施即為線程同步。

　　線程同步是一個(gè)非常大的話題，包括方方面面的內(nèi)容。從大的方面講，線程的同步可分用戶模式的線程同步和內(nèi)核對(duì)象的線程同步兩大類。用戶模式中線程的同步方法主要有原子訪問(wèn)和臨界區(qū)等方法。其特點(diǎn)是同步速度特別快，適合于對(duì)線程運(yùn)行速度有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。

　　內(nèi)核對(duì)象的線程同步則主要由事件、等待定時(shí)器、信號(hào)量以及信號(hào)燈等內(nèi)核對(duì)象構(gòu)成。由于這種同步機(jī)制使用了內(nèi)核對(duì)象，使用時(shí)必須將線程從用戶模式切換到內(nèi)核模式，而這種轉(zhuǎn)換一般要耗費(fèi)近千個(gè)CPU周期，因此同步速度較慢，但在適用性上卻要遠(yuǎn)優(yōu)于用戶模式的線程同步方式。

臨界區(qū)

　　臨界區(qū)（Critical Section）是一段獨(dú)占對(duì)某些共享資源訪問(wèn)的代碼，在任意時(shí)刻只允許一個(gè)線程對(duì)共享資源進(jìn)行訪問(wèn)。如果有多個(gè)線程試圖同時(shí)訪問(wèn)臨界區(qū)，那么在有一個(gè)線程進(jìn)入后其他所有試圖訪問(wèn)此臨界區(qū)的線程將被掛起，并一直持續(xù)到進(jìn)入臨界區(qū)的線程離開(kāi)。臨界區(qū)在被釋放后，其他線程可以繼續(xù)搶占，并以此達(dá)到用原子方式操作共享資源的目的。

　　臨界區(qū)在使用時(shí)以CRITICAL_SECTION結(jié)構(gòu)對(duì)象保護(hù)共享資源，并分別用EnterCriticalSection（）和LeaveCriticalSection（）函數(shù)去標(biāo)識(shí)和釋放一個(gè)臨界區(qū)。所用到的CRITICAL_SECTION結(jié)構(gòu)對(duì)象必須經(jīng)過(guò)InitializeCriticalSection（）的初始化后才能使用，而且必須確保所有線程中的任何試圖訪問(wèn)此共享資源的代碼都處在此臨界區(qū)的保護(hù)之下。否則臨界區(qū)將不會(huì)起到應(yīng)有的作用，共享資源依然有被破壞的可能。

圖1 使用臨界區(qū)保持線程同步

下面通過(guò)一段代碼展示了臨界區(qū)在保護(hù)多線程訪問(wèn)的共享資源中的作用。通過(guò)兩個(gè)線程來(lái)分別對(duì)全局變量g_cArray[10]進(jìn)行寫(xiě)入操作，用臨界區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)象g_cs來(lái)保持線程的同步，并在開(kāi)啟線程前對(duì)其進(jìn)行初始化。為了使實(shí)驗(yàn)效果更加明顯，體現(xiàn)出臨界區(qū)的作用，在線程函數(shù)對(duì)共享資源g_cArray[10]的寫(xiě)入時(shí)，以Sleep（）函數(shù)延遲1毫秒，使其他線程同其搶占CPU的可能性增大。如果不使用臨界區(qū)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，則共享資源數(shù)據(jù)將被破壞（參見(jiàn)圖1（a）所示計(jì)算結(jié)果），而使用臨界區(qū)對(duì)線程保持同步后則可以得到正確的結(jié)果（參見(jiàn)圖1（b）所示計(jì)算結(jié)果）。代碼實(shí)現(xiàn)清單附下：

// 臨界區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)象 CRITICAL_SECTION g_cs; // 共享資源 char g_cArray[10]; UINT ThreadProc10(LPVOID pParam) { 　// 進(jìn)入臨界區(qū) 　EnterCriticalSection(&g_cs); 　// 對(duì)共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作 　for (int i = 0; i < 10; i++) 　{ 　　g_cArray[i] = 'a'; 　　Sleep(1); 　} 　// 離開(kāi)臨界區(qū) 　LeaveCriticalSection(&g_cs); 　return 0; } UINT ThreadProc11(LPVOID pParam) { 　// 進(jìn)入臨界區(qū) 　EnterCriticalSection(&g_cs); 　// 對(duì)共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作 　for (int i = 0; i < 10; i++) 　{ 　　g_cArray[10 - i - 1] = 'b'; 　　Sleep(1); 　} 　// 離開(kāi)臨界區(qū) 　LeaveCriticalSection(&g_cs); 　return 0; } …… void CSample08View::OnCriticalSection() { 　// 初始化臨界區(qū) 　InitializeCriticalSection(&g_cs); 　// 啟動(dòng)線程 　AfxBeginThread(ThreadProc10, NULL); 　AfxBeginThread(ThreadProc11, NULL); 　// 等待計(jì)算完畢 　Sleep(300); 　// 報(bào)告計(jì)算結(jié)果 　CString sResult = CString(g_cArray); 　AfxMessageBox(sResult); }

