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劉 濤
［前言：］當(dāng)前流行的Windows操作系統(tǒng)，它能同時(shí)運(yùn)行幾個(gè)程序(獨(dú)立運(yùn)行的程序又稱(chēng)之為進(jìn)程)，對(duì)于同一個(gè)程序，它又可以分成若干個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行流，我們稱(chēng)之為線程，線程提供了多任務(wù)處理的能力。用進(jìn)程和線程的觀點(diǎn)來(lái)研究軟件是當(dāng)今普遍采用的方法，進(jìn)程和線程的概念的出現(xiàn)，對(duì)提高軟件的并行性有著重要的意義。現(xiàn)在的應(yīng)用軟件無(wú)一不是多線程多任務(wù)處理，單線城的軟件是不可想象的。因此掌握多線程多任務(wù)設(shè)計(jì)方法對(duì)每個(gè)程序員都是必需要掌握的。本文針對(duì)多線程技術(shù)在應(yīng)用中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，如線程間的通信、同步等，對(duì)它們分別進(jìn)行探討。
一、 理解線程
要講解線程，不得不說(shuō)一下進(jìn)程，進(jìn)程是應(yīng)用程序的執(zhí)行實(shí)例，每個(gè)進(jìn)程是由私有的虛擬地址空間、代碼、數(shù)據(jù)和其它系統(tǒng)資源組成。進(jìn)程在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建的資源隨著進(jìn)程的終止而死亡。線程的基本思想很簡(jiǎn)單，它是一個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行流，是進(jìn)程內(nèi)部的一個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行單元，相當(dāng)于一個(gè)子程序，它對(duì)應(yīng)Visual C++中的CwinThread類(lèi)的對(duì)象。單獨(dú)一個(gè)執(zhí)行程序運(yùn)行時(shí)，缺省的運(yùn)行包含的一個(gè)主線程，主線程以函數(shù)地址的形式，如main或WinMain函數(shù)，提供程序的啟動(dòng)點(diǎn)，當(dāng)主線程終止時(shí)，進(jìn)程也隨之終止，但根據(jù)需要，應(yīng)用程序又可以分解成許多獨(dú)立執(zhí)行的線程，每個(gè)線程并行的運(yùn)行在同一進(jìn)程中。
一個(gè)進(jìn)程中的所有線程都在該進(jìn)程的虛擬地址空間中，使用該進(jìn)程的全局變量和系統(tǒng)資源。操作系統(tǒng)給每個(gè)線程分配不同的CPU時(shí)間片，在某一個(gè)時(shí)刻，CPU只執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片內(nèi)的線程，多個(gè)時(shí)間片中的相應(yīng)線程在CPU內(nèi)輪流執(zhí)行，由于每個(gè)時(shí)間片時(shí)間很短，所以對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，仿佛各個(gè)線程在計(jì)算機(jī)中是并行處理的。操作系統(tǒng)是根據(jù)線程的優(yōu)先級(jí)來(lái)安排CPU的時(shí)間，優(yōu)先級(jí)高的線程優(yōu)先運(yùn)行，優(yōu)先級(jí)低的線程則繼續(xù)等待。
線程被分為兩種：用戶界面線程和工作線程（又稱(chēng)為后臺(tái)線程）。用戶界面線程通常用來(lái)處理用戶的輸入并響應(yīng)各種事件和消息，其實(shí)，應(yīng)用程序的主執(zhí)行線程CWinAPP對(duì)象就是一個(gè)用戶界面線程，當(dāng)應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)創(chuàng)建和啟動(dòng)，同樣它的終止也意味著該程序的結(jié)束，進(jìn)城終止。工作者線程用來(lái)執(zhí)行程序的后臺(tái)處理任務(wù)，比如計(jì)算、調(diào)度、對(duì)串口的讀寫(xiě)操作等，它和用戶界面線程的區(qū)別是它不用從CwinThread類(lèi)派生來(lái)創(chuàng)建，對(duì)它來(lái)說(shuō)最重要的是如何實(shí)現(xiàn)工作線程任務(wù)的運(yùn)行控制函數(shù)。工作線程和用戶界面線程啟動(dòng)時(shí)要調(diào)用同一個(gè)函數(shù)的不同版本；最后需要讀者明白的是，一個(gè)進(jìn)程中的所有線程共享它們父進(jìn)程的變量，但同時(shí)每個(gè)線程可以擁有自己的變量。
二、 線程的管理和操作
1． 線程的啟動(dòng)
創(chuàng)建一個(gè)用戶界面線程，首先要從類(lèi)CwinThread產(chǎn)生一個(gè)派生類(lèi)，同時(shí)必須使用DECLARE_DYNCREATE和IMPLEMENT_DYNCREATE來(lái)聲明和實(shí)現(xiàn)這個(gè)CwinThread派生類(lèi)。
