多线程学习:win32多线程编程基本概念(转)
一、定义:
1.进程和线程的区别
进程:是程序的执行过程,具有动态性,即运行的程序就叫进程,不运行就叫程序 ,每个进程包含一到多个线程。
线程:系统中的最小执行单元,同一进程中有多个线程,线程可以共享资源,一旦出现共享资源,必须注意线程安全!!
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;
(3)多进程、多线程,win32(windows nt/2000/xp等)、solaris 2.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进程间通信的方式主要有:
(1)剪贴板(clip board);
(2)动态数据交换(dynamic data exchange);
(3)部件对象模型(component object model);
(4)文件映射(file mapping);
(5)邮件槽(mail slots);
(6)管道(pipes);
(7)win32套接字(socket);
(8)远程过程调用(remote procedure call);
(9)wm_copydata消息(wm_copydata message)。
2、获取进程信息
在win32中,可使用在psapi .dll中提供的process status helper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:
bool enumprocesses(dword * lpidprocess, dword cb, 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:
dword getmodulefilenameexa(handle hprocess, hmodule hmodule,lptstr lpstrfilename, dword nsize); |
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(表示指向字符/字符串的指针)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_, sizeof(process_ids), &num_processes); //遍历进程 for (int i = 0; i < num_processes; 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 << filename << endl; } |
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"。
(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 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win32 api与核心对象息息相关:
dword waitforsingleobject( handle hhandle, // 等待对象的句柄 dword dwmilliseconds // 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:change notification(变更通知)、console input(控制台标准输入)、event、job、memory resource notification、mutex、process、semaphore、thread和waitable timer。
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:
dword waitformultipleobjects(dword ncount,const handle* phandles,bool bwaitall,dword dwmilliseconds); |
(2)closehandle,用于关闭对象,其函数原型为:
bool closehandle(handle hobject); |
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win32 api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。
visual c++提供了两种版本的c运行时库,一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(errno 是记录系统的最后一次错误代码)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。
visual c++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visual c++共提供了6个运行时库。如下表:
c运行时库 | 库文件 |
single thread(static link) | libc.lib |
debug single thread(static link) | libcd.lib |
multithread(static link) | libcmt.lib |
debug multithread(static link) | libcmtd.lib |
multithread(dynamic link) | msvert.lib |
debug multithread(dynamic link) | 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 win32 api 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:
error lnk2001: unresolved external symbol __endthreadex error lnk2001: unresolved external symbol __beginthreadex |
二.深入浅出win32多线程程序设计之线程控制
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(没有类型的指针)作为参数,返回一个uint,线程函数的结构为:
uint threadfunction(lpvoid pparam) { //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(…) //do something } |
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 <process.h> class exampletask { public: void taskmain(lpvoid param); void starttask(); }; void exampletask::taskmain(lpvoid param) {} void exampletask::starttask() { _beginthread(taskmain,0,null); } int main(int argc, char* argv[]) { exampletask realtimetask; realtimetask.starttask(); return 0; } |
程序编译时出现如下错误:
error c2664: '_beginthread' : cannot convert parameter 1 from 'void (void *)' to 'void (__cdecl *)(void *)' none of the functions with this name in scope match the target type |
再看下列程序:
#include "windows.h" #include <process.h> class exampletask { public: void taskmain(lpvoid param); }; void exampletask::taskmain(lpvoid param) {} int main(int argc, char* argv[]) { exampletask realtimetask; _beginthread(exampletask::taskmain,0,null); return 0; } |
