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            yehao's Blog

            _beginthreadex和CreateThread

            為什么要用C運行時庫的_beginthreadex代替操作系統的CreateThread來創建線程?

            來源自自1999年7月MSJ雜志的《Win32 Q&A》欄目

               你也許會說我一直用CreateThread來創建線程,一直都工作得好好的,為什么要用_beginthreadex來代替CreateThread,下面讓我來告訴你為什么。
               回答一個問題可以有兩種方式,一種是簡單的,一種是復雜的。
            如果你不愿意看下面的長篇大論,那我可以告訴你簡單的答案:_beginthreadex在內部調用了CreateThread,在調用之前_beginthreadex做了很多的工作,從而使得它比CreateThread更安全。

                為什么我們需要兩個幾乎相同的庫來分別對待單線程和多線程程序?說起來也很簡單,兩個字——效率。讓我們從頭說起,標準CRT庫出現于1970年左右,那時,線程的概念尚未出現在任何一個操作系統上。但是,線程畢竟是出現了,那好,讓我們來看看下面這個例子,在這個例子中我們使用了CRT的全局變量 errno:

            BOOL fFailure = (system("NOTEPAD.EXE README.TXT") == -1);

            if (fFailure) {
                 switch (errno) {
                 case E2BIG: // Argument list or environment too big
                     break;

               case ENOENT: // Command interpreter cannot be found
                   break;

               case ENOEXEC: // Command interpreter has bad format
                   break;

               case ENOMEM: // Insufficient memory to run command
                   break;
               }
            }

            設想這樣的情況,當上面的代碼執行到system函數之后,if聲明之前的時候,操作系統打斷了它,而轉去執行進程中的另一個線程,而這個線程正好使用了會設置errno的某個CRT函數......于是,問題就出現了。
            為了解決這個問題,每個線程需要自己的errno全局變量,而且還需要一些機制來使得它們使用它們自己的errno變量,而不是其他線程的。當然, errno只是“多線程不服癥”的其中一個受害者,其他受害者還有:_doserrno, strtok, _wcstok, strerror, _strerror, tmpnam, tmpfile, asctime, _wasctime, gmtime, _ecvt, _fcvt。
            于是,為了讓C和C++程序能夠正常工作,必須創建一個數據結構,并把它與每一個線程關連起來,只有這樣才能調用CRT庫時不至于誤入“他線程家園”
               那么系統怎么知道在創建一個新線程時分配這個數據塊呢?回答是系統不知道,這一切責任都在你,只有你才能確保所有的事情正常完成。
            是不是有點重任在肩的感覺?呵呵,不要緊,其你要做的和標題所說的一樣,只需要調用_beginthreadex函數即可:

            unsigned long _beginthreadex(void *security,
                 unsigned stack_size,
                 unsigned (*start_address)(void *), void *arglist,
                 unsigned initflag, unsigned *thrdaddr);

            _beginthreadex的參數列表與CreateThread一模一樣,只是參數名與類型有少許差異罷了。這是因為Microsoft覺得CRT函數不應該對Windows的數據類型有任何依賴。兩者返回的東西也是一樣的,所以即使你使用了CreateThread函數,要替換成_beginthreadex也是一件很容易的事情。
            因為兩者的數據類型不完全一致,所以我們需要作一些轉換來避免編譯器的抱怨,為了簡化這項工作,你可以使用我所寫的這個宏:

            typedef unsigned (__stdcall * PTHREAD_START) (void *);

            #define chBEGINTHREADEX(psa, cbStack, pfnStartAddr, \ pvParam, fdwCreate, pdwThreadID) \
            ((HANDLE) _beginthreadex( \
            (void *) (psa), \
            (unsigned) (cbStack), \
            (PTHREAD_START) (pfnStartAddr),\
            (void *) (pvParam),\
            (unsigned) (fdwCreate), \
            (unsigned *) (pdwThreadID)))

            注意_beginthreadex函數只存在于CRT庫的多線程版本中,如果你鏈接到了一個單線程運行時庫,鏈接器會毫不客氣地報告 “unresolved external symbol”錯誤。另外,還需要注意的是VS在創建新項目時默認選擇的是單線程庫,所以需要記得修改設置。
            說了這么多,只是說了一些概念,至于_beginthreadex為什么要比CreateThread更好,還是需要事實來說話的,當然,程序員所說的事實,就是代碼了,代碼之前,了無秘密,所以下面讓我們來看看CRT庫的代碼是怎樣的。首先,自然是主角人物_beginthreadex(你可以在THREADEX.C中找到它),因為沒必要在這里重復寫出源代碼,所以我只給出偽代碼版本的_beginthreadex:

            unsigned long __cdecl _beginthreadex (
                 void *psa,
                 unsigned cbStack,
                 unsigned (__stdcall * pfnStartAddr) (void *),
                 void * pvParam,
                 unsigned fdwCreate,
                 unsigned *pdwThreadID)

