深入浅出Win32多线程程序设计之基本概念.docx
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深入浅出Win32多线程程序设计之基本概念
深入浅出Win32多线程程序设计之基本概念
引言
从单进程单线程到多进程多线程是操作系统发展的一种必然趋势,当年的DOS系统属于单任务操作系统,最优秀的程序员也只能通过驻留内存的方式实现所谓的"多任务",而如今的Win32操作系统却可以一边听音乐,一边编程,一边打印文档。
理解多线程及其同步、互斥等通信方式是理解现代操作系统的关键一环,当我们精通了Win32多线程程序设计后,理解和学习其它操作系统的多任务控制也非常容易。
许多程序员从来没有学习过嵌入式系统领域著名的操作系统VxWorks,但是立马就能在上面做开发,大概要归功于平时在Win32多线程上下的功夫。
因此,学习Win32多线程不仅对理解Win32本身有重要意义,而且对学习和领会其它操作系统也有触类旁通的作用。
从单进程单线程到多进程多线程是操作系统发展的一种必然趋势,当年的DOS系统属于单任务操作系统,最优秀的程序员也只能通过驻留内存的方式实现所谓的"多任务",而如今的Win32操作系统却可以一边听音乐,一边编程,一边打印文档。
理解多线程及其同步、互斥等通信方式是理解现代操作系统的关键一环,当我们精通了Win32多线程程序设计后,理解和学习其它操作系统的多任务控制也非常容易。
因此,学习Win32多线程不仅对理解Win32本身有重要意义,而且对学习和领会其它操作系统也有触类旁通的作用。
进程与线程
先阐述一下进程和线程的概念和区别,这是一个许多大学老师也讲不清楚的问题。
进程(Process)是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动,是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
程序只是一组指令的有序集合,它本身没有任何运行的含义,只是一个静态实体。
而进程则不同,它是程序在某个数据集上的执行,是一个动态实体。
它因创建而产生,因调度而运行,因等待资源或事件而被处于等待状态,因完成任务而被撤消,反映了一个程序在一定的数据集上运行的全部动态过程。
线程(Thread)是进程的一个实体,是CPU调度和分派的基本单位。
线程不能够独立执行,必须依存在应用程序中,由应用程序提供多个线程执行控制。
线程和进程的关系是:
线程是属于进程的,线程运行在进程空间内,同一进程所产生的线程共享同一内存空间,当进程退出时该进程所产生的线程都会被强制退出并清除。
线程可与属于同一进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源,但是其本身基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的信息(如程序计数器、一组寄存器和栈)。
根据进程与线程的设置,操作系统大致分为如下类型:
(1)单进程、单线程,MS-DOS大致是这种操作系统;
(2)多进程、单线程,多数UNIX(及类UNIX的LINUX)是这种操作系统;
注意:
线程机制支持并发程序设计技术,在多处理器上能真正保证并行处理。
而在linux实现线程很特别,linux把所有的线程都当作进程实现。
linux下线程看起来就像普通进程(只是该进程和其他进程共享资源,如地址空间)。
上述机制与Microsoftwindows或是SunSolaris实现差异很大。
(3)多进程、多线程,Win32(WindowsNT/2000/XP等)、Solaris2.x和OS/2都是这种操作系统;
(4)单进程、多线程,VxWorks是这种操作系统。
在操作系统中引入线程带来的主要好处是:
(1)在进程内创建、终止线程比创建、终止进程要快;
(2)同一进程内的线程间切换比进程间的切换要快,尤其是用户级线程间的切换。
另外,线程的出现还因为以下几个原因:
(1)并发程序的并发执行,在多处理环境下更为有效。
一个并发程序可以建立一个进程,而这个并发程序中的若干并发程序段就可以分别建立若干线程,使这些线程在不同的处理机上执行。
(2)每个进程具有独立的地址空间,而该进程内的所有线程共享该地址空间。
这样可以解决父子进程模型中,子进程必须复制父进程地址空间的问题。
(3)线程对解决客户/服务器模型非常有效。
Win32进程
1、进程间通信(IPC)
Win32进程间通信的方式主要有:
(1)剪贴板(ClipBoard);
(2)动态数据交换(DynamicDataExchange);
(3)部件对象模型(ComponentObjectModel);
(4)文件映射(FileMapping);
(5)邮件槽(MailSlots);
(6)管道(Pipes);
(7)Win32套接字(Socket);
(8)远程过程调用(RemoteProcedureCall);
(9)WM_COPYDATA消息(WM_COPYDATAMessage)。
2、获取进程信息
在WIN32中,可使用在PSAPI.DLL中提供的ProcessstatusHelper函数帮助我们获取进程信息。
(1)EnumProcesses()函数可以获取进程的ID,其原型为:
BOOLEnumProcesses(DWORD*lpidProcess,DWORDcb,DWORD*cbNeeded);
参数lpidProcess:
一个足够大的DWORD类型的数组,用于存放进程的ID值;
参数cb:
存放进程ID值的数组的最大长度,是一个DWORD类型的数据;
参数cbNeeded:
指向一个DWORD类型数据的指针,用于返回进程的数目;
函数返回值:
如果调用成功,返回TRUE,同时将所有进程的ID值存放在lpidProcess参数所指向的数组中,进程个数存放在cbNeeded参数所指向的变量中;如果调用失败,返回FALSE。
(2)GetModuleFileNameExA()函数可以实现通过进程句柄获取进程文件名,其原型为:
DWORDGetModuleFileNameExA(HANDLEhProcess,HMODULEhModule,LPTSTRlpstrFileName,DWORDnsize);
参数hProcess:
接受进程句柄的参数,是HANDLE类型的变量;
参数hModule:
指针型参数,在本文的程序中取值为NULL;
参数lpstrFileName:
LPTSTR类型的指针,用于接受主调函数传递来的用于存放进程名的字符数组指针;
参数nsize:
lpstrFileName所指数组的长度;
函数返回值:
如果调用成功,返回一个大于0的DWORD类型的数据,同时将hProcess所对应的进程名存放在lpstrFileName参数所指向的数组中;加果调用失败,则返回0。
通过下列代码就可以遍历系统中的进程,获得进程列表:
//获取当前进程总数
EnumProcesses(process_ids,sizeof(process_ids),&num_processes);
//遍历进程
for(inti=0;i { //根据进程ID获取句柄 process[i]=OpenProcess(PROCESS_QUERY_INFORMATION|PROCESS_VM_READ,0, process_ids[i]); //通过句柄获取进程文件名 if(GetModuleFileNameExA(process[i],NULL,File_name,sizeof(fileName))) cout< } Win32线程 WIN32靠线程的优先级(达到抢占式多任务的目的)及分配给线程的CPU时间来调度线程。 WIN32本身的许多应用程序也利用了多线程的特性,如任务管理器等。 本质而言,一个处理器同一时刻只能执行一个线程("微观串行")。 WIN32多任务机制使得CPU好像在同时处理多个任务一样,实现了"宏观并行"。 其多线程调度的机制为: (1)运行一个线程,直到被中断或线程必须等待到某个资源可用; (2)保存当前执行线程的描述表(上下文); (3)装入下一执行线程的描述表(上下文); (4)若存在等待被执行的线程,则重复上述过程。 WIN32下的线程可能具有不同的优先级,优先级的范围为0~31,共32级,其中31表示最高优先级,优先级0为系统保留。 它们可以分成两类,即实时优先级和可变优先级: (1)实时优先级从16到31,是实时程序所用的高优先级线程,如许多监控类应用程序; (2)可变优先级从1到15,绝大多数程序的优先级都在这个范围内。 。 WIN32调度器为了优化系统响应时间,在它们执行过程中可动态调整它们的优先级。 多线程确实给应用开发带来了许多好处,但并非任何情况下都要使用多线程,一定要根据应用程序的具体情况来综合考虑。 一般来说,在以下情况下可以考虑使用多线程: (1)应用程序中的各任务相对独立; (2)某些任务耗时较多; (3)各任务需要有不同的优先级。 另外,对于一些实时系统应用,应考虑多线程。 Win32核心对象 WIN32核心对象包括进程、线程、文件、事件、信号量、互斥体和管道,核心对象可能有不只一个拥有者,甚至可以跨进程。 有一组WIN32API与核心对象息息相关: (1)WaitForSingleObject,用于等待对象的"激活",其函数原型为: DWORDWaitForSingleObject( HANDLEhHandle,// 等待对象的句柄 DWORDdwMilliseconds// 等待毫秒数,INFINITE表示无限等待 ); 可以作为WaitForSingleObject第一个参数的对象包括: Changenotification、Consoleinput、Event、Job、Memoryresourcenotification、Mutex、Process、Semaphore、Thread和Waitabletimer。 如果等待的对象不可用,那么线程就会挂起,直到对象可用线程才会被唤醒。 对不同的对象,WaitForSingleObject表现为不同的含义。 例如,使用WaitForSingleObject(hThread,…)可以判断一个线程是否结束;使用WaitForSingleObject(hMutex,…)可以判断是否能够进入临界区;而WaitForSingleObject(hProcess,…)则表现为等待一个进程的结束。 