温故而知新之多线程同步互斥对像:临界区(CriticalSection),互斥量(Mutex),信号量(Semphore)与事件(Handle)
临界区(CriticalSection),互斥量(Mutex),信号量(Semphore)与事件(Handle) 相关整理
【一、理清 临界区,互斥量,信号量,事件基本概念】
1. 临界区:通过对多线程的(串行化)来访问公共资源或一段代码, 速度快, 适合控制数据访问,所以临界区的常规用法是用于对数据加锁,而对操作是不加锁的。
临界区(Critical Section) 保证在某一时刻只有一个线程能访问数据的简便办法。 在任意时刻只允许一个线程对共享资 源进行访问。如果有多个线程试图同时访问临界区,那么在有一个线 程进入后其他所有试 图访问此临界区的线程将被挂起, 并一直持续到进入临界区的线程离开。 临界区在被释放后, 其他线程可以继续抢占,并以此达到用原子方式操 作共享资源的目的。 临界区包含两个操作原语: EnterCriticalSection() 进入临界区 LeaveCriticalSection() 离开临界区 EnterCriticalSection()语句执行后代码将进入临界区以后无论发生什么,必须确保与之匹 配的 LeaveCriticalSection()都能够被执行到。否则临界区保护的共享资源将永远不会被释 放。虽然临界区同步速度很快,但却只能用来同步本 进程内的线程,而不可用来同步多个 进程中的线程。 MFC 提供了很多功能完备的类,我用 MFC 实现了临界区。MFC 为临界区提供有一个 CCriticalSection 类,使用该类进行线程同步处理是 非常简单的。只需在线程函数中用 CCriticalSection 类成员函数 Lock()和 UnLock()标定出被保护代码片段即可。Lock() 后代 码用到的资源自动被视为临界区内的资源被保护。 UnLock 后别的线程才能访问这些资 源。
2. 互斥量:为协调共同对一个共享资源的单独访问而设计的
互斥量(Mutex) 由于互斥对象只 互斥量跟临界区很相似, 只有拥有互斥对象的线程才具有访问资源的权限, 有一个,因此就决定了任何情况下此共享资源都不会同时被多个线程 所访问。当前占据资 源的线程在任务处理完后应将拥有的互斥对象交出,以便其他线程在获得后得以访问资源。 互斥量比临界区复杂。因为使用互斥不仅仅能够在同 一应用程序不同线程中实现资源的安 全共享,而且可以在不同应用程序的线程之间实现对资源的安全共享。 互斥量包含的几个操作原语: CreateMutex() 创建一个互斥量 OpenMutex() 打开一个互斥量 ReleaseMutex() 释放互斥量 WaitForMultipleObjects() 等待互斥量对象 同样 MFC 为互斥量提供有一个 CMutex 类。使用 CMutex 类实现互斥量操作非常简单,但 是要特别注意对 CMutex 的构造函数的调用 CMutex( BOOL bInitiallyOwn = FALSE, LPCTSTR lpszName = NULL, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsaAttribute = NULL) 不用的参数不能乱填,乱填会出现一些意想不到的运行结果。
3. 信号量:为控制一个具有有限数量用户资源而设计
信号量(Semaphores) 信号量对象对线程的同步方式与前面几种方法不同,信号允许多个线程同时使用共享资源, 这与操作系统中的 PV 操作相同。它指出了同时访问共享资源的线程 最大数目。它允许多 个线程在同一时刻访问同一资源, 但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目。 在 用 CreateSemaphore()创建信号量 时即要同时指出允许的最大资源计数和当前可用资源计 数。一般是将当前可用资源计数设置为最大资源计数,每增加一个线程对共享资源的访问, 当前可用资源计数 就会减 1,只要当前可用资源计数是大于 0 的,就可以发出信号量信号。 但是当前可用计数减小到 0 时则说明当前占用资源的线程数已经达到了所允许的最大数目, 不能在允许其他线程的进入,此时的信号量信号将无法发出。线程在处理完共享资源后,应 在离开的同时通过 ReleaseSemaphore()函数将当前可 用资源计数加 1。在任何时候当前 可用资源计数决不可能大于最大资源计数。 PV 操作及信号量的概念都是由荷兰科学家 E.W.Dijkstra 提出的。信号量 S 是一个整数,S 大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数,但 S 小于零时则表示正在等待使用共 享资源的进程数。 P 操作 申请资源: (1)S 减 1; (2)若 S 减 1 后仍大于等于零,则进程继续执行; (3)若 S 减 1 后小于零,则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中,然后转入进程 调度。 V 操作 释放资源: (1)S 加 1; (2)若相加结果大于零,则进程继续执行; (3)若相加结果小于等于零,则从该信号的等待队列中唤醒一个等待进程,然后再返回原 进程继续执行或转入进程调度。 信号量包含的几个操作原语: CreateSemaphore() 创建一个信号量 OpenSemaphore() 打开一个信号量 ReleaseSemaphore() 释放信号量 WaitForSingleObject() 等待信号量事件(Event)
