深入淺出Win32多線程程序設(shè)計之基本概念

2019-11-17 05:09:09

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供稿：網(wǎng)友

　　引言

　　從單進(jìn)程單線程到多進(jìn)程多線程是操作系統(tǒng)發(fā)展的一種必然趨勢，當(dāng)年的DOS系統(tǒng)屬于單任務(wù)操作系統(tǒng)，最優(yōu)秀的程序員也只能通過駐留內(nèi)存的方式實現(xiàn)所謂的"多任務(wù)"，而如今的Win32操作系統(tǒng)卻可以一邊聽音樂，一邊編程，一邊打印文檔。

　　理解多線程及其同步、互斥等通信方式是理解現(xiàn)代操作系統(tǒng)的要害一環(huán)，當(dāng)我們精通了Win32多線程程序設(shè)計后，理解和學(xué)習(xí)其它操作系統(tǒng)的多任務(wù)控制也非常輕易。許多程序員從來沒有學(xué)習(xí)過嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域聞名的操作系統(tǒng)VxWorks，但是立馬就能在上面做開發(fā)，大概要歸功于平時在Win32多線程上下的功夫。

　　因此，學(xué)習(xí)Win32多線程不僅對理解Win32本身有重要意義，而且對學(xué)習(xí)和領(lǐng)會其它操作系統(tǒng)也有觸類旁通的作用。

　　進(jìn)程與線程

　　先闡述一下進(jìn)程和線程的概念和區(qū)別，這是一個許多大學(xué)老師也講不清楚的問題。

　　進(jìn)程（PRocess）是具有一定獨立功能的程序關(guān)于某個數(shù)據(jù)集合上的一次運行活動，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位。程序只是一組指令的有序集合，它本身沒有任何運行的含義，只是一個靜態(tài)實體。而進(jìn)程則不同，它是程序在某個數(shù)據(jù)集上的執(zhí)行，是一個動態(tài)實體。它因創(chuàng)建而產(chǎn)生，因調(diào)度而運行，因等待資源或事件而被處于等待狀態(tài)，因完成任務(wù)而被撤消，反映了一個程序在一定的數(shù)據(jù)集上運行的全部動態(tài)過程。

　　線程（Thread）是進(jìn)程的一個實體，是CPU調(diào)度和分派的基本單位。線程不能夠獨立執(zhí)行，必須依存在應(yīng)用程序中，由應(yīng)用程序提供多個線程執(zhí)行控制。

　　線程和進(jìn)程的關(guān)系是：線程是屬于進(jìn)程的，線程運行在進(jìn)程空間內(nèi)，同一進(jìn)程所產(chǎn)生的線程共享同一內(nèi)存空間，當(dāng)進(jìn)程退出時該進(jìn)程所產(chǎn)生的線程都會被強制退出并清除。線程可與屬于同一進(jìn)程的其它線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源，但是其本身基本上不擁有系統(tǒng)資源，只擁有一點在運行中必不可少的信息(如程序計數(shù)器、一組寄存器和棧)。

　　根據(jù)進(jìn)程與線程的設(shè)置，操作系統(tǒng)大致分為如下類型：

　?。?）單進(jìn)程、單線程，MS-DOS大致是這種操作系統(tǒng)；

　?。?）多進(jìn)程、單線程，多數(shù)UNIX（及類UNIX的linux）是這種操作系統(tǒng)；

　　（3）多進(jìn)程、多線程，Win32（Windows NT/2000/XP等）、Solaris 2.x和OS/2都是這種操作系統(tǒng)；

　　（4）單進(jìn)程、多線程，VxWorks是這種操作系統(tǒng)。

　　在操作系統(tǒng)中引入線程帶來的主要好處是：

　?。?）在進(jìn)程內(nèi)創(chuàng)建、終止線程比創(chuàng)建、終止進(jìn)程要快；

　?。?）同一進(jìn)程內(nèi)的線程間切換比進(jìn)程間的切換要快，尤其是用戶級線程間的切換。另外，線程的出現(xiàn)還因為以下幾個原因：

　　（1）并發(fā)程序的并發(fā)執(zhí)行，在多處理環(huán)境下更為有效。一個并發(fā)程序可以建立一個進(jìn)程,而這個并發(fā)程序中的若干并發(fā)程序段就可以分別建立若干線程,使這些線程在不同的處理機上執(zhí)行。

　?。?）每個進(jìn)程具有獨立的地址空間，而該進(jìn)程內(nèi)的所有線程共享該地址空間。這樣可以解決父子進(jìn)程模型中，子進(jìn)程必須復(fù)制父進(jìn)程地址空間的問題。

