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多线程概述.doc

多线程概述

无言的小恋人
2019-05-27 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《多线程概述doc》,可适用于高等教育领域

多线程概述进程和线程都是操作系统的概念。进程是应用程序的执行实例,每个进程是由私有的虚拟地址空间、代码、数据和其它各种系统资源组成,进程在运行过程中创建的资源随着进程的终止而被销毁,所使用的系统资源在进程终止时被释放或关闭。线程是进程内部的一个执行单元。系统创建好进程后,实际上就启动执行了该进程的主执行线程,主执行线程以函数地址形式,比如说main或WinMain函数,将程序的启动点提供给Windows系统。主执行线程终止了,进程也就随之终止。每一个进程至少有一个主执行线程,它无需由用户去主动创建,是由系统自动创建的。用户根据需要在应用程序中创建其它线程,多个线程并发地运行于同一个进程中。一个进程中的所有线程都在该进程的虚拟地址空间中,共同使用这些虚拟地址空间、全局变量和系统资源,所以线程间的通讯非常方便,多线程技术的应用也较为广泛。多线程可以实现并行处理,避免了某项任务长时间占用CPU时间。要说明的一点是,目前大多数的计算机都是单处理器(CPU)的,为了运行所有这些线程,操作系统为每个独立线程安排一些CPU时间,操作系统以轮换方式向线程提供时间片,这就给人一种假象,好象这些线程都在同时运行。由此可见,如果两个非常活跃的线程为了抢夺对CPU的控制权,在线程切换时会消耗很多的CPU资源,反而会降低系统的性能。这一点在多线程编程时应该注意。WinSDK函数支持进行多线程的程序设计,并提供了操作系统原理中的各种同步、互斥和临界区等操作。VisualC中,使用MFC类库也实现了多线程的程序设计,使得多线程编程更加方便。MFC对多线程编程的支持MFC中有两类线程,分别称之为工作者线程和用户界面线程。二者的主要区别在于工作者线程没有消息循环,而用户界面线程有自己的消息队列和消息循环。工作者线程没有消息机制,通常用来执行后台计算和维护任务,如冗长的计算过程,打印机的后台打印等。用户界面线程一般用于处理独立于其他线程执行之外的用户输入,响应用户及系统所产生的事件和消息等。但对于Win的API编程而言,这两种线程是没有区别的,它们都只需线程的启动地址即可启动线程来执行任务。在MFC中,一般用全局函数AfxBeginThread()来创建并初始化一个线程的运行,该函数有两种重载形式,分别用于创建工作者线程和用户界面线程。两种重载函数原型和参数分别说明如下:()CWinThread*AfxBeginThread(AFXTHREADPROCpfnThreadProc,LPVOIDpParam,nPriority=THREADPRIORITYNORMAL,UINTnStackSize=,DWORDdwCreateFlags=,LPSECURITYATTRIBUTESlpSecurityAttrs=)PfnThreadProc:指向工作者线程的执行函数的指针,线程函数原型必须声明如下:UINTExecutingFunction(LPVOIDpParam)请注意,ExecutingFunction()应返回一个UINT类型的值,用以指明该函数结束的原因。一般情况下,返回表明执行成功。pParam:传递给线程函数的一个位参数,执行函数将用某种方式解释该值。它可以是数值,或是指向一个结构的指针,甚至可以被忽略nPriority:线程的优先级。如果为,则线程与其父线程具有相同的优先级nStackSize:线程为自己分配堆栈的大小,其单位为字节。如果nStackSize被设为,则线程的堆栈被设置成与父线程堆栈相同大小dwCreateFlags:如果为,则线程在创建后立刻开始执行。如果为CREATESUSPEND,则线程在创建后立刻被挂起lpSecurityAttrs:线程的安全属性指针,一般为NULL()CWinThread*AfxBeginThread(CRuntimeClass*pThreadClass,intnPriority=THREADPRIORITYNORMAL,UINTnStackSize=,DWORDdwCreateFlags=,LPSECURITYATTRIBUTESlpSecurityAttrs=)pThreadClass是指向CWinThread的一个导出类的运行时类对象的指针,该导出类定义了被创建的用户界面线程的启动、退出等其它参数的意义同形式。