　　在使用臨界區(qū)時(shí)，一般不允許其運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，只要進(jìn)入臨界區(qū)的線程還沒(méi)有離開(kāi)，其他所有試圖進(jìn)入此臨界區(qū)的線程都會(huì)被掛起而進(jìn)入到等待狀態(tài)，并會(huì)在一定程度上影響。程序的運(yùn)行性能。尤其需要注意的是不要將等待用戶輸入或是其他一些外界干預(yù)的操作包含到臨界區(qū)。如果進(jìn)入了臨界區(qū)卻一直沒(méi)有釋放，同樣也會(huì)引起其他線程的長(zhǎng)時(shí)間等待。換句話說(shuō)，在執(zhí)行了EnterCriticalSection（）語(yǔ)句進(jìn)入臨界區(qū)后無(wú)論發(fā)生什么，必須確保與之匹配的LeaveCriticalSection（）都能夠被執(zhí)行到。可以通過(guò)添加結(jié)構(gòu)化異常處理代碼來(lái)確保LeaveCriticalSection（）語(yǔ)句的執(zhí)行。雖然臨界區(qū)同步速度很快，但卻只能用來(lái)同步本進(jìn)程內(nèi)的線程，而不可用來(lái)同步多個(gè)進(jìn)程中的線程。

　　MFC為臨界區(qū)提供有一個(gè)CCriticalSection類，使用該類進(jìn)行線程同步處理是非常簡(jiǎn)單的，只需在線程函數(shù)中用CCriticalSection類成員函數(shù)Lock（）和UnLock（）標(biāo)定出被保護(hù)代碼片段即可。對(duì)于上述代碼，可通過(guò)CCriticalSection類將其改寫(xiě)如下：

// MFC臨界區(qū)類對(duì)象 CCriticalSection g_clsCriticalSection; // 共享資源 char g_cArray[10]; UINT ThreadProc20(LPVOID pParam) { 　// 進(jìn)入臨界區(qū) 　g_clsCriticalSection.Lock(); 　// 對(duì)共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作 　for (int i = 0; i < 10; i++) 　{ 　　g_cArray[i] = 'a'; 　　Sleep(1); 　} 　// 離開(kāi)臨界區(qū) 　g_clsCriticalSection.Unlock(); 　return 0; } UINT ThreadProc21(LPVOID pParam) { 　// 進(jìn)入臨界區(qū) 　g_clsCriticalSection.Lock(); 　// 對(duì)共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作 　for (int i = 0; i < 10; i++) 　{ 　　g_cArray[10 - i - 1] = 'b'; 　　Sleep(1); 　} 　// 離開(kāi)臨界區(qū) 　g_clsCriticalSection.Unlock(); 　return 0; } …… void CSample08View::OnCriticalSectionMfc() { 　// 啟動(dòng)線程 　AfxBeginThread(ThreadProc20, NULL); 　AfxBeginThread(ThreadProc21, NULL); 　// 等待計(jì)算完畢 　Sleep(300); 　// 報(bào)告計(jì)算結(jié)果 　CString sResult = CString(g_cArray); 　AfxMessageBox(sResult); }

管理事件內(nèi)核對(duì)象

　　在前面講述線程通信時(shí)曾使用過(guò)事件內(nèi)核對(duì)象來(lái)進(jìn)行線程間的通信，除此之外，事件內(nèi)核對(duì)象也可以通過(guò)通知操作的方式來(lái)保持線程的同步。對(duì)于前面那段使用臨界區(qū)保持線程同步的代碼可用事件對(duì)象的線程同步方法改寫(xiě)如下：

// 事件句柄 HANDLE hEvent = NULL; // 共享資源 char g_cArray[10]; …… UINT ThreadProc12(LPVOID pParam) { 　// 等待事件置位 　WaitForSingleObject(hEvent, INFINITE); 　// 對(duì)共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作 　for (int i = 0; i < 10; i++) 　{ 　　g_cArray[i] = 'a'; 　　Sleep(1); 　} 　// 處理完成后即將事件對(duì)象置位 　SetEvent(hEvent); 　return 0; } UINT ThreadProc13(LPVOID pParam) { 　// 等待事件置位 　WaitForSingleObject(hEvent, INFINITE); 　// 對(duì)共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作 　for (int i = 0; i < 10; i++) 　{ 　　g_cArray[10 - i - 1] = 'b'; 　　Sleep(1); 　} 　// 處理完成后即將事件對(duì)象置位 　SetEvent(hEvent); 　return 0; } …… void CSample08View::OnEvent() { 　// 創(chuàng)建事件 　hEvent = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL); 　// 事件置位 　SetEvent(hEvent); 　// 啟動(dòng)線程 　AfxBeginThread(ThreadProc12, NULL); 　AfxBeginThread(ThreadProc13, NULL); 　// 等待計(jì)算完畢 　Sleep(300); 　// 報(bào)告計(jì)算結(jié)果 　CString sResult = CString(g_cArray); 　AfxMessageBox(sResult); }

　　在創(chuàng)建線程前，首先創(chuàng)建一個(gè)可以自動(dòng)復(fù)位的事件內(nèi)核對(duì)象hEvent，而線程函數(shù)則通過(guò)WaitForSingleObject（）等待函數(shù)無(wú)限等待hEvent的置位，只有在事件置位時(shí)WaitForSingleObject（）才會(huì)返回，被保護(hù)的代碼將得以執(zhí)行。對(duì)于以自動(dòng)復(fù)位方式創(chuàng)建的事件對(duì)象，在其置位后一被WaitForSingleObject（）等待到就會(huì)立即復(fù)位，也就是說(shuō)在執(zhí)行ThreadProc12（）中的受保護(hù)代碼時(shí)，事件對(duì)象已經(jīng)是復(fù)位狀態(tài)的，這時(shí)即使有ThreadProc13（）對(duì)CPU的搶占，也會(huì)由于WaitForSingleObject（）沒(méi)有hEvent的置位而不能繼續(xù)執(zhí)行，也就沒(méi)有可能破壞受保護(hù)的共享資源。在ThreadProc12（）中的處理完成后可以通過(guò)SetEvent（）對(duì)hEvent的置位而允許ThreadProc13（）對(duì)共享資源g_cArray的處理。這里SetEvent（）所起的作用可以看作是對(duì)某項(xiàng)特定任務(wù)完成的通知。

