深入淺出Win32多線程程序設計之基本概念

2019-11-17 05:09:09

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

　　引言

　　從單進程單線程到多進程多線程是操作系統發展的一種必然趨勢，當年的DOS系統屬于單任務操作系統，最優秀的程序員也只能通過駐留內存的方式實現所謂的"多任務"，而如今的Win32操作系統卻可以一邊聽音樂，一邊編程，一邊打印文檔。

　　理解多線程及其同步、互斥等通信方式是理解現代操作系統的要害一環，當我們精通了Win32多線程程序設計后，理解和學習其它操作系統的多任務控制也非常輕易。許多程序員從來沒有學習過嵌入式系統領域聞名的操作系統VxWorks，但是立馬就能在上面做開發，大概要歸功于平時在Win32多線程上下的功夫。

　　因此，學習Win32多線程不僅對理解Win32本身有重要意義，而且對學習和領會其它操作系統也有觸類旁通的作用。

　　進程與線程

　　先闡述一下進程和線程的概念和區別，這是一個許多大學老師也講不清楚的問題。

　　進程（PRocess）是具有一定獨立功能的程序關于某個數據集合上的一次運行活動，是系統進行資源分配和調度的一個獨立單位。程序只是一組指令的有序集合，它本身沒有任何運行的含義，只是一個靜態實體。而進程則不同，它是程序在某個數據集上的執行，是一個動態實體。它因創建而產生，因調度而運行，因等待資源或事件而被處于等待狀態，因完成任務而被撤消，反映了一個程序在一定的數據集上運行的全部動態過程。

　　線程（Thread）是進程的一個實體，是CPU調度和分派的基本單位。線程不能夠獨立執行，必須依存在應用程序中，由應用程序提供多個線程執行控制。

　　線程和進程的關系是：線程是屬于進程的，線程運行在進程空間內，同一進程所產生的線程共享同一內存空間，當進程退出時該進程所產生的線程都會被強制退出并清除。線程可與屬于同一進程的其它線程共享進程所擁有的全部資源，但是其本身基本上不擁有系統資源，只擁有一點在運行中必不可少的信息(如程序計數器、一組寄存器和棧)。

　　根據進程與線程的設置，操作系統大致分為如下類型：

　?。?）單進程、單線程，MS-DOS大致是這種操作系統；

　?。?）多進程、單線程，多數UNIX（及類UNIX的linux）是這種操作系統；

　　（3）多進程、多線程，Win32（Windows NT/2000/XP等）、Solaris 2.x和OS/2都是這種操作系統；

　?。?）單進程、多線程，VxWorks是這種操作系統。

　　在操作系統中引入線程帶來的主要好處是：

　?。?）在進程內創建、終止線程比創建、終止進程要快；

　　（2）同一進程內的線程間切換比進程間的切換要快，尤其是用戶級線程間的切換。另外，線程的出現還因為以下幾個原因：

　　（1）并發程序的并發執行，在多處理環境下更為有效。一個并發程序可以建立一個進程,而這個并發程序中的若干并發程序段就可以分別建立若干線程,使這些線程在不同的處理機上執行。

　　（2）每個進程具有獨立的地址空間，而該進程內的所有線程共享該地址空間。這樣可以解決父子進程模型中，子進程必須復制父進程地址空間的問題。

　?。?）線程對解決客戶/服務器模型非常有效。

　　Win32進程

　　1、進程間通信（ipC）

　　Win32進程間通信的方式主要有：

　?。?）剪貼板(Clip Board)；

　?。?）動態數據交換(Dynamic Data Exchange)；

　?。?）部件對象模型(Component Object Model)；

　?。?）文件映射(File Mapping)；

　　（5）郵件槽(Mail Slots)；

　?。?）管道(Pipes)；

　?。?）Win32套接字(Socket)；

　?。?）遠程過程調用(Remote Procedure Call)；

　?。?）WM_COPYDATA消息(WM_COPYDATA Message)。

　　2、獲取進程信息

　　在WIN32中，可使用在PSAPI .DLL中提供的Process status Helper函數幫助我們獲取進程信息。

　?。?）EnumProcesses()函數可以獲取進程的ID，其原型為：

BOOL EnumProcesses(DWord * lpidProcess, DWORD cb, DWORD*cbNeeded);
　　參數lpidProcess：一個足夠大的DWORD類型的數組，用于存放進程的ID值；

