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。