　　使用臨界區(qū)只能同步同一進(jìn)程中的線程，而使用事件內(nèi)核對(duì)象則可以對(duì)進(jìn)程外的線程進(jìn)行同步，其前提是得到對(duì)此事件對(duì)象的訪問(wèn)權(quán)。可以通過(guò)OpenEvent（）函數(shù)獲取得到，其函數(shù)原型為：

HANDLE OpenEvent( 　DWORD dwDesiredAccess, // 訪問(wèn)標(biāo)志 　BOOL bInheritHandle, // 繼承標(biāo)志 　LPCTSTR lpName // 指向事件對(duì)象名的指針 );

　　如果事件對(duì)象已創(chuàng)建（在創(chuàng)建事件時(shí)需要指定事件名），函數(shù)將返回指定事件的句柄。對(duì)于那些在創(chuàng)建事件時(shí)沒(méi)有指定事件名的事件內(nèi)核對(duì)象，可以通過(guò)使用內(nèi)核對(duì)象的繼承性或是調(diào)用DuplicateHandle（）函數(shù)來(lái)調(diào)用CreateEvent（）以獲得對(duì)指定事件對(duì)象的訪問(wèn)權(quán)。在獲取到訪問(wèn)權(quán)后所進(jìn)行的同步操作與在同一個(gè)進(jìn)程中所進(jìn)行的線程同步操作是一樣的。

　　如果需要在一個(gè)線程中等待多個(gè)事件，則用WaitForMultipleObjects（）來(lái)等待。WaitForMultipleObjects（）與WaitForSingleObject（）類似，同時(shí)監(jiān)視位于句柄數(shù)組中的所有句柄。這些被監(jiān)視對(duì)象的句柄享有平等的優(yōu)先權(quán)，任何一個(gè)句柄都不可能比其他句柄具有更高的優(yōu)先權(quán)。WaitForMultipleObjects（）的函數(shù)原型為：

DWORD WaitForMultipleObjects( 　DWORD nCount, // 等待句柄數(shù) 　CONST HANDLE *lpHandles, // 句柄數(shù)組首地址 　BOOL fWaitAll, // 等待標(biāo)志 　DWORD dwMilliseconds // 等待時(shí)間間隔 );

　　參數(shù)nCount指定了要等待的內(nèi)核對(duì)象的數(shù)目，存放這些內(nèi)核對(duì)象的數(shù)組由lpHandles來(lái)指向。fWaitAll對(duì)指定的這nCount個(gè)內(nèi)核對(duì)象的兩種等待方式進(jìn)行了指定，為T(mén)RUE時(shí)當(dāng)所有對(duì)象都被通知時(shí)函數(shù)才會(huì)返回，為FALSE則只要其中任何一個(gè)得到通知就可以返回。dwMilliseconds在飫锏淖饔糜朐赪aitForSingleObject（）中的作用是完全一致的。如果等待超時(shí)，函數(shù)將返回WAIT_TIMEOUT。如果返回WAIT_OBJECT_0到WAIT_OBJECT_0+nCount-1中的某個(gè)值，則說(shuō)明所有指定對(duì)象的狀態(tài)均為已通知狀態(tài)（當(dāng)fWaitAll為T(mén)RUE時(shí)）或是用以減去WAIT_OBJECT_0而得到發(fā)生通知的對(duì)象的索引（當(dāng)fWaitAll為FALSE時(shí)）。如果返回值在WAIT_ABANDONED_0與WAIT_ABANDONED_0+nCount-1之間，則表示所有指定對(duì)象的狀態(tài)均為已通知，且其中至少有一個(gè)對(duì)象是被丟棄的互斥對(duì)象（當(dāng)fWaitAll為T(mén)RUE時(shí)），或是用以減去WAIT_OBJECT_0表示一個(gè)等待正常結(jié)束的互斥對(duì)象的索引（當(dāng)fWaitAll為FALSE時(shí)）。 下面給出的代碼主要展示了對(duì)WaitForMultipleObjects（）函數(shù)的使用。通過(guò)對(duì)兩個(gè)事件內(nèi)核對(duì)象的等待來(lái)控制線程任務(wù)的執(zhí)行與中途退出：

