TCP/IP 网络编程（十九）---Windows 中的线程同步

咸蛋超人515
19 阅读12分钟

Windows 中的线程同步方法分类

Windows 操作系统的运行方式（程序运行方式）是 “双模式操作”（Dual-mode Operation）。这意味着 Windows 在运行过程中存在如下两种模式。

① 用户模式： 运行应用程序的基本模式，禁止访问物理设备，而且会限制访问的内存区域。

② 内核模式： 操作系统运行时的模式，不仅不会限制访问的内存区域，而且访问的硬件设备也不会受限。

（一）用户模式同步

用户模式同步即无需操作系统的帮助而在应用程序级别进行的同步。用户模式同步最大的优点是——速度快。 但因为这种同步方法不会借助操作系统的力量，其功能上存在一定局限性。

（二）内核模式同步

内核模式同步是通过操作系统的帮助完成的同步，比用户模式同步提供的功能更多，而且可以指定超时，防止产生死锁。 与此同时，由于无法避免用户模式和内核模式之间的切换，所以性能上会受到一定影响。

用户模式同步的方法---基于 CRITICAL_SECTION 的同步

基于 CRITICAL_SECTION 的同步是一种用户模式同步的方法。使用 CRITICAL_SECTION 的同步主要涉及以下几个步骤：

（一）初始化关键区

在使用 CRITICAL_SECTION 之前，必须先初始化它。使用 InitializeCriticalSection 函数进行初始化：

# include <windows.h>

void InitializeCriticalSection(
  LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection
);
  • lpCriticalSection: 指向 CRITICAL_SECTION 结构的指针，LPCRITICAL_SECTION 是 CRITICAL_SECTION 指针类型。

（二）进入关键区

当一个线程希望访问受保护的共享资源时，它需要进入临界区。EnterCriticalSection 函数将使线程尝试进入，如果其他线程已经进入了临界区，则调用线程会等待，直到临界区被释放。

# include <windows.h>

void EnterCriticalSection(
  LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection
);

（三）离开关键区

当线程完成对共享资源的访问后，必须调用 LeaveCriticalSection 释放临界区，允许其他线程进入。

# include <windows.h>

void LeaveCriticalSection(
  LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection
);

（四）删除关键区

当不再需要临界区时，可以调用 DeleteCriticalSection 来释放其资源。

# include <windows.h>

void DeleteCriticalSection(
  LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection
);

需要注意，DeleteCriticalSection 并不是销毁 CRITICAL_SECTION 对象的函数。该函数的作用是销毁 CRITICAL_SECTION 对象使用过的（相关的）资源。

（五）示例程序

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

#define NUM_THREAD	50
unsigned WINAPI threadInc(void * arg);
unsigned WINAPI threadDes(void * arg);

long long num=0;
CRITICAL_SECTION cs;

int main(int argc, char *argv[]) 
{
	HANDLE tHandles[NUM_THREAD];
	int i;

	InitializeCriticalSection(&cs);
	for(i=0; i<NUM_THREAD; i++)
	{
		if(i%2)
		    tHandles[i]=(HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, threadInc, NULL, 0, NULL);
		else
		    tHandles[i]=(HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, threadDes, NULL, 0, NULL);
	}

	WaitForMultipleObjects(NUM_THREAD, tHandles, TRUE, INFINITE);
	DeleteCriticalSection(&cs);
	printf("result: %lld \n", num);
	return 0;
}

unsigned WINAPI threadInc(void * arg) 
{
	int i;

	EnterCriticalSection(&cs);
	for(i=0; i<50000000; i++)
		num+=1;
	LeaveCriticalSection(&cs);

	return 0;
}
unsigned WINAPI threadDes(void * arg)
{
	int i;

	EnterCriticalSection(&cs);
	for(i=0; i<50000000; i++)
		num-=1;
	LeaveCriticalSection(&cs);
	
	return 0;
}

内核模式的同步方法

典型的内核模式同步方法有基于事件（Event）、信号量、互斥量等内核对象的同步。

（一）基于互斥量（Multual Exclusion）对象的同步

基于互斥量的同步步骤如下：

（1）CreateMutex

CreateMutex 用于创建或打开一个互斥量对象。

HANDLE CreateMutex(
  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes, // 安全属性
  BOOL bInitialOwner,                      // 初始拥有权
  LPCSTR lpName                            // 互斥量名称
);