程序编译时会出错:
error c2664: '_beginthread' : cannot convert parameter 1 from 'void (void *)' to 'void (__cdecl *)(void *)' none of the functions with this name in scope match the target type |
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 <process.h> class exampletask { public: void static taskmain(lpvoid param); void starttask(); }; void exampletask::taskmain(lpvoid param) {} void exampletask::starttask() { _beginthread(taskmain,0,null); } int main(int argc, char* argv[]) { exampletask realtimetask; realtimetask.starttask(); return 0; } 和 #include "windows.h" #include <process.h> class exampletask { public: void static taskmain(lpvoid param); }; void exampletask::taskmain(lpvoid param) {} int main(int argc, char* argv[]) { _beginthread(exampletask::taskmain,0,null); return 0; } |
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 <process.h> class exampletask { public: friend void taskmain(lpvoid param); void starttask(); }; void taskmain(lpvoid param) { exampletask * ptaskmain = (exampletask *) param; //通过ptaskmain指针引用 } void exampletask::starttask() { _beginthread(taskmain,0,this); } int main(int argc, char* argv[]) { exampletask realtimetask; realtimetask.starttask(); return 0; } |
(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createthread api来完成用户线程的创建,该api的原型为:
handle createthread( lpsecurity_attributes lpthreadattributes,//pointer to a security_attributes structure size_t dwstacksize, //initial size of the stack, in bytes. lpthread_start_routine lpstartaddress, lpvoid lpparameter, //pointer to a variable to be passed to the thread dword dwcreationflags, //flags that control the creation of the thread lpdword lpthreadid //pointer to a variable that receives the thread identifier ); |
注意: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createthread api,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 * ), //start address of routine that begins execution of new thread unsigned stack_size, //stack size for new thread or 0. void *arglist //argument list to be passed to new thread or null ); uintptr_t _beginthreadex( void *security,//pointer to a security_attributes structure unsigned stack_size, unsigned ( __stdcall *start_address )( void * ), void *arglist, unsigned initflag,//initial state of new thread (0 for running or create_suspended for suspended); unsigned *thrdaddr ); |
_beginthread函数与win32 api 中的createthread函数类似,但有如下差异:
(1)通过_beginthread函数我们可以利用其参数列表arglist将多个参数传递到线程;
(2)_beginthread 函数初始化某些 c 运行时库变量,在线程中若需要使用 c 运行时库。
3.终止线程
线程的终止有如下四种方式:
(1)线程函数返回;
(2)线程自身调用exitthread 函数即终止自己,其原型为:
void exitthread(uint fuexitcode ); |
它将参数fuexitcode设置为线程的退出码。
注意:如果使用c/c++编写代码,我们应该使用c/c++运行时库函数_endthread (_endthreadex)终止线程,决不能使用exitthread!
_endthread 函数对于线程内的条件终止很有用。例如,专门用于通信处理的线程若无法获取对通信端口的控制,则会退出。
(3)同一进程或其他进程的线程调用terminatethread函数,其原型为:
bool terminatethread(handle hthread,dword dwexitcode); |
该函数用来结束由hthread参数指定的线程,并把dwexitcode设成该线程的退出码。当某个线程不再响应时,我们可以用其他线程调用该函数来终止这个不响应的线程。
(4)包含线程的进程终止。
最好使用第1种方式终止线程,第2~4种方式都不宜采用。
4.挂起与恢复线程
当我们创建线程的时候,如果给其传入create_suspended标志,则该线程创建后被挂起,我们应使用resumethread恢复它:
dword resumethread(handle hthread); |
如果resumethread函数运行成功,它将返回线程的前一个暂停计数,否则返回0x ffffffff。
对于没有被挂起的线程,程序员可以调用suspendthread函数强行挂起之:
dword suspendthread(handle hthread); |
一个线程可以被挂起多次。线程可以自行暂停运行,但是不能自行恢复运行。如果一个线程被挂起n次,则该线程也必须被恢复n次才可能得以执行。
5.设置线程优先级
当一个线程被首次创建时,它的优先级等同于它所属进程的优先级。在单个进程内可以通过调用setthreadpriority函数改变线程的相对优先级。一个线程的优先级是相对于其所属进程的优先级而言的。
bool setthreadpriority(handle hthread, int npriority); |
其中参数hthread是指向待修改优先级线程的句柄,线程与包含它的进程的优先级关系如下:
线程优先级 = 进程类基本优先级 + 线程相对优先级
进程类的基本优先级包括:
(1)实时:realtime_priority_class;
(2)高:high _priority_class;
