C/C++拾遗（二十七）：Windows多线程

     进程是系统中的重要概念，简单来说字面的意思就是一个运行中的程序，但是程序代表的是静态的指令代码。进程由系统管理的内核对象和存放程序运行资源的地址空间组成。内核对象由系统管理，因此应用程序是无法直接访问的；地址空间中则包含着程序运行所需的所有资源，如可执行模块、DLL、代码和数据，以及动态分配的栈与堆。可以说，其实进程就是程序运行的资源的容器。但是进程只是为程序的执行提供了一个场所，真正实现执行流程的是线程。每个进程启动时都会自动建立一个线程作为主线程，由它去创建其他的线程。线程与进程相比更为轻量级，二者的主要联系在于：
1. 线程创建在进程的地址空间中，对于进程资源有着完全访问权限，多线程间共享资源，可自由通信；
2. 线程建立时也有自己的内核对象和线程栈，而非地址空间；
3. 一般需要实现多任务时我们更推荐使用线程实现，因为创建一个进程需要分配地址空间，而且进程间的切换也很不方便，即使用进程开销很高；

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一、创建多线程
     简单了解了进程与线程的概念之后，我们来看看如何在程序中创建线程。Windows SDK为我们提供了创建线程的专用函数：CreateThread()

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1. HANDLE CreateThread(
   
2.   LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsa,
   
3.   DWORD cbStack,
   
4.   LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddr,
   
5.   LPVOID lpvThreadParam,
   
6.   DWORD fdwCreate,
   
7.   LPDWORD lpIDThread
   
8. );

-1-第一个参数是安全属性结构，主要控制该线程句柄是否可为进程的子进程继承使用，默认使用NULL时表示不能继承；若想继承线程句柄，则需要设置该结构体，将结构体的bInheritHandle成员初始化为TRUE；
-2-cbStack表示的线程初始栈的大小，若使用0则表示采用默认大小初始化；
-3-lpStartAddr表示线程开始的位置，即线程要执行的函数代码，这点有点类似于回调函数的使用；
-4-lpvThreadParam用来接收线程过程函数的参数，不需要时可以设置为NULL；
-5-fdwCreate表示创建线程时的标志，CREATE_SUSPENDED表示线程创建后挂起暂不执行，必须调用ResumeThread才可以执行，0表示线程创建之后立即执行
-6-lpIDThread用来保存线程的ID；
     了解了CreateThread函数的用法，我们来看一个例子实际体验一下。下面的例子会开启一个线程循环输出信息，我们可以查看结果：

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1. //MultiThread
   
2. 
   
3. #include <iostream>
   
4. #include <cstdlib>
   
5. #include <windows.h>
   
6. using namespace std;
   
7. 
   
8. DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID lpParameter);
   
9. 
   
10. 
    
11. int main()
    
12. {
    
13. 
    
14.     int j = 0;
    
15.     
    
16.     HANDLE hThread_1 = CreateThread(NULL, 0, Fun1Proc, NULL, 0, NULL);
    
17.     CloseHandle(hThread_1);
    
18.     
    
19.     while (j++ < 1000)
    
20.      cout << "MainThread is running for" << " the "<< j <<" times "<<endl;
    
21.         
    
22.     system("pause");
    
23.     return 0;
    
24.         
    
25.     
    
26. }
    
27. 
    
28. 
    
29. DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID lpParameter)
    
30. {
    
31.       int i = 0;
    
32.       while (i++ < 1000)
    
33.           cout << "Thread 1 is running for" <<" the "<< i <<" times "<<endl;
    
34.        
    
35.       return 0;
    
36.       }

      由于我们使用system("pause")命令，因此我们不需要Sleep()命令同样可以看到主线程和分线程的交替执行：

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二、多线程的问题
     上面的程序我们只是建立一个新线程，如果建立两个呢？下面我们模拟一个火车售票的模型，线程1和线程2同时负责售票，主线程负责平台搭建。线程1和线程2分别访问全局变量tickets，输出其值作为票号然后将其值减一，直至“售完”所有票：

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1. //MultiThread
   
2. 
   
3. #include <iostream>
   
4. #include <cstdlib>
   
5. #include <windows.h>
   
6. using namespace std;
   
7. 
   
8. DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID lpParameter);
   
9. DWORD WINAPI Fun2Proc(LPVOID lpParameter);
   
10. 
    
11. int tickets = 100;
12. 
    
13. int main()
    
14. {
    
15.            
16.     HANDLE hThread_1 = CreateThread(NULL, 0, Fun1Proc, NULL, 0, NULL);
    
17.     HANDLE hThread_2 = CreateThread(NULL, 0, Fun2Proc, NULL, 0, NULL);
    
18.     CloseHandle(hThread_1);
    
19.     CloseHandle(hThread_2);
    
20.            
21.     system("pause");
    
22.     return 0;
    
23.         
    
24.     
    
25. }
    
26. 
    
27. 
    
28. DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID lpParameter)
    
29. {
    
30.      
31.       while (true)
    
32.       {        
33.             if (tickets > 0)
    
34.             {
    
35.                  Sleep(10);
    
36.                  cout << "Thread 1 sell ticket : "<<tickets--<<endl;
    
37.                  }
    
38.             else
    
39.                  break;       
40.             }
    
41.       return 0;
    
42.       }
    
43.       
    
