深入浅出Win32多线程程序设计之线程控制
2013-12-17 12:23
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WIN32线程控制主要实现线程的创建、终止、挂起和恢复等操作,这些操作都依赖于WIN32提供的一组API和具体编译器的C运行时库函数。
1.线程函数
在启动一个线程之前,必须为线程编写一个全局的线程函数,这个线程函数接受一个32位的LPVOID作为参数,返回一个UINT,线程函数的结构为:
在线程处理代码部分通常包括一个死循环,该循环中先等待某事情的发生,再处理相关的工作:
一般来说,C++的类成员函数不能作为线程函数。这是因为在类中定义的成员函数,编译器会给其加上this指针。请看下列程序:
程序编译时出现如下错误:
再看下列程序:
程序编译时会出错:
如果一定要以类成员函数作为线程函数,通常有如下解决方案:
(1)将该成员函数声明为static类型,去掉this指针;
我们将上述二个程序改变为:
均编译通过。
将成员函数声明为静态虽然可以解决作为线程函数的问题,但是它带来了新的问题,那就是static成员函数只能访问static成员。解决此问题的一种途径是可以在调用类静态成员函数(线程函数)时将this指针作为参数传入,并在改线程函数中用强制类型转换将this转换成指向该类的指针,通过该指针访问非静态成员。
(2)不定义类成员函数为线程函数,而将线程函数定义为类的友元函数。这样,线程函数也可以有类成员函数同等的权限;
我们将程序修改为:
(3)可以对非静态成员函数实现回调,并访问非静态成员。
C++类成员函数直接作为线程回调函数
众所周知,C++的类成员函数不能像普通函数那样用于回调,因为每个成员函数都需要有一个对象实例去调用它。
通常情况下,要实现成员函数作为回调函数,一种常用的方法就是把该成员函数设计为静态成员函数,但这样做有一个缺点,就是会破坏类的结构性,因为静态成员函数只能访问该类的静态成员变量和静态成员函数,不能访问非静态的,要解决这个问题,需要把对象实例的指针或引用做为参数传给它。
在一次偶然的机会下,看到了一种方法可以简单的实现回调非静态成员函数,其原理就是把要调用该成员函数的对象实例赋值给一个变量,然后通过该变量来调用成员函数。把逻辑整理了一下,然后写了一个简单的回调代理类,通过这个类,可以简单的实现非静态函数的回调。
CallbackProxy.h
Cpp代码
#ifndef __CALLBACK_PROXY_H__
#define __CALLBACK_PROXY_H__
//Tobject:调用对象的类型,Tparam回调函数参数的类型
template<typename Tobject, typename Tparam>
class CCallbackProxy
{
typedef void (Tobject::*CbFun)(Tparam*);
public:
void Set(Tobject *pInstance, CbFun pFun);
bool Exec(Tparam* pParam);
private:
CbFun pCbFun; //回调函数指针
Tobject* m_pInstance; //调用对象
};
//设置调用对象及其回调函数
template<typename Tobject, typename Tparam>
void CCallbackProxy<Tobject, Tparam>::Set(Tobject *pInstance , CbFun pFun)
{
m_pInstance = pInstance;
pCbFun = pFun;
};
//调用回调函数
template<typename Tobject, typename Tparam>
bool CCallbackProxy<Tobject, Tparam>::Exec(Tparam* pParam)
{
(m_pInstance->*pCbFun)(pParam);
return true;
}
#endif
下面演示下如何使用该类
test.cpp
Cpp代码
#include "CallbackProxy.h"
class CTest
{
public:
CTest(int nNum);
void CbPrintSum(int *pnAddNum){printf("The Sum is %d\n", m_nSum+*pnAddNum);};
private:
int m_nSum;
};
int main(int argc, char* argv[])
{
CCallbackProxy<CTest, int> CbProxy;
CTest TestInstance(20);
CbProxy.Set(&TestInstance, &CTest::CbPrintSum);
int nNum = 1000;
CbProxy.Exec(&nNum);
return 0;
}
CTest::CTest(int nNum):
m_nSum(nNum)
{
}
2.创建线程
进程的主线程由操作系统自动生成,Win32提供了CreateThread API来完成用户线程的创建,该API的原型为:
如果使用C/C++语言编写多线程应用程序,一定不能使用操作系统提供的CreateThread API,而应该使用C/C++运行时库中的_beginthread(或_beginthreadex),其函数原型为:
_beginthread函数与Win32 API 中的CreateThread函数类似,但有如下差异:
(1)通过_beginthread函数我们可以利用其参数列表arglist将多个参数传递到线程;
(2)_beginthread 函数初始化某些 C 运行时库变量,在线程中若需要使用 C 运行时库。
3.终止线程
线程的终止有如下四种方式:
(1)线程函数返回;
(2)线程自身调用ExitThread 函数即终止自己,其原型为:
它将参数fuExitCode设置为线程的退出码。
注意:如果使用C/C++编写代码,我们应该使用C/C++运行时库函数_endthread (_endthreadex)终止线程,决不能使用ExitThread!
_endthread 函数对于线程内的条件终止很有用。例如,专门用于通信处理的线程若无法获取对通信端口的控制,则会退出。
(3)同一进程或其他进程的线程调用TerminateThread函数,其原型为:
该函数用来结束由hThread参数指定的线程,并把dwExitCode设成该线程的退出码。当某个线程不再响应时,我们可以用其他线程调用该函数来终止这个不响应的线程。
(4)包含线程的进程终止。
最好使用第1种方式终止线程,第2~4种方式都不宜采用。
4.挂起与恢复线程
当我们创建线程的时候,如果给其传入CREATE_SUSPENDED标志,则该线程创建后被挂起,我们应使用ResumeThread恢复它:
如果ResumeThread函数运行成功,它将返回线程的前一个暂停计数,否则返回0x FFFFFFFF。
对于没有被挂起的线程,程序员可以调用SuspendThread函数强行挂起之:
一个线程可以被挂起多次。线程可以自行暂停运行,但是不能自行恢复运行。如果一个线程被挂起n次,则该线程也必须被恢复n次才可能得以执行。
5.设置线程优先级
当一个线程被首次创建时,它的优先级等同于它所属进程的优先级。在单个进程内可以通过调用SetThreadPriority函数改变线程的相对优先级。一个线程的优先级是相对于其所属进程的优先级而言的。
其中参数hThread是指向待修改优先级线程的句柄,线程与包含它的进程的优先级关系如下:
线程优先级 = 进程类基本优先级 + 线程相对优先级
进程类的基本优先级包括:
(1)实时:REALTIME_PRIORITY_CLASS;
(2)高:HIGH _PRIORITY_CLASS;
(3)高于正常:ABOVE_NORMAL_PRIORITY_CLASS;
(4)正常:NORMAL _PRIORITY_CLASS;
(5)低于正常:BELOW_ NORMAL _PRIORITY_CLASS;
(6)空闲:IDLE_PRIORITY_CLASS。
我们从Win32任务管理器中可以直观的看到这六个进程类优先级,如下图:
线程的相对优先级包括:
(1)空闲:THREAD_PRIORITY_IDLE;
(2)最低线程:THREAD_PRIORITY_LOWEST;
(3)低于正常线程:THREAD_PRIORITY_BELOW_NORMAL;
(4)正常线程:THREAD_PRIORITY_ NORMAL (缺省);
(5)高于正常线程:THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL;
(6)最高线程:THREAD_PRIORITY_HIGHEST;
(7)关键时间:THREAD_PRIOTITY_CRITICAL。
下图给出了进程优先级和线程相对优先级的映射关系:
例如:
6.睡眠
该函数可使线程暂停自己的运行,直到dwMilliseconds毫秒过去为止。它告诉系统,自身不想在某个时间段内被调度。
7.其它重要API
获得线程优先级
一个线程被创建时,就会有一个默认的优先级,但是有时要动态地改变一个线程的优先级,有时需获得一个线程的优先级。
如果函数执行发生错误,会返回THREAD_PRIORITY_ERROR_RETURN标志。如果函数成功地执行,会返回优先级标志。
获得线程退出码
如果执行成功,GetExitCodeThread返回TRUE,退出码被lpExitCode指向内存记录;否则返回FALSE,我们可通过GetLastError()获知错误原因。如果线程尚未结束,lpExitCode带回来的将是STILL_ALIVE。
由于GetThreadContext和SetThreadContext可以操作CPU内部的寄存器,因此在一些高级技巧的编程中有一定应用。譬如,调试器可利用GetThreadContext挂起被调试线程获取其上下文,并设置上下文中的标志寄存器中的陷阱标志位,最后通过SetThreadContext使设置生效来进行单步调试。
8.实例
以下程序使用CreateThread创建两个线程,在这两个线程中Sleep一段时间,主线程通过GetExitCodeThread来判断两个线程是否结束运行:
通过下面的程序我们可以看出多线程程序运行顺序的难以预料以及WINAPI的CreateThread函数与C运行时库的_beginthread的差别:
运行的输出具有很大的随机性,这里摘取了几次结果的一部分(几乎每一次都不同):
如果我们使用标准C库函数而不是多线程版的运行时库,则程序可能输出"3333444444"这样的结果,而使用多线程运行时库后,则可避免这一问题。
下列程序在主线程中创建一个SecondThread,在SecondThread线程中通过自增对Counter计数到1000000,主线程一直等待其结束:
1.线程函数