// 存放事件句柄的數(shù)組 HANDLE hEvents[2]; UINT ThreadProc14(LPVOID pParam) { 　// 等待開(kāi)啟事件 　DWORD dwRet1 = WaitForMultipleObjects(2, hEvents, FALSE, INFINITE); 　// 如果開(kāi)啟事件到達(dá)則線程開(kāi)始執(zhí)行任務(wù) 　if (dwRet1 == WAIT_OBJECT_0) 　{ 　　AfxMessageBox("線程開(kāi)始工作!"); 　　while (true) 　　{ 　　　for (int i = 0; i < 10000; i++); 　　　// 在任務(wù)處理過(guò)程中等待結(jié)束事件 　　　DWORD dwRet2 = WaitForMultipleObjects(2, hEvents, FALSE, 0); 　　　// 如果結(jié)束事件置位則立即終止任務(wù)的執(zhí)行 　　　if (dwRet2 == WAIT_OBJECT_0 + 1) 　　　　break; 　　} 　} 　AfxMessageBox("線程退出!"); 　return 0; } …… void CSample08View::OnStartEvent() { 　// 創(chuàng)建線程 　for (int i = 0; i < 2; i++) 　　hEvents[i] = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL); 　　// 開(kāi)啟線程 　　AfxBeginThread(ThreadProc14, NULL); 　　// 設(shè)置事件0(開(kāi)啟事件) 　　SetEvent(hEvents[0]); } void CSample08View::OnEndevent() { 　// 設(shè)置事件1(結(jié)束事件) 　SetEvent(hEvents[1]); }

　　MFC為事件相關(guān)處理也提供了一個(gè)CEvent類，共包含有除構(gòu)造函數(shù)外的4個(gè)成員函數(shù)PulseEvent（）、ResetEvent（）、SetEvent（）和UnLock（）。在功能上分別相當(dāng)與Win32 API的PulseEvent（）、ResetEvent（）、SetEvent（）和CloseHandle（）等函數(shù)。而構(gòu)造函數(shù)則履行了原CreateEvent（）函數(shù)創(chuàng)建事件對(duì)象的職責(zé)，其函數(shù)原型為：

CEvent(BOOL bInitiallyOwn = FALSE, BOOL bManualReset = FALSE, LPCTSTR lpszName = NULL, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsaAttribute = NULL );

　　按照此缺省設(shè)置將創(chuàng)建一個(gè)自動(dòng)復(fù)位、初始狀態(tài)為復(fù)位狀態(tài)的沒(méi)有名字的事件對(duì)象。封裝后的CEvent類使用起來(lái)更加方便，圖2即展示了CEvent類對(duì)A、B兩線程的同步過(guò)程：

圖2 CEvent類對(duì)線程的同步過(guò)程示意

B線程在執(zhí)行到CEvent類成員函數(shù)Lock（）時(shí)將會(huì)發(fā)生阻塞，而A線程此時(shí)則可以在沒(méi)有B線程干擾的情況下對(duì)共享資源進(jìn)行處理，并在處理完成后通過(guò)成員函數(shù)SetEvent（）向B發(fā)出事件，使其被釋放，得以對(duì)A先前已處理完畢的共享資源進(jìn)行操作。可見(jiàn)，使用CEvent類對(duì)線程的同步方法與通過(guò)API函數(shù)進(jìn)行線程同步的處理方法是基本一致的。前面的API處理代碼可用CEvent類將其改寫(xiě)為：

// MFC事件類對(duì)象 CEvent g_clsEvent; UINT ThreadProc22(LPVOID pParam) { 　// 對(duì)共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作 　for (int i = 0; i < 10; i++) 　{ 　　g_cArray[i] = 'a'; 　　Sleep(1); 　} 　// 事件置位 　g_clsEvent.SetEvent(); 　return 0; } UINT ThreadProc23(LPVOID pParam) { 　// 等待事件 　g_clsEvent.Lock(); 　// 對(duì)共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作 　for (int i = 0; i < 10; i++) 　{ 　　g_cArray[10 - i - 1] = 'b'; 　　Sleep(1); 　} 　return 0; } …… void CSample08View::OnEventMfc() { 　// 啟動(dòng)線程 　AfxBeginThread(ThreadProc22, NULL); 　AfxBeginThread(ThreadProc23, NULL); 　// 等待計(jì)算完畢 　Sleep(300); 　// 報(bào)告計(jì)算結(jié)果 　CString sResult = CString(g_cArray); 　AfxMessageBox(sResult); } ?

　　信號(hào)量?jī)?nèi)核對(duì)象

　　信號(hào)量（Semaphore）內(nèi)核對(duì)象對(duì)線程的同步方式與前面幾種方法不同，它允許多個(gè)線程在同一時(shí)刻訪問(wèn)同一資源，但是需要限制在同一時(shí)刻訪問(wèn)此資源的最大線程數(shù)目。在用CreateSemaphore（）創(chuàng)建信號(hào)量時(shí)即要同時(shí)指出允許的最大資源計(jì)數(shù)和當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)。一般是將當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)設(shè)置為最大資源計(jì)數(shù)，每增加一個(gè)線程對(duì)共享資源的訪問(wèn)，當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)就會(huì)減1，只要當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)是大于0的，就可以發(fā)出信號(hào)量信號(hào)。但是當(dāng)前可用計(jì)數(shù)減小到0時(shí)則說(shuō)明當(dāng)前占用資源的線程數(shù)已經(jīng)達(dá)到了所允許的最大數(shù)目，不能在允許其他線程的進(jìn)入，此時(shí)的信號(hào)量信號(hào)將無(wú)法發(fā)出。線程在處理完共享資源后，應(yīng)在離開(kāi)的同時(shí)通過(guò)ReleaseSemaphore（）函數(shù)將當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)加1。在任何時(shí)候當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)決不可能大于最大資源計(jì)數(shù)。

