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多线程学习:win32多线程编程基本概念(转)

程序员文章站 2022-04-15 08:15:04
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 ......

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   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:
  (1)waitforsingleobject,用于等待对象的"激活",其函数原型为:

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errnoerrno 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

 
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(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;
}

#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。
 
     6.睡眠

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。
 
获得/设置线程上下文


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)
        如果我们使用标准c库函数而不是多线程版的运行时库,则程序可能输出"3333444444"这样的结果,而使用多线程运行时库后,则可避免这一问题。

  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);
}