在启动一个线程之前,必须为线程编写一个全局的线程函数,这个线程函数接受一个32位的LPVOID作为参数,返回一个UINT,线程函数的结构为:
UINT ThreadFunction(LPVOID pParam) { //线程处理代码 return0; } |
while(1) { WaitForSingleObject(…,…);//或WaitForMultipleObjects(…) //Do something } |
#include "windows.h" #include <process.h> class ExampleTask { public: void taskmain(LPVOID param); void StartTask(); }; void ExampleTask::taskmain(LPVOID param) {} void ExampleTask::StartTask() { _beginthread(taskmain,0,NULL); } int main(int argc, char* argv[]) { ExampleTask realTimeTask; realTimeTask.StartTask(); return 0; } |
error C2664: "_beginthread" : cannot convert parameter 1 from "void (void *)" to "void (__cdecl *)(void *)" None of the functions with this name in scope match the target type |
#include "windows.h" #include <process.h> class ExampleTask { public: void taskmain(LPVOID param); }; void ExampleTask::taskmain(LPVOID param) {} int main(int argc, char* argv[]) { ExampleTask realTimeTask; _beginthread(ExampleTask::taskmain,0,NULL); return 0; } |
error C2664: "_beginthread" : cannot convert parameter 1 from "void (void *)" to "void (__cdecl *)(void *)" None of the functions with this name in scope match the target type |
(1)将该成员函数声明为static类型,去掉this指针;
我们将上述二个程序改变为:
#include "windows.h" #include <process.h> class ExampleTask { public: void static taskmain(LPVOID param); void StartTask(); }; void ExampleTask::taskmain(LPVOID param) {} void ExampleTask::StartTask() { _beginthread(taskmain,0,NULL); } int main(int argc, char* argv[]) { ExampleTask realTimeTask; realTimeTask.StartTask(); return 0; } 和 #include "windows.h" #include <process.h> class ExampleTask { public: void static taskmain(LPVOID param); }; void ExampleTask::taskmain(LPVOID param) {} int main(int argc, char* argv[]) { _beginthread(ExampleTask::taskmain,0,NULL); return 0; } |
将成员函数声明为静态虽然可以解决作为线程函数的问题,但是它带来了新的问题,那就是static成员函数只能访问static成员。解决此问题的一种途径是可以在调用类静态成员函数(线程函数)时将this指针作为参数传入,并在改线程函数中用强制类型转换将this转换成指向该类的指针,通过该指针访问非静态成员。
(2)不定义类成员函数为线程函数,而将线程函数定义为类的友元函数。这样,线程函数也可以有类成员函数同等的权限;
我们将程序修改为:
#include "windows.h" #include <process.h> class ExampleTask { public: friend void taskmain(LPVOID param); void StartTask(); }; void taskmain(LPVOID param) { ExampleTask * pTaskMain = (ExampleTask *) param; //通过pTaskMain指针引用 } void ExampleTask::StartTask() { _beginthread(taskmain,0,this); } int main(int argc, char* argv[]) { ExampleTask realTimeTask; realTimeTask.StartTask(); return 0; } |
