深入浅出Win32多线程程序设计.docx

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深入浅出Win32多线程程序设计

深入浅出Win32多线程程序设计之基本概念

2005-12-1409:

48作者:

宋宝华出处:

天极开发责任编辑:

方舟

  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。

  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;

  (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

2005-12-1509:

04作者:

宋宝华出处:

天极开发责任编辑:

方舟

  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;

}

  程序编译时会出错:

errorC2664:

'_beginthread':

cannotconvertparameter1from'void(void*)'to'void(__cdecl*)(void*)'

Noneofthefunctionswiththisnameinscopematchthetargettype

  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;

}

#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

 unsignedstack_size,//Stacksizefornewthreador0.

 void*arglist//ArgumentlisttobepassedtonewthreadorNULL

);

uintptr_t_beginthreadex(

 void*security,//PointertoaSECURITY_ATTRIBUTESstructure

 unsignedstack_size,

 unsigned(__stdcall*start_address)(void*),

 void*arglist,

 unsignedinitflag,//Initialstateofnewthread(0forrunningorCREATE_SUSPENDEDforsuspended);

 unsigned*thrdaddr

);

  _beginthread函数与Win32API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

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