第二步是根據(jù)需要重載該派生類(lèi)的一些成員函數(shù)如：ExitInstance()；InitInstance()；OnIdle();PreTranslateMessage()等函數(shù)，最后啟動(dòng)該用戶界面線程，調(diào)用AfxBeginThread()函數(shù)的一個(gè)版本：CWinThread* AfxBeginThread( CRuntimeClass* pThreadClass, int nPriority = THREAD_PRIORITY_NORMAL, UINT nStackSize = 0, DWORD dwCreateFlags = 0, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttrs = NULL );其中第一個(gè)參數(shù)為指向定義的用戶界面線程類(lèi)指針變量，第二個(gè)參數(shù)為線程的優(yōu)先級(jí)，第三個(gè)參數(shù)為線程所對(duì)應(yīng)的堆棧大小，第四個(gè)參數(shù)為線程創(chuàng)建時(shí)的附加標(biāo)志，缺省為正常狀態(tài)，如為CREATE_SUSPENDED則線程啟動(dòng)后為掛起狀態(tài)。
對(duì)于工作線程來(lái)說(shuō)，啟動(dòng)一個(gè)線程，首先需要編寫(xiě)一個(gè)希望與應(yīng)用程序的其余部分并行運(yùn)行的函數(shù)如Fun1()，接著定義一個(gè)指向CwinThread對(duì)象的指針變量*pThread,調(diào)用AfxBeginThread(Fun1,param,priority)函數(shù)，返回值付給pThread變量的同時(shí)一并啟動(dòng)該線程來(lái)執(zhí)行上面的Fun1()函數(shù)，其中Fun1是線程要運(yùn)行的函數(shù)的名字，也既是上面所說(shuō)的控制函數(shù)的名字，param是準(zhǔn)備傳送給線程函數(shù)Fun1的任意32位值，priority則是定義該線程的優(yōu)先級(jí)別，它是預(yù)定義的常數(shù)，讀者可參考MSDN。
2．線程的優(yōu)先級(jí)
以下的CwinThread類(lèi)的成員函數(shù)用于線程優(yōu)先級(jí)的操作：
int GetThreadPriority();
BOOL SetThradPriority()(int nPriority);
上述的二個(gè)函數(shù)分別用來(lái)獲取和設(shè)置線程的優(yōu)先級(jí)，這里的優(yōu)先級(jí)，是相對(duì)于該線程所處的優(yōu)先權(quán)層次而言的，處于同一優(yōu)先權(quán)層次的線程，優(yōu)先級(jí)高的線程先運(yùn)行；處于不同優(yōu)先權(quán)層次上的線程，誰(shuí)的優(yōu)先權(quán)層次高，誰(shuí)先運(yùn)行。至于優(yōu)先級(jí)設(shè)置所需的常數(shù)，自己參考MSDN就可以了，要注意的是要想設(shè)置線程的優(yōu)先級(jí)，這個(gè)線程在創(chuàng)建時(shí)必須具有THREAD_SET_INFORMATION訪問(wèn)權(quán)限。對(duì)于線程的優(yōu)先權(quán)層次的設(shè)置，CwinThread類(lèi)沒(méi)有提供相應(yīng)的函數(shù)，但是可以通過(guò)Win32 SDK函數(shù)GetPriorityClass()和SetPriorityClass()來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3．線程的懸掛、恢復(fù)
CwinThread類(lèi)中包含了應(yīng)用程序懸掛和恢復(fù)它所創(chuàng)建的線程的函數(shù)，其中SuspendThread()用來(lái)懸掛線程，暫停線程的執(zhí)行；ResumeThread()用來(lái)恢復(fù)線程的執(zhí)行。如果你對(duì)一個(gè)線程連續(xù)若干次執(zhí)行SuspendThread()，則需要連續(xù)執(zhí)行相應(yīng)次的ResumeThread()來(lái)恢復(fù)線程的運(yùn)行。
4．結(jié)束線程
終止線程有三種途徑，線程可以在自身內(nèi)部調(diào)用AfxEndThread()來(lái)終止自身的運(yùn)行；可以在線程的外部調(diào)用BOOL TerminateThread( HANDLE hThread, DWORD dwExitCode )來(lái)強(qiáng)行終止一個(gè)線程的運(yùn)行，然后調(diào)用CloseHandle（）函數(shù)釋放線程所占用的堆棧；第三種方法是改變?nèi)肿兞浚咕�程的執(zhí)行函數(shù)返回，則該線程終止。下面以第三種方法為例，給出部分代碼：
////////////////////////////////////////////////////////////////
//////CtestView message handlers
/////Set to True to end thread
Bool bend=FALSE;//定義的全局變量，用于控制線程的運(yùn)行
//The Thread Function
UINT ThreadFunction(LPVOID pParam)//線程函數(shù)
{
while(!bend)
{Beep(100,100);
Sleep(1000);
}
return 0;
}
CwinThread *pThread;
HWND hWnd;
/////////////////////////////////////////////////////////////