  • lpMutexAttributes: 指向 SECURITY_ATTRIBUTES 结构的指针，指定互斥量的安全描述符。如果为 NULL，则互斥量对象将具有默认的安全属性。

  • bInitialOwner: 如果为 TRUE，创建互斥量的线程将拥有互斥量，同时进入 non-signaled 状态。如果为 FALSE，则创建出的互斥量不属于任何线程，此时状态为 signaled。

  • lpName: 互斥量的名称。如果为 NULL，则创建无名互斥量。命名互斥量可以用于跨进程同步。

  • 返回值: 成功时返回互斥量对象的句柄，失败时返回 NULL。

从上述参数中可以看到，如果互斥量对象不属于任何拥有者，则将进入 signaled 状态，利用该特点可以进行同步。

（2）WaitForSingleObject

WaitForSingleObject 函数等待指定的对象（如互斥量、事件或信号量）的状态变为有信号状态。

DWORD WaitForSingleObject(
  HANDLE hHandle,  // 对象句柄
  DWORD  dwMilliseconds // 等待时间
);

  • hHandle: 对象的句柄，如互斥量、事件或信号量的句柄。

  • dwMilliseconds: 等待时间，以毫秒为单位。如果传入 INFINITE，表示无限期等待。

  • 返回值: 函数返回以下几个可能的值：

    • WAIT_OBJECT_0: 对象处于有信号状态，可以继续执行。
    • WAIT_TIMEOUT: 超时时间到达，未获取到信号。
    • WAIT_FAILED: 函数调用失败。

互斥量被某一线程获取时（拥有时）为 non-signaled 状态，释放时（未拥有时）进入 signaled 状态。

WaitForSingleObject 函数的调用结果有下面2种：

① 调用后进入阻塞状态：互斥量对象已被其他线程获取，现处于 non-signaled 状态。

② 调用后直接返回：其他线程未占用互斥量对象，现处于 signaled 状态。

（3）ReleaseMutex

ReleaseMutex 用于释放拥有的互斥量，使其他等待的线程或进程可以继续。

BOOL ReleaseMutex(
  HANDLE hMutex  // 互斥量句柄
);

（4）CloseHandle

CloseHandle 用于关闭一个打开的对象句柄（如互斥量、线程等）。

BOOL CloseHandle(
  HANDLE hObject  // 对象句柄
);

（5）示例

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

#define NUM_THREAD	50
unsigned WINAPI threadInc(void * arg);
unsigned WINAPI threadDes(void * arg);

long long num=0;
HANDLE hMutex;

int main(int argc, char *argv[]) 
{
	HANDLE tHandles[NUM_THREAD];
	int i;

	hMutex=CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
	for(i=0; i<NUM_THREAD; i++)
	{
		if(i%2)
		    tHandles[i]=(HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, threadInc, NULL, 0, NULL);
		else
		    tHandles[i]=(HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, threadDes, NULL, 0, NULL);
	}

	WaitForMultipleObjects(NUM_THREAD, tHandles, TRUE, INFINITE);
	CloseHandle(hMutex);
	printf("result: %lld \n", num);
	return 0;
}

unsigned WINAPI threadInc(void * arg) 
{
	int i;

	WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
	for(i=0; i<50000000; i++)
		num+=1;
	ReleaseMutex(hMutex);

	return 0;
}
unsigned WINAPI threadDes(void * arg)
{
	int i;

	WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
	for(i=0; i<50000000; i++)
		num-=1;
	ReleaseMutex(hMutex);

	return 0;
}

（二）基于信号量对象的同步

（1）基本使用步骤

  • 创建信号量：通过 CreateSemaphore 创建信号量对象，并设置最大资源数量。

    HANDLE CreateSemaphore(
  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, // 安全属性
  LONG lInitialCount,                          // 初始计数
  LONG lMaximumCount,                          // 最大计数
  LPCSTR lpName                                // 信号量名称
);

