[OS] 多线程--原子操作 Interlocked系列函数

转自：http://blog.csdn.net/morewindows/article/details/7429155

上一篇《多线程--第一次亲密接触 CreateThread与_beginthreadex本质区别》中讲到一个多线程报数功能。为了描述方便和代码简洁起见，我们可以只输出最后的报数结果来观察程序是否运行出错。这也非常类似于统计一个网站每天有多少用户登录，每个用户登录用一个线程模拟，线程运行时会将一个表示计数的变量递增。程序在最后输出计数的值表示有今天多少个用户登录，如果这个值不等于我们启动的线程个数，那显然说明这个程序是有问题的。整个程序代码如下：

#include <stdio.h>
#include <process.h>
#include <windows.h>
volatile long g_nLoginCount; //登录次数
unsigned int __stdcall Fun(void *pPM); //线程函数
const int THREAD_NUM = 10; //启动线程数
unsigned int __stdcall ThreadFun(void *pPM)
{
    Sleep(100); //some work should to do
    g_nLoginCount++;
    Sleep(50);
    return 0;
}
int main()
{
    g_nLoginCount = 0;

    HANDLE  handle[THREAD_NUM];
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
        handle[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ThreadFun, NULL, 0, NULL);

    WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);
    printf("有%d个用户登录后记录结果是%d\n", THREAD_NUM, g_nLoginCount);
    return 0;
}

程序中模拟10个用户登录，运行结果如下：

和上一篇的线程报数程序一样，程序输出的结果好象并没什么问题。下面我们增加点用户来试试，现在模拟50个用户登录，为了便于观察结果，在程序中将10个用户登录过程重复20次，代码如下：

#include <stdio.h>
#include <process.h>
#include <windows.h>
volatile long g_nLoginCount; //登录次数
unsigned int __stdcall Fun(void *pPM); //线程函数
const int THREAD_NUM = 50; //启动线程数
unsigned int __stdcall ThreadFun(void *pPM)
{
    Sleep(100); //some work should to do
    g_nLoginCount++;
    Sleep(50);
    return 0;
}
int main()
{
    int num = 20;
    while(num --)
    {
        g_nLoginCount = 0;

        HANDLE  handle[THREAD_NUM];
        for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
            handle[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ThreadFun, NULL, 0, NULL);

        WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);
        printf("有%d个用户登录后记录结果是%d\n", THREAD_NUM, g_nLoginCount);
    }
    return 0;
}

运行结果如下：

现在结果水落石出，明明有50个线程执行了g_nLoginCount++;操作，但结果输出是不确定的，有可能为50，但也有可能小于50。

要解决这个问题，我们就分析下g_nLoginCount++;操作。在VC6.0编译器对g_nLoginCount++;这一语句打个断点，再按F5进入调试状态，然后按下Debug工具栏的Disassembly按钮，这样就出现了汇编代码窗口。可以发现在C/C++语言中一条简单的自增语句其实是由三条汇编代码组成的，如下图所示。

讲解下这三条汇编意思：

第一条汇编将g_nLoginCount的值从内存中读取到寄存器eax中。

第二条汇编将寄存器eax中的值与1相加，计算结果仍存入寄存器eax中。

第三条汇编将寄存器eax中的值写回内存中。

引起问题的原因应该是：A执行到第二句，执行B，假设B执行结束后，继续执行A，其实寄存器eax是会恢复到A最后的值，这样导致的结果是线程B的执行结果被A覆盖，相当于B没有执行。

注：每个线程的寄存器是私有的，切换线程时会保存各寄存器中的值。

因此在多线程环境中对一个变量进行读写时，我们需要有一种方法能够保证对一个值的递增操作是原子操作——即不可打断性，一个线程在执行原子操作时，其它线程必须等待它完成之后才能开始执行该原子操作。这种涉及到硬件的操作会不会很复杂了，幸运的是，Windows系统为我们提供了一些以Interlocked开头的函数来完成这一任务（下文将这些函数称为Interlocked系列函数）。

下面列出一些常用的Interlocked系列函数：

1.增减操作

LONG__cdecl InterlockedIncrement(LONG volatile* Addend);
LONG__cdecl InterlockedDecrement(LONG volatile* Addend);
返回变量执行增减操作之后的值。

LONG__cdec InterlockedExchangeAdd(LONG volatile* Addend, LONG Value);
返回运算后的值，注意！加个负数就是减。

2.赋值操作

LONG__cdecl InterlockedExchange(LONG volatile* Target, LONG Value);
Value就是新值，函数会返回原先的值。

在本例中只要使用InterlockedIncrement()函数就可以了。将线程函数代码改成：

unsigned int __stdcall ThreadFun(void *pPM)
{
    Sleep(100);//some work should to do
    //g_nLoginCount++;
    InterlockedIncrement((LPLONG)&g_nLoginCount);
    Sleep(50);
    return 0;
}

再次运行，可以发现结果会是唯一的。

因此，在多线程环境下，我们对变量的自增自减这些简单的语句也要慎重思考，防止多个线程导致的数据访问出错。更多介绍，请访问MSDN上Synchronization Functions这一章节。