Void CtestView::OninitialUpdate()
{
hWnd=GetSafeHwnd();
pThread=AfxBeginThread(ThradFunction,hWnd);//啟動(dòng)線程
pThread->m_bAutoDelete=FALSE;//線程為手動(dòng)刪除
Cview::OnInitialUpdate();
}
////////////////////////////////////////////////////////////////
Void CtestView::OnDestroy()
{ bend=TRUE;//改變變量，線程結(jié)束
WaitForSingleObject(pThread->m_hThread,INFINITE);//等待線程結(jié)束
delete pThread;//刪除線程
Cview::OnDestroy();
}
三、 線程之間的通信
通常情況下，一個(gè)次級(jí)線程要為主線程完成某種特定類(lèi)型的任務(wù)，這就隱含著表示在主線程和次級(jí)線程之間需要建立一個(gè)通信的通道。一般情況下，有下面的幾種方法實(shí)現(xiàn)這種通信任務(wù)：使用全局變量（上一節(jié)的例子其實(shí)使用的就是這種方法）、使用事件對(duì)象、使用消息。這里我們主要介紹后兩種方法。
1． 利用用戶定義的消息通信
在Windows程序設(shè)計(jì)中，應(yīng)用程序的每一個(gè)線程都擁有自己的消息隊(duì)列，甚至工作線程也不例外，這樣一來(lái)，就使得線程之間利用消息來(lái)傳遞信息就變的非常簡(jiǎn)單。首先用戶要定義一個(gè)用戶消息，如下所示：#define WM_USERMSG WMUSER+100；在需要的時(shí)候，在一個(gè)線程中調(diào)用
：：PostMessage((HWND)param,WM_USERMSG,0,0)
或
CwinThread::PostThradMessage()
來(lái)向另外一個(gè)線程發(fā)送這個(gè)消息，上述函數(shù)的四個(gè)參數(shù)分別是消息將要發(fā)送到的目的窗口的句柄、要發(fā)送的消息標(biāo)志符、消息的參數(shù)WPARAM和LPARAM。下面的代碼是對(duì)上節(jié)代碼的修改，修改后的結(jié)果是在線程結(jié)束時(shí)顯示一個(gè)對(duì)話框，提示線程結(jié)束：
UINT ThreadFunction(LPVOID pParam)
{
while(!bend)
{
Beep(100,100);
Sleep(1000);
}
：：PostMessage(hWnd,WM_USERMSG,0,0)；
return 0;
}
////////WM_USERMSG消息的響應(yīng)函數(shù)為OnThreadended(WPARAM wParam,LPARAM lParam)
LONG CTestView::OnThreadended(WPARAM wParam,LPARAM lParam)
{
AfxMessageBox("Thread ended.");
Retrun 0;
}
上面的例子是工作者線程向用戶界面線程發(fā)送消息，對(duì)于工作者線程，如果它的設(shè)計(jì)模式也是消息驅(qū)動(dòng)的，那么調(diào)用者可以向它發(fā)送初始化、退出、執(zhí)行某種特定的處理等消息，讓它在后臺(tái)完成。在控制函數(shù)中可以直接使用：：GetMessage()這個(gè)SDK函數(shù)進(jìn)行消息分檢和處理，自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)消息循環(huán)。GetMessage()函數(shù)在判斷該線程的消息隊(duì)列為空時(shí)，線程將系統(tǒng)分配給它的時(shí)間片讓給其它線程，不無(wú)效的占用CPU的時(shí)間，如果消息隊(duì)列不為空，就獲取這個(gè)消息，判斷這個(gè)消息的內(nèi)容并進(jìn)行相應(yīng)的處理。
2．用事件對(duì)象實(shí)現(xiàn)通信
在線程之間傳遞信號(hào)進(jìn)行通信比較復(fù)雜的方法是使用事件對(duì)象，用MFC的Cevent類(lèi)的對(duì)象來(lái)表示。事件對(duì)象處于兩種狀態(tài)之一：有信號(hào)和無(wú)信號(hào)，線程可以監(jiān)視處于有信號(hào)狀態(tài)的事件，以便在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候執(zhí)行對(duì)事件的操作。上述例子代碼修改如下：
////////////////////////////////////////////////////////////////////
Cevent threadStart,threadEnd;
////////////////////////////////////////////////////////////////////
UINT ThreadFunction(LPVOID pParam)
{
：：WaitForSingleObject(threadStart.m_hObject,INFINITE);
AfxMessageBox("Thread start.");
while(!bend)
{
Beep(100,100);
Sleep(1000);
Int result=::WaitforSingleObject(threadEnd.m_hObject,0);