　　參數cb：存放進程ID值的數組的最大長度，是一個DWORD類型的數據；

　　參數cbNeeded：指向一個DWORD類型數據的指針，用于返回進程的數目；

　　函數返回值：假如調用成功，返回TRUE，同時將所有進程的ID值存放在lpidProcess參數所指向的數組中，進程個數存放在cbNeeded參數所指向的變量中；假如調用失敗，返回FALSE。

　?。?）GetModuleFileNameExA()函數可以實現通過進程句柄獲取進程文件名，其原型為：

DWORD GetModuleFileNameExA(HANDLE hProcess, HMODULE hModule,LPTSTR lpstrFileName, DWORD nsize);
　　參數hProcess：接受進程句柄的參數，是HANDLE類型的變量；

　　參數hModule：指針型參數，在本文的程序中取值為NULL；

　　參數lpstrFileName：LPTSTR類型的指針，用于接受主調函數傳遞來的用于存放進程名的字符數組指針；

　　參數nsize：lpstrFileName所指數組的長度；

　　函數返回值：假如調用成功，返回一個大于0的DWORD類型的數據，同時將hProcess所對應的進程名存放在lpstrFileName參數所指向的數組中；加果調用失敗，則返回0。

　　通過下列代碼就可以遍歷系統中的進程，獲得進程列表：

//獲取當前進程總數
EnumProcesses(process_ids, sizeof(process_ids), &num_processes);
//遍歷進程
for (int i = 0; i < num_processes; i++)
{
　//根據進程ID獲取句柄 
　process[i] = OpenProcess(PROCESS_QUERY_INFORMATION  PROCESS_VM_READ, 0,
　process_ids[i]);
　//通過句柄獲取進程文件名
　if (GetModuleFileNameExA(process[i], NULL, File_name, sizeof(fileName)))
　　cout << fileName << endl;
}

　　Win32線程

　　WIN32靠線程的優先級（達到搶占式多任務的目的）及分配給線程的CPU時間來調度線程。WIN32本身的許多應用程序也利用了多線程的特性，如任務治理器等。

　　本質而言，一個處理器同一時刻只能執行一個線程（"微觀串行"）。WIN32多任務機制使得CPU似乎在同時處理多個任務一樣，實現了"宏觀并行"。其多線程調度的機制為：

　?。?）運行一個線程，直到被中斷或線程必須等待到某個資源可用；

　　（2）保存當前執行線程的描述表(上下文)；

　?。?）裝入下一執行線程的描述表(上下文)；

　?。?）若存在等待被執行的線程，則重復上述過程。

　　WIN32下的線程可能具有不同的優先級，優先級的范圍為0～31，共32級，其中31表示最高優先級，優先級0為系統保留。它們可以分成兩類，即實時優先級和可變優先級：

　　（1）實時優先級從16到31，是實時程序所用的高優先級線程，如許多監控類應用程序；

　?。?）可變優先級從1到15，絕大多數程序的優先級都在這個范圍內。。WIN32調度器為了優化系統響應時間，在它們執行過程中可動態調整它們的優先級。

　　多線程確實給應用開發帶來了許多好處，但并非任何情況下都要使用多線程，一定要根據應用程序的具體情況來綜合考慮。一般來說，在以下情況下可以考慮使用多線程：

　?。?）應用程序中的各任務相對獨立；

　?。?）某些任務耗時較多；

　?。?）各任務需要有不同的優先級。

　　另外，對于一些實時系統應用，應考慮多線程。

　　Win32核心對象

　　WIN32核心對象包括進程、線程、文件、事件、信號量、互斥體和管道，核心對象可能有不只一個擁有者，甚至可以跨進程。有一組WIN32 API與核心對象息息相關：

　　（1）WaitForSingleObject，用于等待對象的"激活"，其函數原型為：

DWORD WaitForSingleObject(
　HANDLE hHandle, // 等待對象的句柄
　DWORD dwMilliseconds // 等待毫秒數，INFINITE表示無限等待
);