圖3 使用信號(hào)量對(duì)象控制資源

下面結(jié)合圖例3來(lái)演示信號(hào)量對(duì)象對(duì)資源的控制。在圖3中，以箭頭和白色箭頭表示共享資源所允許的最大資源計(jì)數(shù)和當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)。初始如圖（a）所示，最大資源計(jì)數(shù)和當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)均為4，此后每增加一個(gè)對(duì)資源進(jìn)行訪問(wèn)的線程（用黑色箭頭表示）當(dāng)前資源計(jì)數(shù)就會(huì)相應(yīng)減1，圖（b）即表示的在3個(gè)線程對(duì)共享資源進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)的狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入線程數(shù)達(dá)到4個(gè)時(shí)，將如圖（c）所示，此時(shí)已達(dá)到最大資源計(jì)數(shù)，而當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)也已減到0，其他線程無(wú)法對(duì)共享資源進(jìn)行訪問(wèn)。在當(dāng)前占有資源的線程處理完畢而退出后，將會(huì)釋放出空間，圖（d）已有兩個(gè)線程退出對(duì)資源的占有，當(dāng)前可用計(jì)數(shù)為2，可以再允許2個(gè)線程進(jìn)入到對(duì)資源的處理。可以看出，信號(hào)量是通過(guò)計(jì)數(shù)來(lái)對(duì)線程訪問(wèn)資源進(jìn)行控制的，而實(shí)際上信號(hào)量確實(shí)也被稱作Dijkstra計(jì)數(shù)器。

　　使用信號(hào)量?jī)?nèi)核對(duì)象進(jìn)行線程同步主要會(huì)用到CreateSemaphore（）、OpenSemaphore（）、ReleaseSemaphore（）、WaitForSingleObject（）和WaitForMultipleObjects（）等函數(shù)。其中，CreateSemaphore（）用來(lái)創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量?jī)?nèi)核對(duì)象，其函數(shù)原型為：

HANDLE CreateSemaphore( 　LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, // 安全屬性指針 　LONG lInitialCount, // 初始計(jì)數(shù) 　LONG lMaximumCount, // 最大計(jì)數(shù) 　LPCTSTR lpName // 對(duì)象名指針 );

　　參數(shù)lMaximumCount是一個(gè)有符號(hào)32位值，定義了允許的最大資源計(jì)數(shù)，最大取值不能超過(guò)4294967295。lpName參數(shù)可以為創(chuàng)建的信號(hào)量定義一個(gè)名字，由于其創(chuàng)建的是一個(gè)內(nèi)核對(duì)象，因此在其他進(jìn)程中可以通過(guò)該名字而得到此信號(hào)量。OpenSemaphore（）函數(shù)即可用來(lái)根據(jù)信號(hào)量名打開(kāi)在其他進(jìn)程中創(chuàng)建的信號(hào)量，函數(shù)原型如下：

HANDLE OpenSemaphore( 　DWORD dwDesiredAccess, // 訪問(wèn)標(biāo)志 　BOOL bInheritHandle, // 繼承標(biāo)志 　LPCTSTR lpName // 信號(hào)量名 );

　　在線程離開(kāi)對(duì)共享資源的處理時(shí)，必須通過(guò)ReleaseSemaphore（）來(lái)增加當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)。否則將會(huì)出現(xiàn)當(dāng)前正在處理共享資源的實(shí)際線程數(shù)并沒(méi)有達(dá)到要限制的數(shù)值，而其他線程卻因?yàn)楫?dāng)前可用資源計(jì)數(shù)為0而仍無(wú)法進(jìn)入的情況。ReleaseSemaphore（）的函數(shù)原型為：

BOOL ReleaseSemaphore( 　HANDLE hSemaphore, // 信號(hào)量句柄 　LONG lReleaseCount, // 計(jì)數(shù)遞增數(shù)量 　LPLONG lpPreviousCount // 先前計(jì)數(shù) );

　　該函數(shù)將lReleaseCount中的值添加給信號(hào)量的當(dāng)前資源計(jì)數(shù)，一般將lReleaseCount設(shè)置為1，如果需要也可以設(shè)置其他的值。WaitForSingleObject（）和WaitForMultipleObjects（）主要用在試圖進(jìn)入共享資源的線程函數(shù)入口處，主要用來(lái)判斷信號(hào)量的當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)是否允許本線程的進(jìn)入。只有在當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)值大于0時(shí)，被監(jiān)視的信號(hào)量?jī)?nèi)核對(duì)象才會(huì)得到通知。

　　信號(hào)量的使用特點(diǎn)使其更適用于對(duì)Socket（套接字）程序中線程的同步。例如，網(wǎng)絡(luò)上的HTTP服務(wù)器要對(duì)同一時(shí)間內(nèi)訪問(wèn)同一頁(yè)面的用戶數(shù)加以限制，這時(shí)可以為沒(méi)一個(gè)用戶對(duì)服務(wù)器的頁(yè)面請(qǐng)求設(shè)置一個(gè)線程，而頁(yè)面則是待保護(hù)的共享資源，通過(guò)使用信號(hào)量對(duì)線程的同步作用可以確保在任一時(shí)刻無(wú)論有多少用戶對(duì)某一頁(yè)面進(jìn)行訪問(wèn)，只有不大于設(shè)定的最大用戶數(shù)目的線程能夠進(jìn)行訪問(wèn)，而其他的訪問(wèn)企圖則被掛起，只有在有用戶退出對(duì)此頁(yè)面的訪問(wèn)后才有可能進(jìn)入。下面給出的示例代碼即展示了類似的處理過(guò)程：