//等待threadEnd事件有信號(hào)，無(wú)信號(hào)時(shí)線程在這里懸停
If(result==Wait_OBJECT_0)
Bend=TRUE;
}
：：PostMessage(hWnd,WM_USERMSG,0,0)；
return 0;
}
/////////////////////////////////////////////////////////////
Void CtestView::OninitialUpdate()
{
hWnd=GetSafeHwnd();
threadStart.SetEvent();//threadStart事件有信號(hào)
pThread=AfxBeginThread(ThreadFunction,hWnd);//啟動(dòng)線程
pThread->m_bAutoDelete=FALSE;
Cview::OnInitialUpdate();
}
////////////////////////////////////////////////////////////////
Void CtestView::OnDestroy()
{ threadEnd.SetEvent();
WaitForSingleObject(pThread->m_hThread,INFINITE);
delete pThread;
Cview::OnDestroy();
}
運(yùn)行這個(gè)程序，當(dāng)關(guān)閉程序時(shí)，才顯示提示框，顯示"Thread ended"
四、 線程之間的同步
前面我們講過(guò)，各個(gè)線程可以訪問(wèn)進(jìn)程中的公共變量，所以使用多線程的過(guò)程中需要注意的問(wèn)題是如何防止兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)數(shù)據(jù)，以免破壞數(shù)據(jù)的完整性。保證各個(gè)線程可以在一起適當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)工作稱(chēng)為線程之間的同步。前面一節(jié)介紹的事件對(duì)象實(shí)際上就是一種同步形式。Visual C++中使用同步類(lèi)來(lái)解決操作系統(tǒng)的并行性而引起的數(shù)據(jù)不安全的問(wèn)題，MFC支持的七個(gè)多線程的同步類(lèi)可以分成兩大類(lèi)：同步對(duì)象（CsyncObject、Csemaphore、Cmutex、CcriticalSection和Cevent）和同步訪問(wèn)對(duì)象（CmultiLock和CsingleLock）。本節(jié)主要介紹臨界區(qū)（critical section）、互斥（mutexe）、信號(hào)量（semaphore），這些同步對(duì)象使各個(gè)線程協(xié)調(diào)工作，程序運(yùn)行起來(lái)更安全。
1． 臨界區(qū)
臨界區(qū)是保證在某一個(gè)時(shí)間只有一個(gè)線程可以訪問(wèn)數(shù)據(jù)的方法。使用它的過(guò)程中，需要給各個(gè)線程提供一個(gè)共享的臨界區(qū)對(duì)象，無(wú)論哪個(gè)線程占有臨界區(qū)對(duì)象，都可以訪問(wèn)受到保護(hù)的數(shù)據(jù)，這時(shí)候其它的線程需要等待，直到該線程釋放臨界區(qū)對(duì)象為止，臨界區(qū)被釋放后，另外的線程可以強(qiáng)占這個(gè)臨界區(qū)，以便訪問(wèn)共享的數(shù)據(jù)。臨界區(qū)對(duì)應(yīng)著一個(gè)CcriticalSection對(duì)象，當(dāng)線程需要訪問(wèn)保護(hù)數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用臨界區(qū)對(duì)象的Lock()成員函數(shù)；當(dāng)對(duì)保護(hù)數(shù)據(jù)的操作完成之后，調(diào)用臨界區(qū)對(duì)象的Unlock()成員函數(shù)釋放對(duì)臨界區(qū)對(duì)象的擁有權(quán)，以使另一個(gè)線程可以?shī)Z取臨界區(qū)對(duì)象并訪問(wèn)受保護(hù)的數(shù)據(jù)。同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)線程，它們對(duì)應(yīng)的函數(shù)分別為WriteThread()和ReadThread()，用以對(duì)公共數(shù)組組array[]操作，下面的代碼說(shuō)明了如何使用臨界區(qū)對(duì)象：
#include "afxmt.h"
int array[10],destarray[10];
CCriticalSection Section;
////////////////////////////////////////////////////////////////////////
UINT WriteThread(LPVOID param)
{Section.Lock();
for(int x=0;x<10;x++)
array[x]=x;
Section.Unlock();
}
UINT ReadThread(LPVOID param)
{
Section.Lock();
For(int x=0;x<10;x++)
Destarray[x]=array[x];
Section.Unlock();
}
