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四種進(jìn)程或線程同步互斥的控制方法

現(xiàn)在流行的進(jìn)程線程同步互斥的控制機(jī)制，其實(shí)是由最原始最基本的4種方法實(shí)現(xiàn)的。由這4種方法組合優(yōu)化就有了.Net和Java下靈活多變的，編程簡便的線程進(jìn)程控制手段。
　　這4種方法具體定義如下在《操作系統(tǒng)教程》ISBN 7-5053-6193-7 一書中可以找到更加詳細(xì)的解釋
　　1、臨界區(qū):通過對多線程的串行化來訪問公共資源或一段代碼，速度快，適合控制數(shù)據(jù)訪問。
　　2、互斥量:為協(xié)調(diào)共同對一個共享資源的單獨(dú)訪問而設(shè)計(jì)的。
　　3、信號量:為控制一個具有有限數(shù)量用戶資源而設(shè)計(jì)。
　　4、事件:用來通知線程有一些事件已發(fā)生，從而啟動后繼任務(wù)的開始。
　　

臨界區(qū)（Critical Section）

　　保證在某一時(shí)刻只有一個線程能訪問數(shù)據(jù)的簡便辦法。在任意時(shí)刻只允許一個線程對共享資源進(jìn)行訪問。如果有多個線程試圖同時(shí)訪問臨界區(qū)，那么在有一個線程進(jìn)入后其他所有試圖訪問此臨界區(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。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)包含兩個操作原語：
　　EnterCriticalSection（）進(jìn)入臨界區(qū)
　　LeaveCriticalSection（）離開臨界區(qū)
　　EnterCriticalSection（）語句執(zhí)行后代碼將進(jìn)入臨界區(qū)以后無論發(fā)生什么，必須確保與之匹配的LeaveCriticalSection（）都能夠被執(zhí)行到。否則臨界區(qū)保護(hù)的共享資源將永遠(yuǎn)不會被釋放。雖然臨界區(qū)同步速度很快，但卻只能用來同步本進(jìn)程內(nèi)的線程，而不可用來同步多個進(jìn)程中的線程。
　　MFC提供了很多功能完備的類，我用MFC實(shí)現(xiàn)了臨界區(qū)。MFC為臨界區(qū)提供有一個CCriticalSection類，使用該類進(jìn)行線程同步處理是非常簡單的。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。Lock（）后代碼用到的資源自動被視為臨界區(qū)內(nèi)的資源被保護(hù)。UnLock后別的線程才能訪問這些資源。

  //CriticalSection
  CCriticalSection global_CriticalSection;

  // 共享資源
  char global_Array[256];

  //初始化共享資源
  void InitializeArray()
  {
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=I;
   }
  }

  //寫線程
  UINT Global_ThreadWrite(LPVOID pParam)
  {
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   //進(jìn)入臨界區(qū)
  global_CriticalSection.Lock();
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=W;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }
   //離開臨界區(qū)
   global_CriticalSection.Unlock();
   return 0;
  }

  //刪除線程
  UINT Global_ThreadDelete(LPVOID pParam)
  {
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   //進(jìn)入臨界區(qū)
   global_CriticalSection.Lock();
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=D;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }
   //離開臨界區(qū)
   global_CriticalSection.Unlock();
   return 0;
  }

  //創(chuàng)建線程并啟動線程
  void CCriticalSectionsDlg::OnBnClickedButtonLock()
  {
   //Start the first Thread
   CWinThread *ptrWrite = AfxBeginThread(Global_ThreadWrite,
   &m_Write,
   THREAD_PRIORITY_NORMAL,
   0,
   CREATE_SUSPENDED);
   ptrWrite->ResumeThread();

   //Start the second Thread
   CWinThread *ptrDelete = AfxBeginThread(Global_ThreadDelete,
   &m_Delete,
   THREAD_PRIORITY_NORMAL,
   0,
   CREATE_SUSPENDED);
   ptrDelete->ResumeThread();
  }

　　在測試程序中，Lock UnLock兩個按鈕分別實(shí)現(xiàn)，在有臨界區(qū)保護(hù)共享資源的執(zhí)行狀態(tài)，和沒有臨界區(qū)保護(hù)共享資源的執(zhí)行狀態(tài)。
　