// 信號(hào)量對(duì)象句柄 HANDLE hSemaphore; UINT ThreadProc15(LPVOID pParam) { 　// 試圖進(jìn)入信號(hào)量關(guān)口 　WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE); 　// 線程任務(wù)處理 　AfxMessageBox("線程一正在執(zhí)行!"); 　// 釋放信號(hào)量計(jì)數(shù) 　ReleaseSemaphore(hSemaphore, 1, NULL); 　return 0; } UINT ThreadProc16(LPVOID pParam) { 　// 試圖進(jìn)入信號(hào)量關(guān)口 　WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE); 　// 線程任務(wù)處理 　AfxMessageBox("線程二正在執(zhí)行!"); 　// 釋放信號(hào)量計(jì)數(shù) 　ReleaseSemaphore(hSemaphore, 1, NULL); 　return 0; } UINT ThreadProc17(LPVOID pParam) { 　// 試圖進(jìn)入信號(hào)量關(guān)口 　WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE); 　// 線程任務(wù)處理 　AfxMessageBox("線程三正在執(zhí)行!"); 　// 釋放信號(hào)量計(jì)數(shù) 　ReleaseSemaphore(hSemaphore, 1, NULL); 　return 0; } …… void CSample08View::OnSemaphore() { 　// 創(chuàng)建信號(hào)量對(duì)象 　hSemaphore = CreateSemaphore(NULL, 2, 2, NULL); 　// 開(kāi)啟線程 　AfxBeginThread(ThreadProc15, NULL); 　AfxBeginThread(ThreadProc16, NULL); 　AfxBeginThread(ThreadProc17, NULL); }

圖4 開(kāi)始進(jìn)入的兩個(gè)線程

圖5 線程二退出后線程三才得以進(jìn)入

上述代碼在開(kāi)啟線程前首先創(chuàng)建了一個(gè)初始計(jì)數(shù)和最大資源計(jì)數(shù)均為2的信號(hào)量對(duì)象hSemaphore。即在同一時(shí)刻只允許2個(gè)線程進(jìn)入由hSemaphore保護(hù)的共享資源。隨后開(kāi)啟的三個(gè)線程均試圖訪問(wèn)此共享資源，在前兩個(gè)線程試圖訪問(wèn)共享資源時(shí)，由于hSemaphore的當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)分別為2和1，此時(shí)的hSemaphore是可以得到通知的，也就是說(shuō)位于線程入口處的WaitForSingleObject（）將立即返回，而在前兩個(gè)線程進(jìn)入到保護(hù)區(qū)域后，hSemaphore的當(dāng)前資源計(jì)數(shù)減少到0，hSemaphore將不再得到通知，WaitForSingleObject（）將線程掛起。直到此前進(jìn)入到保護(hù)區(qū)的線程退出后才能得以進(jìn)入。圖4和圖5為上述代脈的運(yùn)行結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，信號(hào)量始終保持了同一時(shí)刻不超過(guò)2個(gè)線程的進(jìn)入。

　　在MFC中，通過(guò)CSemaphore類對(duì)信號(hào)量作了表述。該類只具有一個(gè)構(gòu)造函數(shù)，可以構(gòu)造一個(gè)信號(hào)量對(duì)象，并對(duì)初始資源計(jì)數(shù)、最大資源計(jì)數(shù)、對(duì)象名和安全屬性等進(jìn)行初始化，其原型如下：

CSemaphore( LONG lInitialCount = 1, LONG lMaxCount = 1, LPCTSTR pstrName = NULL, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsaAttributes = NULL );

　　在構(gòu)造了CSemaphore類對(duì)象后，任何一個(gè)訪問(wèn)受保護(hù)共享資源的線程都必須通過(guò)CSemaphore從父類CSyncObject類繼承得到的Lock（）和UnLock（）成員函數(shù)來(lái)訪問(wèn)或釋放CSemaphore對(duì)象。與前面介紹的幾種通過(guò)MFC類保持線程同步的方法類似，通過(guò)CSemaphore類也可以將前面的線程同步代碼進(jìn)行改寫(xiě)，這兩種使用信號(hào)量的線程同步方法無(wú)論是在實(shí)現(xiàn)原理上還是從實(shí)現(xiàn)結(jié)果上都是完全一致的。下面給出經(jīng)MFC改寫(xiě)后的信號(hào)量線程同步代碼：

// MFC信號(hào)量類對(duì)象 CSemaphore g_clsSemaphore(2, 2); UINT ThreadProc24(LPVOID pParam) { 　// 試圖進(jìn)入信號(hào)量關(guān)口 　g_clsSemaphore.Lock(); 　// 線程任務(wù)處理 　AfxMessageBox("線程一正在執(zhí)行!"); 　// 釋放信號(hào)量計(jì)數(shù) 　g_clsSemaphore.Unlock(); 　return 0; } UINT ThreadProc25(LPVOID pParam) { 　// 試圖進(jìn)入信號(hào)量關(guān)口 　g_clsSemaphore.Lock(); 　// 線程任務(wù)處理 　AfxMessageBox("線程二正在執(zhí)行!"); 　// 釋放信號(hào)量計(jì)數(shù) 　g_clsSemaphore.Unlock(); 　return 0; } UINT ThreadProc26(LPVOID pParam) { 　// 試圖進(jìn)入信號(hào)量關(guān)口 　g_clsSemaphore.Lock(); 　// 線程任務(wù)處理 　AfxMessageBox("線程三正在執(zhí)行!"); 　// 釋放信號(hào)量計(jì)數(shù) 　g_clsSemaphore.Unlock(); 　return 0; } …… void CSample08View::OnSemaphoreMfc() { 　// 開(kāi)啟線程 　AfxBeginThread(ThreadProc24, NULL); 　AfxBeginThread(ThreadProc25, NULL); 　AfxBeginThread(ThreadProc26, NULL); }