使用函数的这个原型生成的线程也有消息机制,在以后的例子中我们将发现同主线程的机制几乎一样。下面我们对CWinThread类的数据成员及常用函数进行简要说明。mhThread:当前线程的句柄mnThreadID:当前线程的IDmpMainWnd:指向应用程序主窗口的指针BOOLTerminateThread(HANDLEhThread,DWORDdwExitCode)一般情况下,线程运行结束之后,线程函数正常返回,但是应用程序可以调用TerminateThread强行终止某一线程的执行。各参数含义如下:hThread:将被终结的线程的句柄dwExitCode:用于指定线程的退出码。使用TerminateThread()终止某个线程的执行是不安全的,可能会引起系统不稳定虽然该函数立即终止线程的执行,但并不释放线程所占用的资源。因此,一般不建议使用该函数。线程间通讯一般而言,应用程序中的一个次要线程总是为主线程执行特定的任务,这样,主线程和次要线程间必定有一个信息传递的渠道,也就是主线程和次要线程间要进行通信。这种线程间的通信不但是难以避免的,而且在多线程编程中也是复杂和频繁的,下面将进行说明。使用全局变量进行通信由于属于同一个进程的各个线程共享操作系统分配该进程的资源,故解决线程间通信最简单的一种方法是使用全局变量。对于标准类型的全局变量,我们建议使用volatile修饰符,它告诉编译器无需对该变量作任何的优化,即无需将它放到一个寄存器中,并且该值可被外部改变。如果线程间所需传递的信息较复杂,我们可以定义一个结构,通过传递指向该结构的指针进行传递信息。使用自定义消息我们可以在一个线程的执行函数中向另一个线程发送自定义的消息来达到通信的目的。一个线程向另外一个线程发送消息是通过操作系统实现的。利用Windows操作系统的消息驱动机制,当一个线程发出一条消息时,操作系统首先接收到该消息,然后把该消息转发给目标线程,接收消息的线程必须已经建立了消息循环。线程的同步虽然多线程能给我们带来好处,但是也有不少问题需要解决。例如,对于像磁盘驱动器这样独占性系统资源,由于线程可以执行进程的任何代码段,且线程的运行是由系统调度自动完成的,具有一定的不确定性,因此就有可能出现两个线程同时对磁盘驱动器进行操作,从而出现操作错误又例如,对于银行系统的计算机来说,可能使用一个线程来更新其用户数据库,而用另外一个线程来读取数据库以响应储户的需要,极有可能读数据库的线程读取的是未完全更新的数据库,因为可能在读的时候只有一部分数据被更新过。使隶属于同一进程的各线程协调一致地工作称为线程的同步。MFC提供了多种同步对象,下面我们只介绍最常用的四种:临界区(CCriticalSection)事件(CEvent)互斥量(CMutex)信号量(CSemaphore)通过这些类,我们可以比较容易地做到线程同步。A、使用CCriticalSection类当多个线程访问一个独占性共享资源时,可以使用“临界区”对象。任一时刻只有一个线程可以拥有临界区对象,拥有临界区的线程可以访问被保护起来的资源或代码段,其他希望进入临界区的线程将被挂起等待,直到拥有临界区的线程放弃临界区时为止,这样就保证了不会在同一时刻出现多个线程访问共享资源。CCriticalSection类的用法非常简单,步骤如下:定义CCriticalSection类的一个全局对象(以使各个线程均能访问),如CCriticalSectioncriticalsection在访问需要保护的资源或代码之前,调用CCriticalSection类的成员Lock()获得临界区对象:criticalsectionLock()在线程中调用该函数来使线程获得它所请求的临界区。如果此时没有其它线程占有临界区对象,则调用Lock()的线程获得临界区否则,线程将被挂起,并放入到一个系统队列中等待,直到当前拥有临界区的线程释放了临界区时为止。访问临界区完毕后,使用CCriticalSection的成员函数Unlock()来释放临界区:criticalsectionUnlock()再通俗一点讲,就是线程A执行到criticalsectionLock()语句时,如果其它线程(B)正在执行criticalsectionLock()语句后且criticalsectionUnlock()语句前的语句时,线程A就会等待,直到线程B执行完criticalsectionUnlock()语句,线程A才会继续执行。