多线程笔记--原子操作Interlocked系列函数

前面写了一个多线程报数的功能，为了描述方便和代码简洁起见，只输出最后的报数结果来观察程序运行结果。这非常类似一个网站的客户访问统计，每个用户登录用一个线程模拟，线程运行时将一个表示计数的变量递增。程序在最后输出这个计数的值表示今天有多少用户登录。如果这个值不等于我们启动的线程个数，那这个程序就是有问题的。

#include <stdio.h>
#include <process.h>
#include <Windows.h>

volatile long g_nLoginCount;//用一个全局变量记录登录的次数
unsigned int _stdcall Fun(PVOID PM);
const int THREAD_NUM = 10;//启动的线程的数目

unsigned int _stdcall ThreadFun(PVOID PM)
{
    Sleep(100);
    g_nLoginCount++;
    Sleep(50);

    return 0;
}
int main()
{
    g_nLoginCount = 0;

    HANDLE handle[THREAD_NUM];
    for(int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
    {
        handle[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ThreadFun, NULL, 0, NULL);
    }
    WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);

    printf("有%d个用户登录后记录的结果是%d\n", THREAD_NUM, g_nLoginCount);

    return 0;
}

程序执行结果：

这个程序的执行结果是不稳定的，多次执行发现有可能的结果是8、9、10等结果。

为了放大问题，能清除的看到问题，把线程数设置为50，程序执行20遍，看程序执行的结果：

#include <stdio.h>
#include <process.h>
#include <Windows.h>

volatile long g_nLoginCount;//用一个全局变量记录登录的次数
unsigned int _stdcall Fun(PVOID PM);
const int THREAD_NUM = 50;//启动的线程的数目

unsigned int _stdcall ThreadFun(PVOID PM)
{
    Sleep(100);
    g_nLoginCount++;
    Sleep(50);

    return 0;
}
int main()
{
    int num = 20;
    while(num--)
    {
        g_nLoginCount = 0;

        HANDLE handle[THREAD_NUM];
        for(int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
        {
            handle[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ThreadFun, NULL, 0, NULL);
        }
        WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);

        printf("有%d个用户登录后记录的结果是%d\n", THREAD_NUM, g_nLoginCount);
    }

    return 0;
}

看程序的运行结果：

经过把问题放大，可以看到运行的结果很不稳定。下面分析一个原因。

讲解下这三条汇编意思：

第一条汇编将g_nLoginCount的值从内存中读取到寄存器eax中。

第二条汇编将寄存器eax中的值与1相加，计算结果仍存入寄存器eax中。

第三条汇编将寄存器eax中的值写回内存中。

这样由于线程执行的并发性，很可能线程A执行到第二句时，线程B开始执行，线程B将原来的值又写入寄存器eax中，这样线程A所主要计算的值就被线程B修改了。这样执行下来，结果是不可预知的——可能会出现50，可能小于50。

因此在多线程环境中对一个变量进行读写时，我们需要有一种方法能够保证对一个值的递增操作是原子操作——即不可打断性，一个线程在执行原子操作时，其它线程必须等待它完成之后才能开始执行该原子操作。这种涉及到硬件的操作将会很复杂了，幸运的是，Windows系统为我们提供了一些以Interlocked开头的函数来完成这一任务（下文将这些函数称为Interlocked系列函数）。

下面列出一些常用的Interlocked系列函数：

//增减操作
LONG WINAPI InterlockedIncrement(LONG volatile * lpAddend);

LONG WINAPI InterlockedDecrement(LONG volatile* lpAddend);

//返回变量执行增减操作之后的值。

LONG WINAPI InterlockedExchangeAdd(LONG volatile* Addend, LONG Value);//返回运算后的值，注意！加个负数就是减。

//赋值操作

LONG WINAPI InterlockedExchange(LONG volatile* Target, LONG Value);//Value就是新值，函数会返回原先的值。