　　（3）線程對解決客戶/服務(wù)器模型非常有效。

　　Win32進(jìn)程

　　1、進(jìn)程間通信（ipC）

　　Win32進(jìn)程間通信的方式主要有：

　　（1）剪貼板(Clip Board)；

　　（2）動態(tài)數(shù)據(jù)交換(Dynamic Data Exchange)；

　?。?）部件對象模型(Component Object Model)；

　　（4）文件映射(File Mapping)；

　?。?）郵件槽(Mail Slots)；

　　（6）管道(Pipes)；

　?。?）Win32套接字(Socket)；

　?。?）遠(yuǎn)程過程調(diào)用(Remote Procedure Call)；

　　（9）WM_COPYDATA消息(WM_COPYDATA Message)。

　　2、獲取進(jìn)程信息

　　在WIN32中，可使用在PSAPI .DLL中提供的Process status Helper函數(shù)幫助我們獲取進(jìn)程信息。

　　（1）EnumProcesses()函數(shù)可以獲取進(jìn)程的ID，其原型為：

BOOL EnumProcesses(DWord * lpidProcess, DWORD cb, DWORD*cbNeeded);
　　參數(shù)lpidProcess：一個足夠大的DWORD類型的數(shù)組，用于存放進(jìn)程的ID值；

　　參數(shù)cb：存放進(jìn)程ID值的數(shù)組的最大長度，是一個DWORD類型的數(shù)據(jù)；

　　參數(shù)cbNeeded：指向一個DWORD類型數(shù)據(jù)的指針，用于返回進(jìn)程的數(shù)目；

　　函數(shù)返回值：假如調(diào)用成功，返回TRUE，同時將所有進(jìn)程的ID值存放在lpidProcess參數(shù)所指向的數(shù)組中，進(jìn)程個數(shù)存放在cbNeeded參數(shù)所指向的變量中；假如調(diào)用失敗，返回FALSE。

　　（2）GetModuleFileNameExA()函數(shù)可以實現(xiàn)通過進(jìn)程句柄獲取進(jìn)程文件名，其原型為：

DWORD GetModuleFileNameExA(HANDLE hProcess, HMODULE hModule,LPTSTR lpstrFileName, DWORD nsize);
　　參數(shù)hProcess：接受進(jìn)程句柄的參數(shù)，是HANDLE類型的變量；

　　參數(shù)hModule：指針型參數(shù)，在本文的程序中取值為NULL；

　　參數(shù)lpstrFileName：LPTSTR類型的指針，用于接受主調(diào)函數(shù)傳遞來的用于存放進(jìn)程名的字符數(shù)組指針；

　　參數(shù)nsize：lpstrFileName所指數(shù)組的長度；

　　函數(shù)返回值：假如調(diào)用成功，返回一個大于0的DWORD類型的數(shù)據(jù)，同時將hProcess所對應(yīng)的進(jìn)程名存放在lpstrFileName參數(shù)所指向的數(shù)組中；加果調(diào)用失敗，則返回0。

　　通過下列代碼就可以遍歷系統(tǒng)中的進(jìn)程，獲得進(jìn)程列表：

//獲取當(dāng)前進(jìn)程總數(shù)
EnumProcesses(process_ids, sizeof(process_ids), &num_processes);
//遍歷進(jìn)程
for (int i = 0; i < num_processes; i++)
{
　//根據(jù)進(jìn)程ID獲取句柄 
　process[i] = OpenProcess(PROCESS_QUERY_INFORMATION  PROCESS_VM_READ, 0,
　process_ids[i]);
　//通過句柄獲取進(jìn)程文件名
　if (GetModuleFileNameExA(process[i], NULL, File_name, sizeof(fileName)))
　　cout << fileName << endl;
}

　　Win32線程

　　WIN32靠線程的優(yōu)先級（達(dá)到搶占式多任務(wù)的目的）及分配給線程的CPU時間來調(diào)度線程。WIN32本身的許多應(yīng)用程序也利用了多線程的特性，如任務(wù)治理器等。

　　本質(zhì)而言，一個處理器同一時刻只能執(zhí)行一個線程（"微觀串行"）。WIN32多任務(wù)機制使得CPU似乎在同時處理多個任務(wù)一樣，實現(xiàn)了"宏觀并行"。其多線程調(diào)度的機制為：

　?。?）運行一個線程，直到被中斷或線程必須等待到某個資源可用；

　　（2）保存當(dāng)前執(zhí)行線程的描述表(上下文)；

　?。?）裝入下一執(zhí)行線程的描述表(上下文)；

　?。?）若存在等待被執(zhí)行的線程，則重復(fù)上述過程。

　　WIN32下的線程可能具有不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級的范圍為0～31，共32級，其中31表示最高優(yōu)先級，優(yōu)先級0為系統(tǒng)保留。它們可以分成兩類，即實時優(yōu)先級和可變優(yōu)先級：

　?。?）實時優(yōu)先級從16到31，是實時程序所用的高優(yōu)先級線程，如許多監(jiān)控類應(yīng)用程序；

　?。?）可變優(yōu)先級從1到15，絕大多數(shù)程序的優(yōu)先級都在這個范圍內(nèi)。。WIN32調(diào)度器為了優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)時間，在它們執(zhí)行過程中可動態(tài)調(diào)整它們的優(yōu)先級。