与WaitForSingleObject对应还有一个WaitForMultipleObjects函数,可以用于等待多个对象,其原型为: DWORDWaitForMultipleObjects(DWORDnCount,constHANDLE*pHandles,BOOLbWaitAll,DWORDdwMilliseconds); (2)CloseHandle,用于关闭对象,其函数原型为: BOOLCloseHandle(HANDLEhObject); 如果函数执行成功,则返回TRUE;否则返回FALSE,我们可以通过GetLastError函数进一步可以获得错误原因。 C运行时库 在VC++6.0中,有两种多线程编程方法: 一是使用C运行时库及WIN32API函数,另一种方法是使用MFC,MFC对多线程开发有强大的支持。 标准C运行时库是1970年问世的,当时还没有多线程的概念。 因此,C运行时库早期的设计者们不可能考虑到让其支持多线程应用程序。 VisualC++提供了两种版本的C运行时库,-个版本供单线程应用程序调用,另一个版本供多线程应用程序调用。 多线程运行时库与单线程运行时库有两个重大差别: (1)类似errno的全局变量,每个线程单独设置一个; 这样从每个线程中可以获取正确的错误信息。 (2)多线程库中的数据结构以同步机制加以保护。 这样可以避免访问时候的冲突。 VisualC++提供的多线程运行时库又分为静态链接库和动态链接库两类,而每一类运行时库又可再分为debug版和release版,因此VisualC++共提供了6个运行时库。 如下表: C运行时库 库文件 Singlethread(staticlink) libc.lib Debugsinglethread(staticlink) Libcd.lib MultiThread(staticlink) libcmt.lib DebugmultiThread(staticlink) libcmtd.lib MultiThread(dynamiclink) msvert.lib DebugmultiThread(dynamiclink) msvertd.lib 如果不使用VC多线程C运行时库来生成多线程程序,必须执行下列操作: (1)使用标准 C 库(基于单线程)并且只允许可重入函数集进行库调用; (2)使用 Win32API 线程管理函数,如 CreateThread; (3)通过使用 Win32 服务(如信号量和 EnterCriticalSection 及 LeaveCriticalSection 函数),为不可重入的函数提供自己的同步。 如果使用标准 C 库而调用VC运行时库函数,则在程序的link阶段会提示如下错误: errorLNK2001: unresolvedexternalsymbol__endthreadex errorLNK2001: unresolvedexternalsymbol__beginthreadex 深入浅出Win32多线程程序设计之线程控制 WIN32线程控制主要实现线程的创建、终止、挂起和恢复等操作,这些操作都依赖于WIN32提供的一组API和具体编译器的C运行时库函数。 1.线程函数 在启动一个线程之前,必须为线程编写一个全局的线程函数,这个线程函数接受一个32位的LPVOID作为参数,返回一个UINT,线程函数的结构为: UINTThreadFunction(LPVOIDpParam) { //线程处理代码 return0; } 在线程处理代码部分通常包括一个死循环,该循环中先等待某事情的发生,再处理相关的工作: while (1) { WaitForSingleObject(…,…);//或WaitForMultipleObjects(…) //Dosomething } 一般来说,C++的类成员函数不能作为线程函数。 这是因为在类中定义的成员函数,编译器会给其加上this指针。 请看下列程序: #include"windows.h" #include classExampleTask { public: voidtaskmain(LPVOIDparam); voidStartTask(); }; voidExampleTask: : taskmain(LPVOIDparam) {} voidExampleTask: : StartTask() { _beginthread(taskmain,0,NULL); } intmain(intargc,char*argv[]) { ExampleTaskrealTimeTask; realTimeTask.StartTask(); return0; } 程序编译时出现如下错误: errorC2664: '_beginthread': cannotconvertparameter1from'void(void*)'to'void(__cdecl*)(void*)' Noneofthefunctionswiththisnameinscopematchthetargettype 再看下列程序: #include"windows.h" #include classExampleTask { public: voidtaskmain(LPVOIDparam); }; voidExampleTask: : taskmain(LPVOIDparam) {} intmain(intargc,char*argv[]) { ExampleTaskrealTimeTask; _beginthread(ExampleTask: : taskmain,0,NULL); return0; } errorC2664: '_beginthread': cannotconvertparameter1from'void(void*)'to'void(__cdecl*)(void*)' Noneofthefunctionswiththisnameinscopematchthetargettype 程序编译时会出错: 如果一定要以类成员函数作为线程函数,通常有如下解决方案: (1)将该成员函数声明为static类型,去掉this指针; 我们将上述二个程序改变为: #include"windows.h" #include classExampleTask { public: voidstatictaskmain(LPVOIDparam); voidStartTask(); }; voidExampleTask: : taskmain(LPVOIDparam) {} voidExampleTask: : StartTask() { _beginthread(taskmain,0,NULL); } intmain(intargc,char*argv[]) { ExampleTaskrealTimeTask; realTimeTask.StartTask(); return0; } 和 #include"windows.h" #include classExampleTask { public: voidstatictaskmain(LPVOIDparam); }; voidExampleTask: : taskmain(LPVOIDparam) {} intmain(intargc,char*argv[]) { _beginthread(ExampleTask: : taskmain,0,NULL); return0; } 均编译通过。 将成员函数声明为静态虽然可以解决作为线程函数的问题,但是它带来了新的问题,那就是static成员函数只能访问static成员。 解决此问题的一种途径是可以在调用类静态成员函数(线程函数)时将this指针作为参数传入,并在改线程函数中用强制类型转换将this转换成指向该类的指针,通过该指针访问非静态成员。 (2)不定义类成员函数为线程函数,而将线程函数定义为类的友元函数。 这样,线程函数也可以有类成员函数同等的权限; 我们将程序修改为: #include"windows.h" #include classExampleTask { public: friendvoidtaskmain(LPVOIDparam); voidStartTask(); }; voidtaskmain(LPVOIDparam) { ExampleTask*pTaskMain=(ExampleTask*)param; //通过pTaskMain指针引用 } voidExampleTask: : StartTask() { _beginthread(taskmain,0,this); } intmain(intargc,char*argv[]) { ExampleTaskrealTimeTask; realTimeTask.StartTask(); return0; } (3)可以对非静态成员函数实现回调,并访问非静态成员,此法涉及到一些高级技巧,在此不再详述。 2.创建线程 进程的主线程由操作系统自动生成,Win32提供了CreateThreadAPI来完成用户线程的创建,该API的原型为: HANDLECreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTESlpThreadAttributes,//PointertoaSECURITY_ATTRIBUTESstructure SIZE_TdwStackSize,//Initialsizeofthestack,inbytes. LPTHREAD_START_ROUTINElpStartAddress, LPVOIDlpParameter,//Pointertoavariabletobepassedtothethread DWORDdwCreationFlags,//Flagsthatcontrolthecreationofthethread LPDWORDlpThreadId//Pointertoavariablethatreceivesthethreadidentifier ); 如果使用C/C++语言编写多线程应用程序,一定不能使用操作系统提供的CreateThreadAPI,而应该使用C/C++运行时库中的_beginthread(或_beginthreadex),其函数原型为: uintptr_t_beginthread( void(__cdecl*start_address)(void*),//Startaddressofroutinethatbeginsexecutionofnewthread u
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