C++类成员函数直接作为线程回调函数
众所周知,C++的类成员函数不能像普通函数那样用于回调,因为每个成员函数都需要有一个对象实例去调用它。
通常情况下,要实现成员函数作为回调函数,一种常用的方法就是把该成员函数设计为静态成员函数,但这样做有一个缺点,就是会破坏类的结构性,因为静态成员函数只能访问该类的静态成员变量和静态成员函数,不能访问非静态的,要解决这个问题,需要把对象实例的指针或引用做为参数传给它。
在一次偶然的机会下,看到了一种方法可以简单的实现回调非静态成员函数,其原理就是把要调用该成员函数的对象实例赋值给一个变量,然后通过该变量来调用成员函数。把逻辑整理了一下,然后写了一个简单的回调代理类,通过这个类,可以简单的实现非静态函数的回调。
CallbackProxy.h
Cpp代码
#ifndef __CALLBACK_PROXY_H__
#define __CALLBACK_PROXY_H__
//Tobject:调用对象的类型,Tparam回调函数参数的类型
template<typename Tobject, typename Tparam>
class CCallbackProxy
{
typedef void (Tobject::*CbFun)(Tparam*);
public:
void Set(Tobject *pInstance, CbFun pFun);
bool Exec(Tparam* pParam);
private:
CbFun pCbFun; //回调函数指针
Tobject* m_pInstance; //调用对象
};
//设置调用对象及其回调函数
template<typename Tobject, typename Tparam>
void CCallbackProxy<Tobject, Tparam>::Set(Tobject *pInstance , CbFun pFun)
{
m_pInstance = pInstance;
pCbFun = pFun;
};
//调用回调函数
template<typename Tobject, typename Tparam>
bool CCallbackProxy<Tobject, Tparam>::Exec(Tparam* pParam)
{
(m_pInstance->*pCbFun)(pParam);
return true;
}
#endif
下面演示下如何使用该类
test.cpp
Cpp代码
#include "CallbackProxy.h"
class CTest
{
public:
CTest(int nNum);
void CbPrintSum(int *pnAddNum){printf("The Sum is %d\n", m_nSum+*pnAddNum);};
private:
int m_nSum;
};
int main(int argc, char* argv[])
{
CCallbackProxy<CTest, int> CbProxy;
CTest TestInstance(20);
CbProxy.Set(&TestInstance, &CTest::CbPrintSum);
int nNum = 1000;
CbProxy.Exec(&nNum);
return 0;
}
CTest::CTest(int nNum):
m_nSum(nNum)
{
}
2.创建线程
进程的主线程由操作系统自动生成,Win32提供了CreateThread API来完成用户线程的创建,该API的原型为:
HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,//Pointer to a SECURITY_ATTRIBUTES structure SIZE_T dwStackSize, //Initial size of the stack, in bytes. LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, LPVOID lpParameter, //Pointer to a variable to be passed to the thread DWORD dwCreationFlags, //Flags that control the creation of the thread LPDWORD lpThreadId //Pointer to a variable that receives the thread identifier ); |
uintptr_t _beginthread( void( __cdecl *start_address )( void * ), //Start address of routine that begins execution of new thread unsigned stack_size, //Stack size for new thread or 0. void *arglist //Argument list to be passed to new thread or NULL ); uintptr_t _beginthreadex( void *security,//Pointer to a SECURITY_ATTRIBUTES structure unsigned stack_size, unsigned ( __stdcall *start_address )( void * ), void *arglist, unsigned initflag,//Initial state of new thread (0 for running or CREATE_SUSPENDED for suspended); unsigned *thrdaddr ); |