    • lpSemaphoreAttributes: 安全属性，通常为 NULL。

    • lInitialCount: 信号量的初始计数，表示当前有多少个资源可以被使用。

    • lMaximumCount: 信号量的最大计数，表示最多有多少个线程可以同时访问资源。

    • lpName: 信号量名称，如果跨进程同步需要为信号量命名，否则为 NULL。

  • 等待信号量：使用 WaitForSingleObject 等待信号量计数器为正，以便获取资源。

    信号量对象的值大于0时成为 signaled 状态，为0时成为 non-signaled 状态。因此，调用 WaitForSingleObject 函数时，信号量大于0的情况才会返回。

  • 释放信号量：使用 ReleaseSemaphore 释放资源，增加计数器，允许其他线程获取资源。

    BOOL ReleaseSemaphore(
  HANDLE hSemaphore,    // 信号量句柄
  LONG lReleaseCount,   // 释放资源的数量
  LPLONG lpPreviousCount // 可选，用于接收释放前的计数器值
);

    • hSemaphore: 信号量句柄。

    • lReleaseCount: 要释放的资源数量。

    • lpPreviousCount: 可选参数，用于存储释放前的信号量计数值，不需要时传递 NULL。

  • 关闭信号量句柄：在信号量使用完毕后，调用 CloseHandle 关闭信号量句柄。

（2）示例

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

unsigned WINAPI Read(void * arg);
unsigned WINAPI Accu(void * arg);

static HANDLE semOne;
static HANDLE semTwo;
static int num;

int main(int argc, char *argv[])
{
	HANDLE hThread1, hThread2;
	semOne=CreateSemaphore(NULL, 0, 1, NULL);
	semTwo=CreateSemaphore(NULL, 1, 1, NULL);

	hThread1=(HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, Read, NULL, 0, NULL);
	hThread2=(HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, Accu, NULL, 0, NULL);

	WaitForSingleObject(hThread1, INFINITE);
	WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);
	
	CloseHandle(semOne);
	CloseHandle(semTwo);
	return 0;
}

unsigned WINAPI Read(void * arg)
{
	int i;
	for(i=0; i<5; i++)
	{
		fputs("Input num: ", stdout);

		WaitForSingleObject(semTwo, INFINITE);
		scanf("%d", &num);
		ReleaseSemaphore(semOne, 1, NULL);
	}
	return 0;	
}
unsigned WINAPI Accu(void * arg)
{
	int sum=0, i;
	for(i=0; i<5; i++)
	{
		WaitForSingleObject(semOne, INFINITE);
		sum+=num;
		ReleaseSemaphore(semTwo, 1, NULL);
	}
	printf("Result: %d \n", sum);
	return 0;
}

（三）基于事件对象的同步

事件对象的主要特点是可以创建 manual-reset 模式的对象。manual-reset 是指手动重置，它有如下特点：

  • 手动重置：当事件被设置为有信号状态后，除非显式调用相关函数将其重置为无信号状态，它会一直保持有信号状态。

  • 通知多个线程：如果事件处于有信号状态，所有等待该事件的线程都会被唤醒。 因此，手动重置事件适用于需要同时唤醒多个线程的场景。

（1）创建事件对象

HANDLE CreateEvent(
  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes, // 安全属性
  BOOL bManualReset,                       // 手动重置事件或自动重置事件
  BOOL bInitialState,                      // 初始状态（有信号或无信号）
  LPCSTR lpName                            // 事件名称
);

  • lpEventAttributes: 安全属性，通常为 NULL。

  • bManualReset: 如果为 TRUE，创建手动重置事件；如果为 FALSE，创建自动重置事件。

  • bInitialState: 指定事件的初始状态。如果为 TRUE，事件最初处于有信号状态；如果为 FALSE，事件最初处于无信号状态。

  • lpName: 事件对象的名称。如果为 NULL，则创建无名事件对象。

（2）更改事件对象状态

下面两个函数用于明确更改对象状态：

#include <windows.h>

BOOL SetEvent(
  HANDLE hEvent  // 事件对象的句柄
);

BOOL ResetEvent(
  HANDLE hEvent  // 事件对象的句柄
);