上述代碼運(yùn)行的結(jié)果應(yīng)該是Destarray數(shù)組中的元素分別為1-9，而不是雜亂無(wú)章的數(shù)，如果不使用同步，則不是這個(gè)結(jié)果，有興趣的讀者可以實(shí)驗(yàn)一下。
2． 互斥
互斥與臨界區(qū)很相似，但是使用時(shí)相對(duì)復(fù)雜一些，它不僅可以在同一應(yīng)用程序的線程間實(shí)現(xiàn)同步，還可以在不同的進(jìn)程間實(shí)現(xiàn)同步，從而實(shí)現(xiàn)資源的安全共享。互斥與Cmutex類(lèi)的對(duì)象相對(duì)應(yīng)，使用互斥對(duì)象時(shí)，必須創(chuàng)建一個(gè)CSingleLock或CMultiLock對(duì)象，用于實(shí)際的訪問(wèn)控制，因?yàn)檫@里的例子只處理單個(gè)互斥，所以我們可以使用CSingleLock對(duì)象，該對(duì)象的Lock()函數(shù)用于占有互斥，Unlock()用于釋放互斥。實(shí)現(xiàn)代碼如下：
#include "afxmt.h"
int array[10],destarray[10];
CMutex Section;
/////////////////////////////////////////////////////////////
UINT WriteThread(LPVOID param)
{ CsingleLock singlelock;
singlelock (&Section);
singlelock.Lock();
for(int x=0;x<10;x++)
array[x]=x;
singlelock.Unlock();
}
UINT ReadThread(LPVOID param)
{ CsingleLock singlelock;
singlelock (&Section);
singlelock.Lock();
For(int x=0;x<10;x++)
Destarray[x]=array[x];
singlelock.Unlock();
}
3． 信號(hào)量
信號(hào)量的用法和互斥的用法很相似，不同的是它可以同一時(shí)刻允許多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)資源，創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量需要用Csemaphore類(lèi)聲明一個(gè)對(duì)象，一旦創(chuàng)建了一個(gè)信號(hào)量對(duì)象，就可以用它來(lái)對(duì)資源的訪問(wèn)技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)處理，先創(chuàng)建一個(gè)CsingleLock或CmltiLock對(duì)象，然后用該對(duì)象的Lock()函數(shù)減少這個(gè)信號(hào)量的計(jì)數(shù)值，Unlock()反之。下面的代碼分別啟動(dòng)三個(gè)線程，執(zhí)行時(shí)同時(shí)顯示二個(gè)消息框，然后10秒后第三個(gè)消息框才得以顯示。
/////////////////////////////////////////////////////////////////
Csemaphore *semaphore;
Semaphore=new Csemaphore(2,2);
HWND hWnd=GetSafeHwnd();
AfxBeginThread(threadProc1,hWnd);
AfxBeginThread(threadProc2,hWnd);
AfxBeginThread(threadProc3,hWnd);
//////////////////////////////////////////////////////////////////////
UINT ThreadProc1(LPVOID param)
{CsingleLock singelLock(semaphore);
singleLock.Lock();
Sleep(10000);
::MessageBox((HWND)param,"Thread1 had access","Thread1",MB_OK);
return 0;
}
UINT ThreadProc2(LPVOID param)
{CSingleLock singelLock(semaphore);
singleLock.Lock();
Sleep(10000);
::MessageBox((HWND)param,"Thread2 had access","Thread2",MB_OK);
return 0;
}
UINT ThreadProc3(LPVOID param)
{CsingleLock singelLock(semaphore);
singleLock.Lock();
Sleep(10000);
::MessageBox((HWND)param,"Thread3 had access","Thread3",MB_OK);
return 0;
}
對(duì)復(fù)雜的應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，線程的應(yīng)用給應(yīng)用程序提供了高效、快速、安全的數(shù)據(jù)處理能力。本文講述了線程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，希望對(duì)讀者朋友有一定的幫助。
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