windows平台多线程同步之Mutex的应用

windows平台多线程同步之Mutex的应用

前言

线程组成：

线程的内核对象，操作系统用来管理该线程的数据结构。

线程堆栈，它用于维护线程在执行代码时需要的所有参数和局部变量。

  操作系统为每一个运行线程安排一定的CPU时间 —— 时间片。系统通过一种循环的方式为线程提供时间片，线程在自己的时间内运行，多个线程不断地切换运行，因时间片相当短，因此，给用户的感觉，就好像线程是同时运行的一样。

  单cpu计算机一个时间只能运行一个线程，如果计算机拥有多个CPU，线程就能真正意义上同时运行了。

  windows平台下，创建线程可以使用windows api 函数CreateThread来实现,函数声明是：

WINBASEAPI
HANDLE
WINAPI
CreateThread(
    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,
    DWORD dwStackSize,
    LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,
    LPVOID lpParameter,
    DWORD dwCreationFlags,
    LPDWORD lpThreadId
    );

参数说明：

lpThreadAttributes	线程安全性，使用缺省安全性,一般缺省null
dwStackSize	堆栈大小，0为缺省大小
lpStartAddress	线程要执行的函数指针，即入口函数
lpParameter	线程参数
dwCreationFlags	线程标记，如为0，则创建后立即运行
lpThreadId	LPDWORD为返回值类型，一般传递地址去接收线程的标识符，一般设为null

因为要使用windows api函数,所以包含：

#include <windows.h>

另外需要标准输入输出函数，所以包含：

#include <iostream.h>

- 问题引出
  以多个售票窗口卖同一张火车票为例，定义一个全局的票数tickets，用两个线程来执行卖票，两个线程访问同一个变量tickets，先看一个不正确的写法：

//问题程序

#include <windows.h>
#include <iostream.h>

DWORD WINAPI Fun1Proc(
  LPVOID lpParameter   
);

DWORD WINAPI Fun2Proc(
  LPVOID lpParameter   
);

int tickets=100;

void main()
{
    HANDLE hThread1;
    HANDLE hThread2;
    hThread1=CreateThread(NULL,0,Fun1Proc,NULL,0,NULL);
    hThread2=CreateThread(NULL,0,Fun2Proc,NULL,0,NULL);

    CloseHandle(hThread1);
    CloseHandle(hThread2);

    system("pause");
}

DWORD WINAPI Fun1Proc(
  LPVOID lpParameter   
)
{
    while(TRUE)
    {
        if(tickets>0)
        {
            Sleep(1);//假定为卖票需要花费的时间
            cout<<"thread1 sell ticket : "<<tickets--<<endl;
        }
        else
            break;  
    }
    return 0;
}

DWORD WINAPI Fun2Proc(
  LPVOID lpParameter   // thread data
)
{   
    while(TRUE)
    {
        if(tickets>0)
        {
            Sleep(1);
            cout<<"thread2 sell ticket : "<<tickets--<<endl;
        }
        else
            break;  
    }
    return 0;
}

  线程中sleep(1);表名该线程放弃执行的权利，操作系统会选择另外的线程进行执行。所以执行结果是：



执行结果



  可以看见程序不是按照预期的效果执行的，tickets的改变是混乱的。所以两个线程访问同一块资源时，需要考虑线程同步问题，即其中一个线程操作改资源时，其他线程不能访问该资源，只能等待，该线程执行结束之后，其他线程才能对该资源进行访问。

  一般采用互斥对象来实现线程的同步。

互斥对象

特征：

  互斥对象(mutex)属于内核对象，它能够确保线程拥有对单个资源的互斥访问权。

  互斥对象包含一个使用数量，一个线程ID和一个计数器。

  ID用于标识系统中的哪个线程当前拥有互斥对象，计数器用于指明该线程拥有互斥对象的次数。

  采用互斥对象进行多线程同步的正确例子如下：

#include <windows.h>
#include <iostream.h>

DWORD WINAPI Fun1Proc(
  LPVOID lpParameter   // thread data
);

DWORD WINAPI Fun2Proc(
  LPVOID lpParameter   // thread data
);
int index=0;
int tickets=100;
HANDLE hMutex;
void main()
{
    HANDLE hThread1;
    HANDLE hThread2;
    hThread1=CreateThread(NULL,0,Fun1Proc,NULL,0,NULL);
    hThread2=CreateThread(NULL,0,Fun2Proc,NULL,0,NULL);
    CloseHandle(hThread1);
    CloseHandle(hThread2);