互斥量（Mutex）

　　互斥量跟臨界區(qū)很相似，只有擁有互斥對象的線程才具有訪問資源的權(quán)限，由于互斥對象只有一個，因此就決定了任何情況下此共享資源都不會同時(shí)被多個線程所訪問。當(dāng)前占據(jù)資源的線程在任務(wù)處理完后應(yīng)將擁有的互斥對象交出，以便其他線程在獲得后得以訪問資源。互斥量比臨界區(qū)復(fù)雜。因?yàn)槭褂没コ獠粌H僅能夠在同一應(yīng)用程序不同線程中實(shí)現(xiàn)資源的安全共享，而且可以在不同應(yīng)用程序的線程之間實(shí)現(xiàn)對資源的安全共享。

　　互斥量包含的幾個操作原語：
　　CreateMutex（）創(chuàng)建一個互斥量
　　OpenMutex（）打開一個互斥量
　　ReleaseMutex（）釋放互斥量
　　WaitForMultipleObjects（）等待互斥量對象

　　同樣MFC為互斥量提供有一個CMutex類。使用CMutex類實(shí)現(xiàn)互斥量操作非常簡單，但是要特別注意對CMutex的構(gòu)造函數(shù)的調(diào)用
　　CMutex( BOOL bInitiallyOwn = FALSE, LPCTSTR lpszName = NULL, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsaAttribute = NULL)
　　不用的參數(shù)不能亂填，亂填會出現(xiàn)一些意想不到的運(yùn)行結(jié)果。

  //創(chuàng)建互斥量

  CMutex global_Mutex(0,0,0);

  // 共享資源
  char global_Array[256];

  void InitializeArray()
  {
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=I;
   }
  }
  UINT Global_ThreadWrite(LPVOID pParam)
  {
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   global_Mutex.Lock();
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=W;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }
   global_Mutex.Unlock();
   return 0;
  }

  UINT Global_ThreadDelete(LPVOID pParam)
  {
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   global_Mutex.Lock();
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=D;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }
   global_Mutex.Unlock();
   return 0;
  }

　　同樣在測試程序中，Lock UnLock兩個按鈕分別實(shí)現(xiàn)，在有互斥量保護(hù)共享資源的執(zhí)行狀態(tài)，和沒有互斥量保護(hù)共享資源的執(zhí)行狀態(tài)。

信號量（Semaphores）

　　信號量對象對線程的同步方式與前面幾種方法不同，信號允許多個線程同時(shí)使用共享資源，這與操作系統(tǒng)中的PV操作相同。它指出了同時(shí)訪問共享資源的線程最大數(shù)目。它允許多個線程在同一時(shí)刻訪問同一資源，但是需要限制在同一時(shí)刻訪問此資源的最大線程數(shù)目。在用CreateSemaphore（）創(chuàng)建信號量時(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)，每增加一個線程對共享資源的訪問，當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)就會減1，只要當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)是大于0的，就可以發(fā)出信號量信號。但是當(dāng)前可用計(jì)數(shù)減小到0時(shí)則說明當(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)的信號量信號將無法發(fā)出。線程在處理完共享資源后，應(yīng)在離開的同時(shí)通過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)。
　　PV操作及信號量的概念都是由荷蘭科學(xué)家E.W.Dijkstra提出的。信號量S是一個整數(shù)，S大于等于零時(shí)代表可供并發(fā)進(jìn)程使用的資源實(shí)體數(shù)，但S小于零時(shí)則表示正在等待使用共享資源的進(jìn)程數(shù)。
　　P操作申請資源：
  　　（1）S減1；
  　　（2）若S減1后仍大于等于零，則進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；
  　　（3）若S減1后小于零，則該進(jìn)程被阻塞后進(jìn)入與該信號相對應(yīng)的隊(duì)列中，然后轉(zhuǎn)入進(jìn)程調(diào)度。
  V操作釋放資源：
  　　（1）S加1；
  　　（2）若相加結(jié)果大于零，則進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；
  　　（3）若相加結(jié)果小于等于零，則從該信號的等待隊(duì)列中喚醒一個等待進(jìn)程，然后再返回原進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行或轉(zhuǎn)入進(jìn)程調(diào)度。

  　　信號量包含的幾個操作原語：
  　　CreateSemaphore（）創(chuàng)建一個信號量
  　　OpenSemaphore（）打開一個信號量
  　　ReleaseSemaphore（）釋放信號量
  　　WaitForSingleObject（）等待信號量

  //信號量句柄

  HANDLE global_Semephore;