　　多線程確實給應(yīng)用開發(fā)帶來了許多好處，但并非任何情況下都要使用多線程，一定要根據(jù)應(yīng)用程序的具體情況來綜合考慮。一般來說，在以下情況下可以考慮使用多線程：

　?。?）應(yīng)用程序中的各任務(wù)相對獨立；

　?。?）某些任務(wù)耗時較多；

　?。?）各任務(wù)需要有不同的優(yōu)先級。

　　另外，對于一些實時系統(tǒng)應(yīng)用，應(yīng)考慮多線程。

　　Win32核心對象

　　WIN32核心對象包括進(jìn)程、線程、文件、事件、信號量、互斥體和管道，核心對象可能有不只一個擁有者，甚至可以跨進(jìn)程。有一組WIN32 API與核心對象息息相關(guān)：

　?。?）WaitForSingleObject，用于等待對象的"激活"，其函數(shù)原型為：

DWORD WaitForSingleObject(
　HANDLE hHandle, // 等待對象的句柄
　DWORD dwMilliseconds // 等待毫秒數(shù)，INFINITE表示無限等待
);

　　可以作為WaitForSingleObject第一個參數(shù)的對象包括：Change notification、Console input、Event、Job、Memory resource notification、Mutex、Process、Semaphore、Thread和Waitable timer。

　　假如等待的對象不可用，那么線程就會掛起，直到對象可用線程才會被喚醒。對不同的對象，WaitForSingleObject表現(xiàn)為不同的含義。例如，使用WaitForSingleObject(hThread,…)可以判定一個線程是否結(jié)束；使用WaitForSingleObject(hMutex,…)可以判定是否能夠進(jìn)入臨界區(qū)；而WaitForSingleObject (hProcess,… )則表現(xiàn)為等待一個進(jìn)程的結(jié)束。

　　與WaitForSingleObject對應(yīng)還有一個WaitForMultipleObjects函數(shù)，可以用于等待多個對象，其原型為：

DWORD WaitForMultipleObjects(DWORD nCount,const HANDLE* pHandles,BOOL bWaitAll,DWORD dwMilliseconds);
　　（2）CloseHandle，用于關(guān)閉對象，其函數(shù)原型為：

BOOL CloseHandle(HANDLE hObject);
　　假如函數(shù)執(zhí)行成功，則返回TRUE；否則返回FALSE，我們可以通過GetLastError函數(shù)進(jìn)一步可以獲得錯誤原因。

　　C運行時庫

　　在VC++6.0中，有兩種多線程編程方法：一是使用C運行時庫及WIN32 API函數(shù)，另一種方法是使用MFC，MFC對多線程開發(fā)有強大的支持。
標(biāo)準(zhǔn)C運行時庫是1970年問世的，當(dāng)時還沒有多線程的概念。因此，C運行時庫早期的設(shè)計者們不可能考慮到讓其支持多線程應(yīng)用程序。
Visual C++提供了兩種版本的C運行時庫，-個版本供單線程應(yīng)用程序調(diào)用，另一個版本供多線程應(yīng)用程序調(diào)用。多線程運行時庫與單線程運行時庫有兩個重大差別：

　　（1）類似errno的全局變量，每個線程單獨設(shè)置一個；

　　這樣從每個線程中可以獲取正確的錯誤信息。

　?。?）多線程庫中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以同步機制加以保護(hù)。

　　這樣可以避免訪問時候的沖突。

　　Visual C++提供的多線程運行時庫又分為靜態(tài)鏈接庫和動態(tài)鏈接庫兩類，而每一類運行時庫又可再分為debug版和release版，因此Visual C++共提供了6個運行時庫。如下表：

C運行時庫庫文件Single thread(static link)libc.libDebug single thread(static link)Libcd.libMultiThread(static link)libcmt.libDebug multiThread(static link)libcmtd.libMultiThread(dynamic link)msvert.libDebug multiThread(dynamic link)msvertd.lib
　　假如不使用VC多線程C運行時庫來生成多線程程序，必須執(zhí)行下列操作：

　?。?）使用標(biāo)準(zhǔn) C 庫（基于單線程）并且只答應(yīng)可重入函數(shù)集進(jìn)行庫調(diào)用；

　　（2）使用 Win32 API 線程治理函數(shù)，如 CreateThread；

　?。?）通過使用 Win32 服務(wù)（如信號量和 EnterCriticalSection 及 LeaveCriticalSection 函數(shù)），為不可重入的函數(shù)提供自己的同步。

　　假如使用標(biāo)準(zhǔn) C 庫而調(diào)用VC運行時庫函數(shù)，則在程序的link階段會提示如下錯誤：

error LNK2001: unresolved external symbol __endthreadex
error LNK2001: unresolved external symbol __beginthreadex

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