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多线程学习:win32多线程编程基本概念(转)

时间:2019-07-24 09:55:00 来源:互联网 作者: 神秘的大神 字体:

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_ids, 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);
}