  // 共享資源
  char global_Array[256];
  void InitializeArray()
  {
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=I;
   }
  }
  //線程1
  UINT Global_ThreadOne(LPVOID pParam)
  {
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   //等待對共享資源請求被通過等于 P操作
  WaitForSingleObject(global_Semephore, INFINITE);
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=O;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }
   //釋放共享資源等于 V操作
   ReleaseSemaphore(global_Semephore, 1, NULL);
   return 0;
  }

  UINT Global_ThreadTwo(LPVOID pParam)
  {
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   WaitForSingleObject(global_Semephore, INFINITE);
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=T;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }
   ReleaseSemaphore(global_Semephore, 1, NULL);
   return 0;
  }

  UINT Global_ThreadThree(LPVOID pParam)
  {
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   WaitForSingleObject(global_Semephore, INFINITE);
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=H;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }
   ReleaseSemaphore(global_Semephore, 1, NULL);
   return 0;
  }

  void CSemaphoreDlg::OnBnClickedButtonOne()
  {
   //設(shè)置信號量 1 個資源 1同時(shí)只可以有一個線程訪問
   global_Semephore= CreateSemaphore(NULL, 1, 1, NULL);
   this->StartThread();
   // TODO: Add your control notification handler code here
  }

  void CSemaphoreDlg::OnBnClickedButtonTwo()
  {
   //設(shè)置信號量 2 個資源 2 同時(shí)只可以有兩個線程訪問
   global_Semephore= CreateSemaphore(NULL, 2, 2, NULL);
   this->StartThread();
   // TODO: Add your control notification handler code here
  }

  void CSemaphoreDlg::OnBnClickedButtonThree()
  {
  //設(shè)置信號量 3 個資源 3 同時(shí)只可以有三個線程訪問
   global_Semephore= CreateSemaphore(NULL, 3, 3, NULL);
   this->StartThread();
   // TODO: Add your control notification handler code here
  }

　　信號量的使用特點(diǎn)使其更適用于對Socket（套接字）程序中線程的同步。例如，網(wǎng)絡(luò)上的HTTP服務(wù)器要對同一時(shí)間內(nèi)訪問同一頁面的用戶數(shù)加以限制，這時(shí)可以為每一個用戶對服務(wù)器的頁面請求設(shè)置一個線程，而頁面則是待保護(hù)的共享資源，通過使用信號量對線程的同步作用可以確保在任一時(shí)刻無論有多少用戶對某一頁面進(jìn)行訪問，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，而其他的訪問企圖則被掛起，只有在有用戶退出對此頁面的訪問后才有可能進(jìn)入。
　　

事件（Event）

　　事件對象也可以通過通知操作的方式來保持線程的同步。并且可以實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)程中的線程同步操作。
　　信號量包含的幾個操作原語：
  　　CreateEvent（）創(chuàng)建一個信號量
  　　OpenEvent（）打開一個事件
  　　SetEvent（）回置事件
  　　WaitForSingleObject（）等待一個事件
  　　WaitForMultipleObjects（）　　　　　　　　等待多個事件
  　　　　WaitForMultipleObjects 函數(shù)原型：
  　　　　　WaitForMultipleObjects（
  　　　　　IN DWORD nCount, // 等待句柄數(shù)
  　　　　　IN CONST HANDLE *lpHandles, //指向句柄數(shù)組
  　　　　　IN BOOL bWaitAll, //是否完全等待標(biāo)志
  　　　　　IN DWORD dwMilliseconds //等待時(shí)間
  　　　　　）
　　參數(shù)nCount指定了要等待的內(nèi)核對象的數(shù)目，存放這些內(nèi)核對象的數(shù)組由lpHandles來指向。fWaitAll對指定的這nCount個內(nèi)核對象的兩種等待方式進(jìn)行了指定，為TRUE時(shí)當(dāng)所有對象都被通知時(shí)函數(shù)才會返回，為FALSE則只要其中任何一個得到通知就可以返回。dwMilliseconds在這里的作用與在WaitForSingleObject（）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。

  //事件數(shù)組

  HANDLE global_Events[2];

  // 共享資源
  char global_Array[256];

  void InitializeArray()
  {
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=I;
   }
  }

  UINT Global_ThreadOne(LPVOID pParam)
  {
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=O;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }
   //回置事件
   SetEvent(global_Events[0]);
   return 0;
  }

  UINT Global_ThreadTwo(LPVOID pParam)
  {
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=T;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }
   //回置事件
   SetEvent(global_Events[1]);
   return 0;
  }