            {
                 _ptiddata ptd;         // Pointer to thread's data block
                 unsigned long thdl;    // Thread's handle
                 // Allocate data block for the new thread
                 if ((ptd = calloccrt(1, sizeof(struct tiddata))) == NULL)
                     goto errorreturn;
                 // Initialize the data block
                 initptd(ptd);
                 // Save the desired thread function and the parameter
                 // we want it to get in the data block
                 ptd->_initaddr = (void *) pfnStartAddr;
                 ptd->_initarg = pvParam;

                 // Create the new thread
                 thdl = (unsigned long) CreateThread(psa, cbStack,_threadstartex, (PVOID) ptd, fdwCreate, pdwThreadID);
                 if (thdl == NULL) {
                     // Thread couldn't be created, cleanup and return failure
                     goto error_return;
                 }

                 // Create created OK, return the handle
                 return(thdl);

            error_return:
                 // Error: data block or thread couldn't be created
                 _free_crt(ptd);
                 return((unsigned long)0L);
            }

            _beginthreadex的代碼中有幾個地方需要重點注意:
               (1)首先每個線程會從CRT的堆上獲得真正屬于它自己的tiddata內存塊。 tiddata數據結構你可以在MTDLL.H中找到。傳遞給_beginthreadex的線程函數的地址被保存在tiddata內存塊中。要傳遞給該線程函數的參數也被保存在這里。_beginthreadex接下來調用CreateThread,注意,這時CreateThread在新線程中執行的并不是pfnStartAddr函數,而是一個名為_threadstartex的函數。同時,傳遞給線程函數的參數也不是pvParam,而是 tiddata結構的地址。最后,如果一切順利將返回線程句柄,如果任何一個操作失敗,將返回NULL。
            現在,tiddata結構已經被分配并初始化完成,下面來看看該結構是如何關聯到線程的。這次的對象是_threadstartex,同樣也在THREADEX.C中,同樣也給出偽代碼:

            static unsigned long WINAPI _threadstartex (void* ptd) {
                // Note: ptd is the address of this thread's tiddata block

                // Associate the tiddata block with this thread
                TlsSetValue(__tlsindex, ptd);

                // Save this thread ID in the tiddata block
                ((_ptiddata) ptd)->_tid = GetCurrentThreadId();

                // Initialize floating-point support (code not shown)

                // Wrap desired thread function in SEH frame to
                // handle runtime errors and signal support
                __try {
                    // Call desired thread function passing it the desired parameter
                    // Pass threads exit code value to _endthreadex
                    _endthreadex(
                      ( (unsigned (WINAPI *)(void *))(((_ptiddata)ptd)->_initaddr) )
                          ( ((_ptiddata)ptd)->_initarg ) ) ;
                }
                __except(_XcptFilter(GetExceptionCode(), GetExceptionInformation()){
                    // The C-Runtime's exception handler deals with runtime errors
                    // and signal support, we should never get it here.
                    _exit(GetExceptionCode());
                }

                // We never get here, the thread dies in this function
                return(0L);
            }

            _threadstartex同樣也有一些東西需要我們注意。新線程開始時會執行BaseThreadStart(位于Kernel32.DLL 中),然后跳到_threadstartex。_threadstartex的唯一參數就是新線程的tiddata內存塊地址。TlsSetValue完成了將tiddata結構與線程關聯起來的目的(這里的tiddata結構被稱為線程本地存儲,TLS,顧名思義,就是屬于每個線程自己的數據)。
            在事實上的線程函數周圍放置了一個結構化異常處理體(A structured exception handling frame)。這個處理體主要負責處理與運行時庫有關的很多東西,比如運行時錯誤(像拋出但卻沒有被捕獲的C++異常這類東西)和CRT的signal函數。這很重要,如果你使用CreateThread創建了線程,然后又調用了CRT的signal函數,那么signal函數將無法正常工作。
            注意,這時還不能返回到BaseThreadStart,如果這樣做,線程會死掉,退出碼會正常設置,但tiddata內存塊不會被銷毀,這就會造成內存泄漏。為了防止泄漏,需要調用_endthreadex,并且將退出碼傳遞給它。
            _endthreadex同樣也在THREADEX.C中,同樣也給出偽代碼:

            void __cdecl _endthreadex (unsigned retcode) {
                 _ptiddata ptd;    // Pointer to thread's data block

