windows平台多线程同步实现之Mutex对象的使用

windows平台多线程同步实现之MutexMutex对象的使用

• 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：

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

参数说明：

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。

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