B、使用CEvent类CEvent类提供了对事件的支持。事件是一个允许一个线程在某种情况发生时,唤醒另外一个线程的同步对象。例如在某些网络应用程序中,一个线程(记为A)负责监听通讯端口,另外一个线程(记为B)负责更新用户数据。通过使用CEvent类,线程A可以通知线程B何时更新用户数据。每一个CEvent对象可以有两种状态:有信号状态和无信号状态。线程监视位于其中的CEvent类对象的状态,并在相应的时候采取相应的操作。在MFC中,CEvent类对象有两种类型:人工事件和自动事件。一个自动CEvent对象在被至少一个线程释放后会自动返回到无信号状态而人工事件对象获得信号后,释放可利用线程,但直到调用成员函数ReSetEvent()才将其设置为无信号状态。在创建CEvent类的对象时,默认创建的是自动事件。CEvent类的各成员函数的原型和参数说明如下:、CEvent(BOOLbInitiallyOwn=FALSE,BOOLbManualReset=FALSE,LPCTSTRlpszName=,LPSECURITYATTRIBUTESlpsaAttribute=)bInitiallyOwn:指定事件对象初始化状态,TRUE为有信号,FALSE为无信号bManualReset:指定要创建的事件是属于人工事件还是自动事件。TRUE为人工事件,FALSE为自动事件后两个参数一般设为NULL,在此不作过多说明。、BOOLCEvent::SetEvent()将CEvent类对象的状态设置为有信号状态。如果事件是人工事件,则CEvent类对象保持为有信号状态,直到调用成员函数ResetEvent()将其重新设为无信号状态时为止。如果CEvent类对象为自动事件,则在SetEvent()将事件设置为有信号状态后,CEvent类对象由系统自动重置为无信号状态。如果该函数执行成功,则返回非零值,否则返回零。、BOOLCEvent::ResetEvent()该函数将事件的状态设置为无信号状态,并保持该状态直至SetEvent()被调用时为止。由于自动事件是由系统自动重置,故自动事件不需要调用该函数。如果该函数执行成功,返回非零值,否则返回零。我们一般通过调用WaitForSingleObject函数来监视事件状态。前面我们已经介绍了该函数。C、使用CMutex类互斥对象与临界区对象很像互斥对象与临界区对象的不同在于:互斥对象可以在进程间使用,而临界区对象只能在同一进程的各线程间使用。当然,互斥对象也可以用于同一进程的各个线程间,但是在这种情况下,使用临界区会更节省系统资源,更有效率。D、使用CSemaphore类当需要一个计数器来限制可以使用某个线程的数目时,可以使用“信号量”对象。CSemaphore类的对象保存了对当前访问某一指定资源的线程的计数值,该计数值是当前还可以使用该资源的线程的数目。如果这个计数达到了零,则所有对这个CSemaphore类对象所控制的资源的访问尝试都被放入到一个队列中等待,直到超时或计数值不为零时为止。一个线程被释放已访问了被保护的资源时,计数值减一个线程完成了对被控共享资源的访问时,计数值增。这个被CSemaphore类对象所控制的资源可以同时接受访问的最大线程数在该对象的构建函数中指定。CSemaphore类的构造函数原型及参数说明如下:CSemaphore(LONGlInitialCount=,LONGlMaxCount=,LPCTSTRpstrName=,LPSECURITYATTRIBUTESlpsaAttributes=)lInitialCount:信号量对象的初始计数值,即可访问线程数目的初始值lMaxCount:信号量对象计数值的最大值,该参数决定了同一时刻可访问由信号量保护的资源的线程最大数目后两个参数在同一进程中使用一般为NULL,不作过多讨论在用CSemaphore类的构造函数创建信号量对象时要同时指出允许的最大资源计数和当前可用资源计数。一般是将当前可用资源计数设置为最大资源计数,每增加一个线程对共享资源的访问,当前可用资源计数就会减,只要当前可用资源计数是大于的,就可以发出信号量信号。但是当前可用计数减小到时,则说明当前占用资源的线程数已经达到了所允许的最大数目,不能再允许其它线程的进入,此时的信号量信号将无法发出。线程在处理完共享资源后,应在离开的同时通过ReleaseSemaphore()函数将当前可用资源数加。

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