  UINT Global_ThreadThree(LPVOID pParam)
  {
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   //等待兩個事件都被回置
   WaitForMultipleObjects(2, global_Events, true, INFINITE);
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=H;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }
   return 0;
  }
  void CEventDlg::OnBnClickedButtonStart()
  {
   for (int i = 0; i < 2; i++)
   {
   //實(shí)例化事件
   global_Events[i]=CreateEvent(NULL,false,false,NULL);
   }
   CWinThread *ptrOne = AfxBeginThread(Global_ThreadOne,
   &m_One,
   THREAD_PRIORITY_NORMAL,
   0,
   CREATE_SUSPENDED);
   ptrOne->ResumeThread();

   //Start the second Thread
   CWinThread *ptrTwo = AfxBeginThread(Global_ThreadTwo,
   &m_Two,
   THREAD_PRIORITY_NORMAL,
   0,
   CREATE_SUSPENDED);
   ptrTwo->ResumeThread();

   //Start the Third Thread
   CWinThread *ptrThree = AfxBeginThread(Global_ThreadThree,
   &m_Three,
   THREAD_PRIORITY_NORMAL,
   0,
   CREATE_SUSPENDED);
   ptrThree->ResumeThread();
   // TODO: Add your control notification handler code here
  }

　　事件可以實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)程中的線程同步操作，并且可以方便的實(shí)現(xiàn)多個線程的優(yōu)先比較等待操作，例如寫多個WaitForSingleObject來代替WaitForMultipleObjects從而使編程更加靈活。
　　

總結(jié)：
　　1．互斥量與臨界區(qū)的作用非常相似，但互斥量是可以命名的，也就是說它可以跨越進(jìn)程使用。所以創(chuàng)建互斥量需要的資源更多，所以如果只為了在進(jìn)程內(nèi)部是用的話使用臨界區(qū)會帶來速度上的優(yōu)勢并能夠減少資源占用量。因?yàn)榛コ饬渴强邕M(jìn)程的互斥量一旦被創(chuàng)建，就可以通過名字打開它。
　　2．互斥量（Mutex），信號燈（Semaphore），事件（Event）都可以被跨越進(jìn)程使用來進(jìn)行同步數(shù)據(jù)操作，而其他的對象與數(shù)據(jù)同步操作無關(guān)，但對于進(jìn)程和線程來講，如果進(jìn)程和線程在運(yùn)行狀態(tài)則為無信號狀態(tài)，在退出后為有信號狀態(tài)。所以可以使用WaitForSingleObject來等待進(jìn)程和線程退出。
　　3．通過互斥量可以指定資源被獨(dú)占的方式使用，但如果有下面一種情況通過互斥量就無法處理，比如現(xiàn)在一位用戶購買了一份三個并發(fā)訪問許可的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可以根據(jù)用戶購買的訪問許可數(shù)量來決定有多少個線程/進(jìn)程能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作，這時(shí)候如果利用互斥量就沒有辦法完成這個要求，信號燈對象可以說是一種資源計(jì)數(shù)器。

疑問：
　　在 Linux 上，有兩類信號量。第一類是由 semget/semop/semctl API 定義的信號量的 SVR4（System V Release 4）版本。第二類是由 sem_init/sem_wait/sem_post/interfaces 定義的 POSIX 接口。它們具有相同的功能，但接口不同。在2.4.x內(nèi)核中，信號量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為(include/asm/semaphore.h)。
　　但是在Linux中沒有對互斥量的具體提法，只是看到說互斥量是信號量的一種特殊情況，當(dāng)信號量的最大資源數(shù)=1同時(shí)可以訪問共享資源的線程數(shù)=1 就是互斥量了。臨界區(qū)的定義也比較模糊。沒有找到用事件處理線程/進(jìn)程同步互斥的操作的相關(guān)資料。在Linux下用GCC/G++編譯標(biāo)準(zhǔn)C++代碼，信號量的操作幾乎和Windows下VC7的編程一樣，不用改多少就順利移植了，可是互斥量，事件，臨界區(qū)的Linux移植沒有成功。

　　本文所有事例程序在WindowsXp Sp2 + VC7 下編譯通過。

本文轉(zhuǎn)自：http://www.bccn.net/Article/kfyy/vc/jszl/200709/6380_2.html

posted on 2013-04-18 17:06 王海光閱讀(501) 評論(0) 編輯收藏引用所屬分類: C++

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