    //创建一个匿名的互斥对象，且为有信号状态，
    hMutex=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);

    system("pause");

}

DWORD WINAPI Fun1Proc(
  LPVOID lpParameter   // thread data
)
{
    while(TRUE)
    {
        //等待互斥对象的信号，INFINITE表示一直等待,对之后的代码进行保护
    WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);
        if(tickets>0)
        {
            Sleep(1);
            cout<<"thread1 sell ticket : "<<tickets--<<endl;
        }
        else
            break;
        //释放指定互斥对象的所有权，操作系统将互斥对象的线程id被置为0，互斥对象变为已通知状态，线程2就能请求到互斥对象
    ReleaseMutex(hMutex);
    }
    return 0;
}

DWORD WINAPI Fun2Proc(
  LPVOID lpParameter   // thread data
)
{
    while(TRUE)
    {
    WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);
        if(tickets>0)
        {
            Sleep(1);
            cout<<"thread2 sell ticket : "<<tickets--<<endl;
        }
        else
            break;
    ReleaseMutex(hMutex);
    }
    return 0;
}

执行结果



  通过测试可知，以上互斥对象的引入可以很好的解决线程间访问资源同步的问题。关于互斥对象，还有以下几个问题需要说明。

互斥对象的释放问题

  如果main中

hMutex=CreateMutex(NULL,TRUE,NULL);

  子线程中：

while(TRUE)
    {
    ReleaseMutex(hMutex);//无效
        //等待互斥对象的信号，INFINITE表示一直等待,对之后的代码进行保护
    WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);
    }

  如果CreateMutex第二个参数为true，则表示主线程拥有该互斥对象，操作系统将互斥对象的线程id设为主线程的线程id，如果主线程不释放，则子线程会一直等待，此时子线程也没有权利进行释放，所以使用互斥对象的原则是：谁拥有互斥对象，谁释放互斥对象。

  另外，如果main中

hMutex=CreateMutex(NULL,TRUE,NULL);

  并且再次请求互斥对象：

WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);

  并调用一次释放互斥对象：

ReleaseMutex(hMutex);

  此时子线程依然是等待状态，得不到互斥对象的使用权，原因是：

  CreateMutex(NULL,TRUE,NULL)由于第二个参数为true，主线程拥有互斥对象的使用权，互斥对象内部计数器加1，再次调用WaitForSingleObject请求互斥对象时，内部计数器又加1，计数器是记录线程拥有互斥对象的次数，而只释放ReleaseMutex了一次，互斥对象依然被占用，所以子线程得不到使用权。

  因此正确的写法是：

hMutex=CreateMutex(NULL,TRUE,NULL);
WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);
ReleaseMutex(hMutex);
ReleaseMutex(hMutex);

  如果多次请求互斥对象，就应该多次释放互斥对象。

  再看这样一种情况，线程中没有释放互斥对象的拥有权：

DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID lpParameter)
    {
        waitforsingleobject(hmutex,infinite);
        cout<<"thread1 is running"<<endl;
        return 0;
    }
    DWORD WINAPI Fun2Proc(LPVOID lpParameter)
    {
        waitforsingleobject(hmutex,infinite);
        cout<<"thread2 is running"<<endl;
        return 0;
    }

  此时执行依然能够得到输出：

"thread1 is running
    "thread2 is running

  这是因为：如果线程退出时没有释放互斥对象，操作系统在销毁线程时会自动将线程占用的互斥对象的信息清除，计数器归零，这样其他线程（thread2 ）就能申请到互斥对象使用权。

创建命名互斥对象

hMutex=CreateMutex(NULL,TRUE,"myApp");
    if(hMutex)
    {
        if(ERROR_ALREADY_EXISTS==GetLastError())
        {
            cout<<"已经有一个相同应用程序在运行!"<<endl;
            return;
        }
    }

  命名互斥对象的一种应用是：通过命名互斥对象，可以保证当前只有一个应用程序实例在运行。

  以上是关于windows平台下多线程同步相关的互斥对象的使用问题，之后将对线程同步的事件对象Event进行介绍和解析，敬请关注。文中如有谬误，还望不吝赐教。