　　可以作為WaitForSingleObject第一個參數的對象包括：Change notification、Console input、Event、Job、Memory resource notification、Mutex、Process、Semaphore、Thread和Waitable timer。

　　假如等待的對象不可用，那么線程就會掛起，直到對象可用線程才會被喚醒。對不同的對象，WaitForSingleObject表現為不同的含義。例如，使用WaitForSingleObject(hThread,…)可以判定一個線程是否結束；使用WaitForSingleObject(hMutex,…)可以判定是否能夠進入臨界區；而WaitForSingleObject (hProcess,… )則表現為等待一個進程的結束。

　　與WaitForSingleObject對應還有一個WaitForMultipleObjects函數，可以用于等待多個對象，其原型為：

DWORD WaitForMultipleObjects(DWORD nCount,const HANDLE* pHandles,BOOL bWaitAll,DWORD dwMilliseconds);
　　（2）CloseHandle，用于關閉對象，其函數原型為：

BOOL CloseHandle(HANDLE hObject);
　　假如函數執行成功，則返回TRUE；否則返回FALSE，我們可以通過GetLastError函數進一步可以獲得錯誤原因。

　　C運行時庫

　　在VC++6.0中，有兩種多線程編程方法：一是使用C運行時庫及WIN32 API函數，另一種方法是使用MFC，MFC對多線程開發有強大的支持。
標準C運行時庫是1970年問世的，當時還沒有多線程的概念。因此，C運行時庫早期的設計者們不可能考慮到讓其支持多線程應用程序。
Visual C++提供了兩種版本的C運行時庫，-個版本供單線程應用程序調用，另一個版本供多線程應用程序調用。多線程運行時庫與單線程運行時庫有兩個重大差別：

　?。?）類似errno的全局變量，每個線程單獨設置一個；

　　這樣從每個線程中可以獲取正確的錯誤信息。

　?。?）多線程庫中的數據結構以同步機制加以保護。

　　這樣可以避免訪問時候的沖突。

　　Visual C++提供的多線程運行時庫又分為靜態鏈接庫和動態鏈接庫兩類，而每一類運行時庫又可再分為debug版和release版，因此Visual C++共提供了6個運行時庫。如下表：

C運行時庫庫文件Single thread(static link)libc.libDebug single thread(static link)Libcd.libMultiThread(static link)libcmt.libDebug multiThread(static link)libcmtd.libMultiThread(dynamic link)msvert.libDebug multiThread(dynamic link)msvertd.lib
　　假如不使用VC多線程C運行時庫來生成多線程程序，必須執行下列操作：

　?。?）使用標準 C 庫（基于單線程）并且只答應可重入函數集進行庫調用；

　?。?）使用 Win32 API 線程治理函數，如 CreateThread；

　　（3）通過使用 Win32 服務（如信號量和 EnterCriticalSection 及 LeaveCriticalSection 函數），為不可重入的函數提供自己的同步。

　　假如使用標準 C 庫而調用VC運行時庫函數，則在程序的link階段會提示如下錯誤：

error LNK2001: unresolved external symbol __endthreadex
error LNK2001: unresolved external symbol __beginthreadex

上一篇：C++箴言：理解typename兩個含義

下一篇：C++程序中導出Word文檔簡易方法

學習交流

索泰發布一款GTX 1070 Mini迷你版本:小機

索泰發布一款GTX 1070 Mini迷你版本:小機箱大愛...

熱門圖片

猜你喜歡的新聞

猜你喜歡的關注

新聞熱點

榮耀總裁趙明烏鎮演講：榮耀首款5G手機V30下月發布

2019-10-23 09:17:05

搜狐張朝陽：回歸媒體是搜狐重新崛起的關鍵

2019-10-21 09:20:02

華為輪值董事長郭平：虛擬技術創造現實價值

2019-10-21 09:00:12

滴滴英文服務上線兩周年用戶已超200萬

2019-09-26 08:57:12

華為推出全球至快AI訓練集群Atlas900

2019-09-25 08:46:36

馬斯克：特斯拉正組建中國技術團隊

2019-09-25 08:15:43

疑難解答

圖片精選

網友關注