                 // Cleanup floating-point support (code not shown)

                 // Get the address of this thread's tiddata block
                 ptd = _getptd();

                 // Free the tiddata block
                 _freeptd(ptd);

                 // Terminate the thread
                 ExitThread(retcode);
            }

            注意CRT的_getptd函數在內部調用了系統的TlsGetValue函數來獲取對應線程的tiddata內存塊地址,然后釋放該內存塊,最后調用ExitThread來真正銷毀線程,當然是用上面所提到的退出碼來調用。
            我強烈建議你絕不要調用ExitThread來中止你的線程。最好也是最簡單的辦法就是讓線程自己返回即可,讓它自生自滅。ExitThread不僅徒增復雜,而且還會造成tiddata內存塊泄漏。
            Microsoft Visual C++項目組發現人們總是喜歡調用ExitThread,他們希望能盡可能的做到讓程序不泄漏內存。所以如果你真的想要明確地退出線程,你也最好使用_endthreadex,雖然這也不太好。
            OK,目前為止你應該對誰更好些的問題有了深入的了解,但是為什么調用CreateThread的程序仍然可以經年累月的正常運行呢?當線程調用一個需要 tiddata結構的CRT函數時(大多數CRT函數是線程安全的,并不需要該結構),首先CRT函數試圖獲取線程的數據塊的地址(通過調用 TlsGetValue),然后,如果返回NULL,說明調用線程沒有相關聯的tiddata塊,那么CRT函數馬上為調用線程分配并初始化一個 tiddata塊,并將該內存塊關聯到線程(通過TlsSetValue),這樣,該CRT函數以及其他CRT函數都可以使用該線程的tiddata塊了(此即所謂“前人栽樹后人乘涼”了,^_^)。
            當然,如果說你的線程運行的時候一直沒有問題是幾乎不可能的。事實上,的確有一些問題需要說說。如果線程使用了CRT的signal函數,整個進程都會被中止,因為結構化異常處理體尚未準備好。同樣,如果不調用_endthreadex來中止線程就會造成內存泄漏,如果使用_beginthreadex,當然會容易想到_endthreadex,但如果你習慣了使用CreateThread,是否還會想起_endthreadex,我表示極大的懷疑,而且CreateThread/_endthreadex的組合怎么看怎么讓人別扭。
            不要忘記開始的問題,接下來讓我們再來看看效率問題。CRT庫的多線程版本在某些函數里面放置了同步原語,比如malloc,為了保證堆不會被同時調用的 malloc函數破壞,這不可避免地會對效率造成影響,C/C++的哲學我們不應忘記,“決不為自己沒有用到的付出代價”,自然,我們無權要求單線程程序為多線程程序付出它們不該付出的代價,所以,開頭的問題也有了答案。
            上面所說的都是靜態鏈接的CRT庫,而CRT庫的動態鏈接版本則被編寫得更加通用,以便能夠被任何運行的程序和DLL共享。正是基于這個原因,這個版本的庫只存在多線程版本。因為CRT庫是以DLL形式提供的,程序和DLL不需要包含CRT庫的任何代碼,自然尺寸也就更小。同時,如果Microsoft修正了CRT庫DLL中的Bug,程序也就自然受益了。
            終于該結束了,還是來幾句總結吧:首先,如果你調用_beginthreadex,你會獲得線程的句柄,句柄當然需要關閉,但_endthreadex并沒有這么做。通常是調用_beginthreadex的線程(很可能是主線程)來調用CloseHandle關閉不再需要的新線程的句柄。其次,如果你使用CRT函數,你只需要使用_beginthreadex即可。如果不使用,那么你可以只使用CreateThread。同樣,如果只有一個線程(主線程)使用 CRT,你也可以使用CreateThread;如果新創建的線程不使用CRT,那么你也不需要_beginthreadex和多線程CRT。

            posted on 2011-05-13 11:08 厚積薄發 閱讀(634) 評論(0)  編輯 收藏 引用 所屬分類: Windows編程

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