(3)高于正常:above_normal_priority_class;
(4)正常:normal _priority_class;
(5)低于正常:below_ normal _priority_class;
(6)空闲:idle_priority_class。
void sleep(dword dwmilliseconds); |
该函数可使线程暂停自己的运行,直到dwmilliseconds毫秒过去为止。它告诉系统,自身不想在某个时间段内被调度。
7.其它重要api
获得线程优先级
一个线程被创建时,就会有一个默认的优先级,但是有时要动态地改变一个线程的优先级,有时需获得一个线程的优先级。
int getthreadpriority (handle hthread); |
如果函数执行发生错误,会返回thread_priority_error_return标志。如果函数成功地执行,会返回优先级标志。
获得线程退出码
bool winapi getexitcodethread( handle hthread, lpdword lpexitcode ); |
如果执行成功,getexitcodethread返回true,退出码被lpexitcode指向内存记录;否则返回false,我们可通过getlasterror()获知错误原因。如果线程尚未结束,lpexitcode带回来的将是still_alive。
bool winapi getthreadcontext( handle hthread, lpcontext lpcontext ); bool winapi setthreadcontext( handle hthread, const context *lpcontext ); |
由于getthreadcontext和setthreadcontext可以操作cpu内部的寄存器,因此在一些高级技巧的编程中有一定应用。譬如, 调试器可利用getthreadcontext挂起被调试线程获取其上下文,并设置上下文中的标志寄存器中的陷阱标志位,最后通过 setthreadcontext使设置生效来进行单步调试。
8.实例
以下程序使用createthread创建两个线程,在这两个线程中sleep一段时间,主线程通过getexitcodethread来判断两个线程是否结束运行:
#define win32_lean_and_mean #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <windows.h> #include <conio.h> dword winapi threadfunc(lpvoid); int main() { handle hthrd1; handle hthrd2; dword exitcode1 = 0; dword exitcode2 = 0; dword threadid; hthrd1 = createthread(null, 0, threadfunc, (lpvoid)1, 0, &threadid ); if (hthrd1) printf("thread 1 launched\n"); hthrd2 = createthread(null, 0, threadfunc, (lpvoid)2, 0, &threadid ); if (hthrd2) printf("thread 2 launched\n"); // keep waiting until both calls to getexitcodethread succeed and // neither of them returns still_active. for (;;) { printf("press any key to exit..\n"); getch(); getexitcodethread(hthrd1, &exitcode1); getexitcodethread(hthrd2, &exitcode2); if ( exitcode1 == still_active ) puts("thread 1 is still running!"); if ( exitcode2 == still_active ) puts("thread 2 is still running!"); if ( exitcode1 != still_active && exitcode2 != still_active ) break; } closehandle(hthrd1); closehandle(hthrd2); printf("thread 1 returned %d\n", exitcode1); printf("thread 2 returned %d\n", exitcode2); return exit_success; } /* * take the startup value, do some simple math on it, * and return the calculated value. */ dword winapi threadfunc(lpvoid n) { sleep((dword)n*1000*2); return (dword)n * 10; } |
通过下面的程序我们可以看出多线程程序运行顺序的难以预料以及winapi的createthread函数与c运行时库的_beginthread的差别:
#define win32_lean_and_mean #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <windows.h> dword winapi threadfunc(lpvoid); int main() { handle hthrd; dword threadid; int i; for (i = 0; i < 5; i++) { hthrd = createthread(null, 0, threadfunc, (lpvoid)i, 0, &threadid); if (hthrd) { printf("thread launched %d\n", i); closehandle(hthrd); } } // wait for the threads to complete. sleep(2000); return exit_success; } dword winapi threadfunc(lpvoid n) { int i; for (i = 0; i < 10; i++) printf("%d%d%d%d%d%d%d%d\n", n, n, n, n, n, n, n, n); return 0; } |
运行的输出具有很大的随机性,这里摘取了几次结果的一部分(几乎每一次都不同)
下列程序在主线程中创建一个secondthread,在secondthread线程中通过自增对counter计数到1000000,主线程一直等待其结束:
#include <win32.h> #include <stdio.h> #include <process.h> unsigned counter; unsigned __stdcall secondthreadfunc(void *parguments) { printf("in second thread...\n"); while (counter < 1000000) counter++; _endthreadex(0); return 0; } int main() { handle hthread; unsigned threadid; printf("creating second thread...\n"); // create the second thread. hthread = (handle)_beginthreadex(null, 0, &secondthreadfunc, null, 0, &threadid); // wait until second thread terminates waitforsingleobject(hthread, infinite); printf("counter should be 1000000; it is-> %d\n", counter); // destroy the thread object. closehandle(hthread); } |
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