　　互斥內(nèi)核對(duì)象

　　互斥（Mutex）是一種用途非常廣泛的內(nèi)核對(duì)象。能夠保證多個(gè)線程對(duì)同一共享資源的互斥訪問(wèn)。同臨界區(qū)有些類似，只有擁有互斥對(duì)象的線程才具有訪問(wèn)資源的權(quán)限，由于互斥對(duì)象只有一個(gè)，因此就決定了任何情況下此共享資源都不會(huì)同時(shí)被多個(gè)線程所訪問(wèn)。當(dāng)前占據(jù)資源的線程在任務(wù)處理完后應(yīng)將擁有的互斥對(duì)象交出，以便其他線程在獲得后得以訪問(wèn)資源。與其他幾種內(nèi)核對(duì)象不同，互斥對(duì)象在操作系統(tǒng)中擁有特殊代碼，并由操作系統(tǒng)來(lái)管理，操作系統(tǒng)甚至還允許其進(jìn)行一些其他內(nèi)核對(duì)象所不能進(jìn)行的非常規(guī)操作。為便于理解，可參照?qǐng)D6給出的互斥內(nèi)核對(duì)象的工作模型：

圖6 使用互斥內(nèi)核對(duì)象對(duì)共享資源的保護(hù)
圖（a）中的箭頭為要訪問(wèn)資源（矩形框）的線程，但只有第二個(gè)線程擁有互斥對(duì)象（黑點(diǎn)）并得以進(jìn)入到共享資源，而其他線程則會(huì)被排斥在外（如圖（b）所示）。當(dāng)此線程處理完共享資源并準(zhǔn)備離開(kāi)此區(qū)域時(shí)將把其所擁有的互斥對(duì)象交出（如圖（c）所示），其他任何一個(gè)試圖訪問(wèn)此資源的線程都有機(jī)會(huì)得到此互斥對(duì)象。

　　以互斥內(nèi)核對(duì)象來(lái)保持線程同步可能用到的函數(shù)主要有CreateMutex（）、OpenMutex（）、ReleaseMutex（）、WaitForSingleObject（）和WaitForMultipleObjects（）等。在使用互斥對(duì)象前，首先要通過(guò)CreateMutex（）或OpenMutex（）創(chuàng)建或打開(kāi)一個(gè)互斥對(duì)象。CreateMutex（）函數(shù)原型為：

HANDLE CreateMutex( 　LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes, // 安全屬性指針 　BOOL bInitialOwner, // 初始擁有者 　LPCTSTR lpName // 互斥對(duì)象名 );

　　參數(shù)bInitialOwner主要用來(lái)控制互斥對(duì)象的初始狀態(tài)。一般多將其設(shè)置為FALSE，以表明互斥對(duì)象在創(chuàng)建時(shí)并沒(méi)有為任何線程所占有。如果在創(chuàng)建互斥對(duì)象時(shí)指定了對(duì)象名，那么可以在本進(jìn)程其他地方或是在其他進(jìn)程通過(guò)OpenMutex（）函數(shù)得到此互斥對(duì)象的句柄。OpenMutex（）函數(shù)原型為：

HANDLE OpenMutex( 　DWORD dwDesiredAccess, // 訪問(wèn)標(biāo)志 　BOOL bInheritHandle, // 繼承標(biāo)志 　LPCTSTR lpName // 互斥對(duì)象名 );

　　當(dāng)目前對(duì)資源具有訪問(wèn)權(quán)的線程不再需要訪問(wèn)此資源而要離開(kāi)時(shí)，必須通過(guò)ReleaseMutex（）函數(shù)來(lái)釋放其擁有的互斥對(duì)象，其函數(shù)原型為：

BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex);

　　其唯一的參數(shù)hMutex為待釋放的互斥對(duì)象句柄。至于WaitForSingleObject（）和WaitForMultipleObjects（）等待函數(shù)在互斥對(duì)象保持線程同步中所起的作用與在其他內(nèi)核對(duì)象中的作用是基本一致的，也是等待互斥內(nèi)核對(duì)象的通知。但是這里需要特別指出的是：在互斥對(duì)象通知引起調(diào)用等待函數(shù)返回時(shí)，等待函數(shù)的返回值不再是通常的WAIT_OBJECT_0（對(duì)于WaitForSingleObject（）函數(shù)）或是在WAIT_OBJECT_0到WAIT_OBJECT_0+nCount-1之間的一個(gè)值（對(duì)于WaitForMultipleObjects（）函數(shù)），而是將返回一個(gè)WAIT_ABANDONED_0（對(duì)于WaitForSingleObject（）函數(shù)）或是在WAIT_ABANDONED_0到WAIT_ABANDONED_0+nCount-1之間的一個(gè)值（對(duì)于WaitForMultipleObjects（）函數(shù)）。以此來(lái)表明線程正在等待的互斥對(duì)象由另外一個(gè)線程所擁有，而此線程卻在使用完共享資源前就已經(jīng)終止。除此之外，使用互斥對(duì)象的方法在等待線程的可調(diào)度性上同使用其他幾種內(nèi)核對(duì)象的方法也有所不同，其他內(nèi)核對(duì)象在沒(méi)有得到通知時(shí)，受調(diào)用等待函數(shù)的作用，線程將會(huì)掛起，同時(shí)失去可調(diào)度性，而使用互斥的方法卻可以在等待的同時(shí)仍具有可調(diào)度性，這也正是互斥對(duì)象所能完成的非常規(guī)操作之一。