44. DWORD WINAPI Fun2Proc(LPVOID lpParameter)
    
45. {
    
46. 
    
47.        while (true)
    
48.       {
    
49.         
    
50.             if (tickets > 0)
    
51.             {
    
52.                  Sleep(10);
    
53.                  cout << "Thread 2 sell ticket : "<<tickets--<<endl;
    
54.                  }
    
55.             else
    
56.                  break;
    
57.          
    
58.             }
    
59.       return 0;
    
60.       }

      再次运行之后结果：

     分析下上面的结果，首先线程1和线程2确实交替运行“购票”了，其次看到不规则的输出，1314连到一起。关于这点我们要知道由于CPU是执行分片处理的，即不同的线程会得到不同的时间片来执行程序，尤其是对于单CPU来说更是如此，因此当线程1执行到"Thread 1 sell ticket"时结束分片，由线程2继续执行；线程2执行到同样位置再次交还给线程1继续执行显示“13”，然后线程2执行显示“14”。这样看好像也没有问题，但是问题在于最后出现了“0”，我们的代码中是不允许出现0的，之所以这样，同上面的元婴一样，在线程1执行到ticket = 1时交接给了线程2执行，并且输出了其值1，然后线程1继续输出了当前值0.此时的if条件就失去作用了。虽然这种情况不一定总是发生，但是在实际的操作中是很有可能出现的，而且排查起来也很困难。那么我们该如何解决呢？
     问题的关键在于线程1和线程2同时访问了全局变量tickets，导致了错误；那么我们的解决方案就是将全局变量的访问控制起来就可以了，不允许同时有多个线程同时访问该变量。我们使用互斥量来实现。

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三、互斥量的应用
     使用互斥量并不困难，核心步骤如下：
-1-CreateMutex创建一个互斥量：

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1. HANDLE CreateMutex(
   
2.   LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,
   
3.   BOOL bInitialOwner,
   
4.   LPCTSTR lpName
   
5. );

      第一个参数同样是安全结构，默认是NULL不能继承句柄；第二个参数为FALSE时创建Mutex时不指定所有权，若为TRUE则指定为当前的创建线程ID为所有者，其他线程访问需要先ReleaseMutex；第三个参数用于设置Mutex名，后续我们会说明，为NULL时表示是匿名互斥量。
-2-WaitForSingleObject()：请求一个互斥量的访问权；
-3-ReleaseMutex()：释放一个互斥量的访问权；
     好了，我们再来看看应用了互斥量的改进程序：

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1. //MultiThread
   
2. 
   
3. #include <iostream>
   
4. #include <cstdlib>
   
5. #include <windows.h>
   
6. using namespace std;
   
7. 
   
8. DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID lpParameter);
   
9. DWORD WINAPI Fun2Proc(LPVOID lpParameter);
   
10. 
    
11. int tickets = 100;
    
12. HANDLE hMutex;
    
13. 
    
14. int main()
    
15. {
    
16.    
17. 
    
18.     hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
19.     
    
20.     HANDLE hThread_1 = CreateThread(NULL, 0, Fun1Proc, NULL, 0, NULL);
    
21.     HANDLE hThread_2 = CreateThread(NULL, 0, Fun2Proc, NULL, 0, NULL);
    
22.     CloseHandle(hThread_1);
    
23.     CloseHandle(hThread_2);
    
24. 
    
25.         
    
26.     system("pause");
    
27.     return 0;
    
28.         
    
29.     
    
30. }
    
31. 
    
32. 
    
33. DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID lpParameter)
    
34. {
    
35. 
    
36.       while (true)
    
37.       {
    
38.             WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
    
39.             if (tickets > 0)
    
40.             {
    
41.                  Sleep(10);
    
42.                  cout << "Thread 1 sell ticket : "<<tickets--<<endl;
    
43.                  }
    
44.             else
    
45.                  break;
    
46.             ReleaseMutex(hMutex);
    
47.             }
    
48.       return 0;
    
49.       }
    
50.       
    
51. DWORD WINAPI Fun2Proc(LPVOID lpParameter)
    
52. {
    
53. 
    
54.        while (true)
    
55.       {
    
56.             WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
    
57.             if (tickets > 0)
    
58.             {
    
59.                 Sleep(10);
    
60.                  cout << "Thread 2 sell ticket : "<<tickets--<<endl;
    
61.                  }
    
62.             else
    
63.                  break;
    
64.             ReleaseMutex(hMutex);
    
65.             }
    
66.       return 0;
    
67.       }

      这次运行之后的结果不会出现上面的错误了：

      互斥量还有一个小应用，利用命名互斥量来保证只有一个程序实例运行。我们可以创建一个命名互斥量，当程序要重复运行时，检查互斥量的返回值，若为ERROR_ALREADY_EXISTS则表示已经有一个实例运行了，直接return即可。在源程序中添加以下代码：

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1. //确保只有一个实例运行
   
2.     HANDLE hMutex_1 = CreateMutex(NULL, TRUE, "tickets");
   
3.     if (hMutex_1)
   
4.     {
   
5.                if (ERROR_ALREADY_EXISTS == GetLastError())
   
6.                {
   
7.                        cout << "Only one instance can run !" << endl;
   
8.                        system("pause");
   
9.                        return 0;
   
10.                                         }
    
11.                }