信号量包含的几个操作原语: CreateEvent() 创建一个信号量 OpenEvent() 打开一个事件 SetEvent() 回置事件 WaitForSingleObject() 等待一个事件 WaitForMultipleObjects() 等待多个事件 WaitForMultipleObjects 函数原型: WaitForMultipleObjects( IN DWORD nCount, // 等待句柄数 IN CONST HANDLE *lpHandles, //指向句柄数组 IN BOOL bWaitAll, //是否完全等待标志 IN DWORD dwMilliseconds //等待时间 ) 参数 nCount 指定了要等待的内核对象的数目, 存放这些内核对象的数组由 lpHandles 来指向。 fWaitAll 对指定的这 nCount 个内核 对象的两种等待方式进行了指定, TRUE 时当所有对 为 象都被通知时函数才会返回,为 FALSE 则只要其中任何一个得到通知就可以返回。 dwMilliseconds 在这里的作用与在 WaitForSingleObject()中的作用是完全一致的。如果等 待超时,函数将返回 WAIT_TIMEOUT。 总结:
4. 事件(Handle):用来通知线程有一些事件已发生,从而启动后继任务的开始
事件对象可以通过通知操作的方式来保持线程的同步。 并且可以实现不同进程中的线程同 步操作。
【二、Note:区别与联系及各自适用场景】
1. Critical Section 使用临界区域的第一个忠告就是不要长时间锁住一份资源。这里的长时间是相对的,视不同程序而定。对 一些控制软件来说,可能是数毫秒,但是对另外一些程序来说,可以长达数分钟。但进入临界区后必须尽快地离开,释放资源。如果不释放的话,会如何?答案是不会怎样。如果是主线程(UI 线程)要进入一个没有被释放的临界区,呵呵,程序就会挂了!【 临界区域的一个缺点】:Critical Section 不是一个核心对象,无法获知进入临界区的线程是生是死,如果进入临界区的线程挂了,没有释放临界资源,系统无法获知,而且没有办法释放该临界资源。这个缺点在互斥器(Mutex)中得到了弥补。Critical Section 在 MFC 中的相应实现类是 CcriticalSection。
CcriticalSection: Lock()进入临界区; CcriticalSection: UnLock()离开临界区。
临界区只能用于同一应用进程的多线程之间来实现同步与互斥,属于非内核对像。
2.Mutex 互斥量与临界区区别
(i)Mutex 互斥量与临界区作用相似。
(ii) 更多要 注意互斥量与临界区二者之间的区别:互斥量是可以命名的, 也就是说它可以【跨越进程】使用。创建互斥量需要的资源更多,Mutex 所花费的时间比 Critical Section 多的多,但是 Mutex 是核心对象(Event、Semaphore 也是),可以跨进程使用,而且等待一个被锁住的 Mutex 可以设定 TIMEOUT,不会像 Critical Section 那样无法得知临界区域的情况,而一直死等。
所以如果只为了在进程内部是用的话使 用临界区会 因为互斥量是跨进程的互斥量一旦被创建, 就可带来速度上的优势并能够减少资源占用量。以通过名字打开它。
MFC 中的对应类为 CMutex。
Win32 函数有:创建互斥体 CreateMutex()/ 打开互斥体 OpenMutex()/释放互斥体 ReleaseMutex()。
Mutex 的拥有权并非属于那个产生它的线程,而是最后那个对此 Mutex 进行等待操作(WaitForSingleObject 等等)并且尚未进行 ReleaseMutex()操作的线程。
线程拥有 Mutex 就好像 进入 Critical Section 一样,一次只能有一个线程拥有该 Mutex。
如果一个拥有 Mutex 的线程在返回之 前没有调用 ReleaseMutex(), 那么这个 Mutex 就被舍弃了, 但是当其他线程等待(WaitForSingleObject 等)这个 Mutex 时,仍能返回,并得到一个 WAIT_ABANDONED_0 返回值。能够知道一个 Mutex 被舍 弃是 Mutex 特有的。
3.互斥量(Mutex) ,信号灯(Semaphore) ,事件(Event)都可以被跨越进程使用来进行同步数据操作,而其他的对象与数据同步操作无关,但对于进程和线程来讲,如果进程和线程在运行状态则为无信号状态,在退出后为有信号状态。所以可以使用 WaitForSingleObject 来等待进程和 线程退出。
通过互斥量可以指定资源被独占的方式使用, 但如果有下面一种情况通过互斥量就无法处理,比如现在一位用户购买了一份三个并发访问许可的数据库系统,可以根 据用户购买 的访问许可数量来决定有多少个线程/进程能同时进行数据库操作,这时候如果利用互斥量 就没有办法完成这个要求,信号灯对象可以说是一种资源计数 器。
Semaphore 信号量是最具历史的同步机制。信号量是解决 producer/consumer 问题的关键要素。对应的 MFC 类是 Csemaphore。Win32 函数 CreateSemaphore()用来产生信号量。ReleaseSemaphore()用来解 除锁定。Semaphore 的现值代表的意义是目前可用的资源数,如果 Semaphore 的现值为 1,表示还有 一个锁定动作可以成功。如果现值为5,就表示还有五个锁定动作可以成功。当调用 Wait…等函数要求锁 定,如果 Semaphore 现值不为 0,Wait…马上返回,资源数减 1。当调用 ReleaseSemaphore()资 源数加 1,当时不会超过初始设定的资源总数。 4 种进程或线程同步互斥的控制方法 很想整理一下自己对进程线程同步互斥的理解。
Event 用事件(Event)来同步线程是最具弹性的了。一个事件有两种状态:激发状态和未激发状态。也称有信 号状态和无信号状态。事件又分两种类型:手动重置事件和自动重置事件。手动重置事件被设置为激发状 态后,会唤醒所有等待的线程,而且一直保持为激发状态,直到程序重新把它设置为未激发状态。自动重 置事件被设置为激发状态后,会唤醒“一个”等待中的线程,然后自动恢复为未激发状态。所以用自动重置 事件来同步两个线程比较理想。MFC 中对应的类为 CEvent.。CEvent 的构造函数默认创建一个自动重置 的事件,而且处于未激发状态。共有三个函数来改变事件的状态:SetEvent,ResetEvent 和 PulseEvent。 用事件来同步线程是一种比较理想的做法,但在实际的使用过程中要注意的是,对自动重置事件调用 SetEvent 和 PulseEvent 有可能会引起死锁,必须小心。