　　在編寫(xiě)程序時(shí)，互斥對(duì)象多用在對(duì)那些為多個(gè)線程所訪問(wèn)的內(nèi)存塊的保護(hù)上，可以確保任何線程在處理此內(nèi)存塊時(shí)都對(duì)其擁有可靠的獨(dú)占訪問(wèn)權(quán)。下面給出的示例代碼即通過(guò)互斥內(nèi)核對(duì)象hMutex對(duì)共享內(nèi)存快g_cArray[]進(jìn)行線程的獨(dú)占訪問(wèn)保護(hù)。下面給出實(shí)現(xiàn)代碼清單：

// 互斥對(duì)象 HANDLE hMutex = NULL; char g_cArray[10]; UINT ThreadProc18(LPVOID pParam) { 　// 等待互斥對(duì)象通知 　WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE); 　// 對(duì)共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作 　for (int i = 0; i < 10; i++) 　{ 　　g_cArray[i] = 'a'; 　　Sleep(1); 　} 　// 釋放互斥對(duì)象 　ReleaseMutex(hMutex); 　return 0; } UINT ThreadProc19(LPVOID pParam) { 　// 等待互斥對(duì)象通知 　WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE); 　// 對(duì)共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作 　for (int i = 0; i < 10; i++) 　{ 　　g_cArray[10 - i - 1] = 'b'; 　　Sleep(1); 　} 　// 釋放互斥對(duì)象 　ReleaseMutex(hMutex); 　return 0; } …… void CSample08View::OnMutex() { 　// 創(chuàng)建互斥對(duì)象 　hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL); 　// 啟動(dòng)線程 　AfxBeginThread(ThreadProc18, NULL); 　AfxBeginThread(ThreadProc19, NULL); 　// 等待計(jì)算完畢 　Sleep(300); 　// 報(bào)告計(jì)算結(jié)果 　CString sResult = CString(g_cArray); 　AfxMessageBox(sResult); }

　　互斥對(duì)象在MFC中通過(guò)CMutex類進(jìn)行表述。使用CMutex類的方法非常簡(jiǎn)單，在構(gòu)造CMutex類對(duì)象的同時(shí)可以指明待查詢的互斥對(duì)象的名字，在構(gòu)造函數(shù)返回后即可訪問(wèn)此互斥變量。CMutex類也是只含有構(gòu)造函數(shù)這唯一的成員函數(shù)，當(dāng)完成對(duì)互斥對(duì)象保護(hù)資源的訪問(wèn)后，可通過(guò)調(diào)用從父類CSyncObject繼承的UnLock（）函數(shù)完成對(duì)互斥對(duì)象的釋放。CMutex類構(gòu)造函數(shù)原型為：

CMutex( BOOL bInitiallyOwn = FALSE, LPCTSTR lpszName = NULL, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsaAttribute = NULL );

　　該類的適用范圍和實(shí)現(xiàn)原理與API方式創(chuàng)建的互斥內(nèi)核對(duì)象是完全類似的，但要簡(jiǎn)潔的多，下面給出就是對(duì)前面的示例代碼經(jīng)CMutex類改寫(xiě)后的程序?qū)崿F(xiàn)清單：

// MFC互斥類對(duì)象 CMutex g_clsMutex(FALSE, NULL); UINT ThreadProc27(LPVOID pParam) { 　// 等待互斥對(duì)象通知 　g_clsMutex.Lock(); 　// 對(duì)共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作 　for (int i = 0; i < 10; i++) 　{ 　　g_cArray[i] = 'a'; 　　Sleep(1); 　} 　// 釋放互斥對(duì)象 　g_clsMutex.Unlock(); 　return 0; } UINT ThreadProc28(LPVOID pParam) { 　// 等待互斥對(duì)象通知 　g_clsMutex.Lock(); 　// 對(duì)共享資源進(jìn)行寫(xiě)入操作 　for (int i = 0; i < 10; i++) 　{ 　　g_cArray[10 - i - 1] = 'b'; 　　Sleep(1); 　} 　// 釋放互斥對(duì)象 　g_clsMutex.Unlock(); 　return 0; } …… void CSample08View::OnMutexMfc() { 　// 啟動(dòng)線程 　AfxBeginThread(ThreadProc27, NULL); 　AfxBeginThread(ThreadProc28, NULL); 　// 等待計(jì)算完畢 　Sleep(300); 　// 報(bào)告計(jì)算結(jié)果 　CString sResult = CString(g_cArray); 　AfxMessageBox(sResult); }

　　小結(jié)

　　線程的使用使程序處理更夠更加靈活，而這種靈活同樣也會(huì)帶來(lái)各種不確定性的可能。尤其是在多個(gè)線程對(duì)同一公共變量進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)。雖然未使用線程同步的程序代碼在邏輯上或許沒(méi)有什么問(wèn)題，但為了確保程序的正確、可靠運(yùn)行，必須在適當(dāng)?shù)膱?chǎng)合采取線程同步措施。