Windows下多线程数据同步互斥的有关知识



对于操作系统而言，在并行程序设计中难免会遇到数据同步和共享的问题，本文针对这个问题，以windows系统为例回顾一下资源同步的相关问题。要点如下：

1.同步和数据共享
数据征用

2.同步原语
1.互斥和临界区
2.自旋锁
3.信号量
4.读写锁
5.屏障
6.原子操作与无锁代码

3.进程和进程间通信
1.共享内存和映射文件
2.条件变量
3.信号和事件
4.消息队列
5.命名管道
6.socket网络栈

一，基础知识

知识点：句柄

许多windows API函数都返回句柄。句柄只是无符号整数，但却有特殊的用途。返回句柄的windows API 调用实际上是在内核空间创建某个资源，句柄只是这个资源的索引。当应用程序使用完该资源后，就可调用CloseHandle()使内核释放相关的内核空间资源。

创建线程的3种不同的方式

#include "stdafx.h"

#include<windows.h>
#include<process.h>

DWORD WINAPI mywork1( LPVOID lpParameter)
{
printf("CreatThread thread %i\n",GetCurrentThreadId());
return 0;
}

unsigned int __stdcall mywork2(void *data)
{
printf("_beginthreadex thread %i\n",GetCurrentThreadId());
return 0;
}

void mywork3(void * data)
{
printf("_beginthreade thread %i\n",GetCurrentThreadId());

}

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{

HANDLE h1,h2,h3;
h1 = CreateThread(0,0,mywork1,0,0,0);

h2 = (HANDLE)_beginthreadex(0,0,&mywork2,0,0,0);
WaitForSingleObject(h2,INFINITE);
CloseHandle(h2);

h3 = (HANDLE)_beginthread(&mywork3,0,0);
getchar();
return 0;
}

调用_beginthread()是个吸引人的选择，这个函数的参数较少，并且在线程退出后清除句柄。但是，如果线程终止，则_beginthread()调用返回的句柄将是无效的，或是被重用的，因此无法查询线程的状态，甚至无法肯定线程句柄是最初指向同一线程的句柄。



加上getchar（）的区别

二，同步和资源共享的方式

判断一个数是否为素数：
#include<math.h>
int isprime(int number)
{
int i;
for( i = 2; i < (int) (sqrt((float)number) + 1.0); i++)
{
if(number % i == 0 ){ return 0;}
}
return 1;
}

测试给定范围内数字是否为素数的算法,如果两个线程同时访问变量counter，这将导致数据征用，正确的代码需要对递增变量counter的操作进行保护。

volatile int counter = 0;
unsigned int __stdcall test(void *)
{
while(counter < 100)
{
int number = counter++;
//c++格式话输出要用cout对象的方法来控制
printf（"ThreadID %i value = %i is prime = %i \n", GetCurrentThreadId(), number , isprime(number) );

}
return 0;
}

1.保护对临界区代码的访问：

// testofCriticalSection.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//

#include "stdafx.h"
#include <windows.h>
#include <process.h>
#include <math.h>

volatile int counter = 0;
CRITICAL_SECTION critical;

int isprime(int number)
{

int i;
for( i = 2; i < (int) (sqrt((float)number) + 1.0); i++)
{
if(number % i == 0 ){ return 0;}
}
return 1;
}

unsigned int __stdcall test(void *)
{
while (counter < 100)
{
while ( !TryEnterCriticalSection( &critical)){}
int number = counter++;
LeaveCriticalSection( &critical);
printf("ThreadID %i; value = %i, is prime = %i\n",
GetCurrentThreadId(), number, isprime(number));
}
return 0;
}

/*
unsigned int __stdcall test(void *)
{
while (counter < 100)
{
EnterCriticalSection( &critical);
int number = counter++;
LeaveCriticalSection( &critical);
printf("ThreadID %i; value = %i, is prime = %i\n",
GetCurrentThreadId(), number, isprime(number));
}
return 0;
}
*/
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
HANDLE h1, h2;
InitializeCriticalSection( &critical);
h1 = (HANDLE)_beginthreadex(0, 0, &test,(void*)0, 0, 0);
h2 = (HANDLE)_beginthreadex(0, 0, &test,(void*)0, 0, 0);
WaitForSingleObject(h1,INFINITE);//
WaitForSingleObject(h2,INFINITE);
CloseHandle(h1);
CloseHandle(h2);
getchar();
DeleteCriticalSection( &critical);
return 0;
}

使线程休眠然后再唤醒线程非常耗时，因为这涉及进入内核。所有临界区在设计上都应保证耗时尽可能短。要谨记，很可能线程进入休眠时，原处于临界区的线程已经离开。因此，令等待线程休眠后再唤醒浪费了很多时间。

有两种选择解决上述问题：
1.使用TryEnterCriticalSection()避免让调用线程休眠
2.面向临界区设定旋转计数的方法
InitializeCriticalSetionAndSpinCount（ &critical，1000）
SetCriticalSectionSpinCount( &critical, 1000)

参考文献：

戈夫. 多核应用编程实战[M]. 人民邮电出版社, 2013.