SetEvent() 将事件对象的状态设置为有信号状态。

ResetEvent() 将事件对象的状态设置为无信号状态（仅适用于手动重置事件）。

（3）示例

下面示例中的2个线程将同时等待输入字符串。

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
#include <process.h> 
#define STR_LEN		100

unsigned WINAPI NumberOfA(void *arg);
unsigned WINAPI NumberOfOthers(void *arg);

static char str[STR_LEN];
static HANDLE hEvent;

int main(int argc, char *argv[]) 
{	
	HANDLE  hThread1, hThread2;

	hEvent=CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);
	hThread1=(HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, NumberOfA, NULL, 0, NULL);
	hThread2=(HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, NumberOfOthers, NULL, 0, NULL);

	fputs("Input string: ", stdout); 
	fgets(str, STR_LEN, stdin);
	SetEvent(hEvent);

	WaitForSingleObject(hThread1, INFINITE);
	WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);
	ResetEvent(hEvent);
 	CloseHandle(hEvent);
    return 0;
}

unsigned WINAPI NumberOfA(void *arg) 
{
	int i, cnt=0;
	WaitForSingleObject(hEvent, INFINITE);
	for(i=0; str[i]!=0; i++)
	{
		if(str[i]=='A')
			cnt++;
	}
	printf("Num of A: %d \n", cnt);
	return 0;
}
unsigned WINAPI NumberOfOthers(void *arg) 
{
	int i, cnt=0;
	WaitForSingleObject(hEvent, INFINITE);
	for(i=0; str[i]!=0; i++) 
	{
		if(str[i]!='A')
			cnt++;
	}
	printf("Num of others: %d \n", cnt-1);
	return 0;
}

  • 事件对象创建：主线程通过 CreateEvent 创建一个手动重置事件 hEvent，初始状态为无信号，这意味着任何等待这个事件的线程都会阻塞，直到事件被设置为有信号状态。

    hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);

  • 线程创建：两个线程被创建：

    • Thread 1 (NumberOfA) ：计算输入字符串中字符 'A' 的个数。
    • Thread 2 (NumberOfOthers) ：计算除 'A' 之外其他字符的个数。
    hThread1 = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, NumberOfA, NULL, 0, NULL);
hThread2 = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, NumberOfOthers, NULL, 0, NULL);

  • 用户输入：主线程提示用户输入字符串，并通过 fgets 获取输入。输入完成后，主线程调用 SetEvent(hEvent)，将事件的状态设置为有信号状态，唤醒等待该事件的两个线程。

    fputs("Input string: ", stdout);
fgets(str, STR_LEN, stdin);
SetEvent(hEvent);  // 触发事件，通知线程可以开始执行

  • 线程同步：

    • Thread 1 (NumberOfA) 和 Thread 2 (NumberOfOthers) 都通过 WaitForSingleObject 等待 hEvent 的有信号状态。
    • 当事件变为有信号状态时，两个线程都可以继续执行它们的任务（分别统计字符 'A' 和其他字符的数量）。

  • 主线程等待：主线程使用 WaitForSingleObject 等待两个线程的执行完成。

    WaitForSingleObject(hThread1, INFINITE);
WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);

  • 资源释放：主线程在两个子线程执行完毕后，重置事件并关闭事件对象的句柄。

    ResetEvent(hEvent);
CloseHandle(hEvent);

Windows 平台下实现多线程服务器端

下面的代码实现多线程聊天服务器端和客户端。

（一）服务器端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <windows.h>
#include <process.h> 

#define BUF_SIZE 100
#define MAX_CLNT 256

unsigned WINAPI HandleClnt(void * arg);
void SendMsg(char * msg, int len);
void ErrorHandling(char * msg);

int clntCnt=0;
SOCKET clntSocks[MAX_CLNT];
HANDLE hMutex;

int main(int argc, char *argv[])
{
	WSADATA wsaData;
	SOCKET hServSock, hClntSock;
	SOCKADDR_IN servAdr, clntAdr;
	int clntAdrSz;
	HANDLE  hThread;
	if(argc!=2) {
		printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
		exit(1);
	}
	if(WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData)!=0)
		ErrorHandling("WSAStartup() error!"); 
  
	hMutex=CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
	hServSock=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	memset(&servAdr, 0, sizeof(servAdr));
	servAdr.sin_family=AF_INET; 
	servAdr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
	servAdr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));
	
	if(bind(hServSock, (SOCKADDR*) &servAdr, sizeof(servAdr))==SOCKET_ERROR)
		ErrorHandling("bind() error");
	if(listen(hServSock, 5)==SOCKET_ERROR)
		ErrorHandling("listen() error");
	
	while(1)
	{
		clntAdrSz=sizeof(clntAdr);
		hClntSock=accept(hServSock, (SOCKADDR*)&clntAdr,&clntAdrSz);
		
		WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
		clntSocks[clntCnt++]=hClntSock;
		ReleaseMutex(hMutex);
	
		hThread=
			(HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, HandleClnt, (void*)&hClntSock, 0, NULL);
		printf("Connected client IP: %s \n", inet_ntoa(clntAdr.sin_addr));
	}
	closesocket(hServSock);
	WSACleanup();
	return 0;
}
	
unsigned WINAPI HandleClnt(void * arg)
{
	SOCKET hClntSock=*((SOCKET*)arg);
	int strLen=0, i;
	char msg[BUF_SIZE];
	
	while((strLen=recv(hClntSock, msg, sizeof(msg), 0))!=0)
		SendMsg(msg, strLen);
	
	WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
	for(i=0; i<clntCnt; i++)   // remove disconnected client
	{
		if(hClntSock==clntSocks[i])
		{
			while(i++<clntCnt-1)
				clntSocks[i]=clntSocks[i+1];
			break;
		}
	}
	clntCnt--;
	ReleaseMutex(hMutex);
	closesocket(hClntSock);
	return 0;
}
void SendMsg(char * msg, int len)   // send to all
{
	int i;
	WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
	for(i=0; i<clntCnt; i++)
		send(clntSocks[i], msg, len, 0);

	ReleaseMutex(hMutex);
}
void ErrorHandling(char * msg)
{
	fputs(msg, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

（二）客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <windows.h>
#include <process.h> 
	
#define BUF_SIZE 100
#define NAME_SIZE 20
	
unsigned WINAPI SendMsg(void * arg);
unsigned WINAPI RecvMsg(void * arg);
void ErrorHandling(char * msg);
	
char name[NAME_SIZE]="[DEFAULT]";
char msg[BUF_SIZE];
	
int main(int argc, char *argv[])
{
	WSADATA wsaData;
	SOCKET hSock;
	SOCKADDR_IN servAdr;
	HANDLE hSndThread, hRcvThread;
	if(argc!=4) {
		printf("Usage : %s <IP> <port> <name>\n", argv[0]);
		exit(1);
	}
	if(WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData)!=0)
		ErrorHandling("WSAStartup() error!"); 

	sprintf(name, "[%s]", argv[3]);
	hSock=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	
	memset(&servAdr, 0, sizeof(servAdr));
	servAdr.sin_family=AF_INET;
	servAdr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
	servAdr.sin_port=htons(atoi(argv[2]));
	  
	if(connect(hSock, (SOCKADDR*)&servAdr, sizeof(servAdr))==SOCKET_ERROR)
		ErrorHandling("connect() error");
	
	hSndThread=
		(HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, SendMsg, (void*)&hSock, 0, NULL);
	hRcvThread=
		(HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, RecvMsg, (void*)&hSock, 0, NULL);

	WaitForSingleObject(hSndThread, INFINITE);
	WaitForSingleObject(hRcvThread, INFINITE);
	closesocket(hSock);
	WSACleanup();
	return 0;
}
	
unsigned WINAPI SendMsg(void * arg)   // send thread main
{
	SOCKET hSock=*((SOCKET*)arg);
	char nameMsg[NAME_SIZE+BUF_SIZE];
	while(1) 
	{
		fgets(msg, BUF_SIZE, stdin);
		if(!strcmp(msg,"q\n")||!strcmp(msg,"Q\n")) 
		{
			closesocket(hSock);
			exit(0);
		}
		sprintf(nameMsg,"%s %s", name, msg);
		send(hSock, nameMsg, strlen(nameMsg), 0);
	}
	return 0;
}
	
unsigned WINAPI RecvMsg(void * arg)   // read thread main
{
	int hSock=*((SOCKET*)arg);
	char nameMsg[NAME_SIZE+BUF_SIZE];
	int strLen;
	while(1)
	{
		strLen=recv(hSock, nameMsg, NAME_SIZE+BUF_SIZE-1, 0);
		if(strLen==-1) 
			return -1;
		nameMsg[strLen]=0;
		fputs(nameMsg, stdout);
	}
	return 0;
}
	
void ErrorHandling(char *msg)
{
	fputs(msg, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}
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