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windows平台多线程同步之Mutex的应用

  • 前言
    线程组成
  1. 线程的内核对象,操作系统用来管理该线程的数据结构。
  2. 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:

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

参数说明:

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:

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#include <windows.h>

另外需要标准输入输出函数,所以包含:

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#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:
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//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:
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#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
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hMutex=CreateMutex(NULL,TRUE,NULL);

  子线程中:

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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

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hMutex=CreateMutex(NULL,TRUE,NULL);

  并且再次请求互斥对象:

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WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);

  并调用一次释放互斥对象:

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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:

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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:

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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:

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"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
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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。