(1)通过_beginthread函数我们可以利用其参数列表arglist将多个参数传递到线程;
(2)_beginthread 函数初始化某些 C 运行时库变量,在线程中若需要使用 C 运行时库。
3.终止线程
线程的终止有如下四种方式:
(1)线程函数返回;
(2)线程自身调用ExitThread 函数即终止自己,其原型为:
VOID ExitThread(UINT fuExitCode ); |
注意:如果使用C/C++编写代码,我们应该使用C/C++运行时库函数_endthread (_endthreadex)终止线程,决不能使用ExitThread!
_endthread 函数对于线程内的条件终止很有用。例如,专门用于通信处理的线程若无法获取对通信端口的控制,则会退出。
(3)同一进程或其他进程的线程调用TerminateThread函数,其原型为:
BOOL TerminateThread(HANDLE hThread,DWORD dwExitCode); |
(4)包含线程的进程终止。
最好使用第1种方式终止线程,第2~4种方式都不宜采用。
4.挂起与恢复线程
当我们创建线程的时候,如果给其传入CREATE_SUSPENDED标志,则该线程创建后被挂起,我们应使用ResumeThread恢复它:
DWORD ResumeThread(HANDLE hThread); |
对于没有被挂起的线程,程序员可以调用SuspendThread函数强行挂起之:
DWORD SuspendThread(HANDLE hThread); |
5.设置线程优先级
当一个线程被首次创建时,它的优先级等同于它所属进程的优先级。在单个进程内可以通过调用SetThreadPriority函数改变线程的相对优先级。一个线程的优先级是相对于其所属进程的优先级而言的。
BOOL SetThreadPriority(HANDLE hThread, int nPriority); |
线程优先级 = 进程类基本优先级 + 线程相对优先级
进程类的基本优先级包括:
(1)实时:REALTIME_PRIORITY_CLASS;
(2)高:HIGH _PRIORITY_CLASS;
(3)高于正常:ABOVE_NORMAL_PRIORITY_CLASS;
(4)正常:NORMAL _PRIORITY_CLASS;
(5)低于正常:BELOW_ NORMAL _PRIORITY_CLASS;
(6)空闲:IDLE_PRIORITY_CLASS。
我们从Win32任务管理器中可以直观的看到这六个进程类优先级,如下图:
(1)空闲:THREAD_PRIORITY_IDLE;
(2)最低线程:THREAD_PRIORITY_LOWEST;
(3)低于正常线程:THREAD_PRIORITY_BELOW_NORMAL;
(4)正常线程:THREAD_PRIORITY_ NORMAL (缺省);
(5)高于正常线程:THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL;
(6)最高线程:THREAD_PRIORITY_HIGHEST;
(7)关键时间:THREAD_PRIOTITY_CRITICAL。
下图给出了进程优先级和线程相对优先级的映射关系:
HANDLE hCurrentThread = GetCurrentThread(); //获得该线程句柄 SetThreadPriority(hCurrentThread, THREAD_PRIORITY_LOWEST); |
VOID Sleep(DWORD dwMilliseconds); |
7.其它重要API
获得线程优先级
一个线程被创建时,就会有一个默认的优先级,但是有时要动态地改变一个线程的优先级,有时需获得一个线程的优先级。
Int GetThreadPriority (HANDLE hThread); |
获得线程退出码
BOOL WINAPI GetExitCodeThread( HANDLE hThread, LPDWORD lpExitCode ); |
获得/设置线程上下文 BOOL WINAPI GetThreadContext( HANDLE hThread, LPCONTEXT lpContext ); BOOL WINAPI SetThreadContext( HANDLE hThread, CONST CONTEXT *lpContext ); |
8.实例
以下程序使用CreateThread创建两个线程,在这两个线程中Sleep一段时间,主线程通过GetExitCodeThread来判断两个线程是否结束运行:
#define WIN32_LEAN_AND_MEAN #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <windows.h> #include <conio.h> DWORD WINAPI ThreadFunc(LPVOID); int main() { HANDLE hThrd1; HANDLE hThrd2; DWORD exitCode1 = 0; DWORD exitCode2 = 0; DWORD threadId; hThrd1 = CreateThread(NULL, 0, ThreadFunc, (LPVOID)1, 0, &threadId ); if (hThrd1) printf("Thread 1 launched "); hThrd2 = CreateThread(NULL, 0, ThreadFunc, (LPVOID)2, 0, &threadId ); if (hThrd2) printf("Thread 2 launched "); // Keep waiting until both calls to GetExitCodeThread succeed AND // neither of them returns STILL_ACTIVE. for (;;) { printf("Press any key to exit.. "); getch(); GetExitCodeThread(hThrd1, &exitCode1); GetExitCodeThread(hThrd2, &exitCode2); if ( exitCode1 == STILL_ACTIVE ) puts("Thread 1 is still running!"); if ( exitCode2 == STILL_ACTIVE ) puts("Thread 2 is still running!"); if ( exitCode1 != STILL_ACTIVE && exitCode2 != STILL_ACTIVE ) break; } CloseHandle(hThrd1); CloseHandle(hThrd2); printf("Thread 1 returned %d ", exitCode1); printf("Thread 2 returned %d ", exitCode2); return EXIT_SUCCESS; } /* * Take the startup value, do some simple math on it, * and return the calculated value. */ DWORD WINAPI ThreadFunc(LPVOID n) { Sleep((DWORD)n*1000*2); return (DWORD)n * 10; } |
#define WIN32_LEAN_AND_MEAN #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <windows.h> DWORD WINAPI ThreadFunc(LPVOID); int main() { HANDLE hThrd; DWORD threadId; int i; for (i = 0; i < 5; i++) { hThrd = CreateThread(NULL, 0, ThreadFunc, (LPVOID)i, 0, &threadId); if (hThrd) { printf("Thread launched %d ", i); CloseHandle(hThrd); } } // Wait for the threads to complete. Sleep(2000); return EXIT_SUCCESS; } DWORD WINAPI ThreadFunc(LPVOID n) { int i; for (i = 0; i < 10; i++) printf("%d%d%d%d%d%d%d%d ", n, n, n, n, n, n, n, n); return 0; } |
下列程序在主线程中创建一个SecondThread,在SecondThread线程中通过自增对Counter计数到1000000,主线程一直等待其结束:
#include <Win32.h> #include <stdio.h> #include <process.h> unsigned Counter; unsigned __stdcall SecondThreadFunc(void *pArguments) { printf("In second thread... "); while (Counter < 1000000) Counter++; _endthreadex(0); return 0; } int main() { HANDLE hThread; unsigned threadID; printf("Creating second thread... "); // Create the second thread. hThread = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, &SecondThreadFunc, NULL, 0, &threadID); // Wait until second thread terminates WaitForSingleObject(hThread, INFINITE); printf("Counter should be 1000000; it is-> %d ", Counter); // Destroy the thread object. CloseHandle(hThread); } |
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