【Windows】线程漫谈——线程同步之信号量和互斥量

本系列意在记录Windwos线程的相关知识点，包括线程基础、线程调度、线程同步、TLS、线程池等

信号量内核对象

信号量内核对象用来进行资源计数，它包含一个使用计数、最大资源数、当前资源计数。最大资源数表示信号量可以控制的最大资源数量，当前资源数表示信号当前可用的资源数量。

设想一个场景：需要开发一个服务器进程，最多同时运行5个线程来响应客户端请求，应该设计一个“线程池”。最开始的时候，5个线程都应该在等待状态，如果有一个客户端请求到来，那么唤醒其中的一个线程以处理客户端请求，如果同时的请求数量为5，那么5个线程将全部投入使用，再多的请求应该被放弃。也就是说，随着客户端请求的增加，当前资源计数随之递减。

我们可能需要这样的一个内核对象来实现这个功能：初始化5个线程并同时等待一个内核对象触发，当一个客户端请求到来时，试图触发内核对象，这样5个线程中随机一个被唤醒，并且自动使内核对象变为未触发。外部判断上限是否到达5。表面看来似乎用“自动重置的事件对象”即可实现这个功能啊，为什么要涉及到信号量呢？因为信号量还可以控制一次唤醒多少个线程！！而且这个例子只是信号量的一个用途，后面我们会看到一个更实际的用途。

总结一下，信号量内核对象是这样的一种对象：它维护一个资源计数，当资源计数大于0，处于触发状态；资源计数等于0时，处于未触发状态；资源计数不可能小于0，也绝不可能大于资源计数上限。下图展示了这种内核对象的特点：

如上图，只有资源计数>0时才是触发状态，资源=0时为未触发状态，而WaitForSingleObject成功将递减资源计数，调用ReleaseSemaphore将增加资源计数。

下面两个函数CreateSemaphore和CreateSemaphoreEx用于创建信号量对象：

HANDLE WINAPI CreateSemaphore(
  __in_opt  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,//内核对象安全描述符
  __in      LONG lInitialCount,//资源计数的初始值
  __in      LONG lMaximumCount,//资源计数的最大值
  __in_opt  LPCTSTR lpName //内核对象命名
);
 
HANDLE WINAPI CreateSemaphoreEx(
  __in_opt    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,
  __in        LONG lInitialCount,
  __in        LONG lMaximumCount,
  __in_opt    LPCTSTR lpName,
  __reserved  DWORD dwFlags,
  __in        DWORD dwDesiredAccess
);

任何进程可以用OpenSemaphore来得到一个命名的信号量：

HANDLE WINAPI OpenSemaphore(
  __in  DWORD dwDesiredAccess,
  __in  BOOL bInheritHandle,
  __in  LPCTSTR lpName
);

线程通过调用ReleaseSemaphore来递增资源计数，不一定每次只递增1，可以设置递增任意值。当将要超过资源上限值的时候，ReleaseSemaphore会返回FALSE。

BOOL WINAPI ReleaseSemaphore(
  __in       HANDLE hSemaphore,
  __in       LONG lReleaseCount,//可以设置递增的值
  __out_opt  LPLONG lpPreviousCount//返回先前的资源计数
);

互斥量内核对象

互斥量（mutex）用来确保一个线程独占对一个资源的访问。互斥量包含一个使用计数、线程ID和一个递归计数，互斥量与关键段的行为几乎相同（因为它记录了线程ID和递归计数，使得互斥量可以支持递归调用的情况）。互斥量的规则十分简单：如果线程ID为0（即没有线程独占它），那么它处于触发状态，任何试图等待该对象的线程都将获得资源的独占访问；如果线程ID不为0，那么它处于未触发状态，任何试图等待该对象的线程都将等待。

可以使用CreateMutex或者CreateMutexEx创建互斥对象：

HANDLE WINAPI CreateMutex(
  __in_opt  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,
  __in      BOOL bInitialOwner,//初始化对象的状态，如果传入FALSE则会初始化为触发状态，如果传入TRUE，那么对象的线程ID会被设置成当前调用线程，并初始化为未触发
  __in_opt  LPCTSTR lpName
);
 
HANDLE WINAPI CreateMutexEx(
  __in_opt  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,
  __in_opt  LPCTSTR lpName,
  __in      DWORD dwFlags,
  __in      DWORD dwDesiredAccess
);

一如既往，OpenMutex用于打开一个已经命名的互斥量内核对象：

HANDLE WINAPI OpenMutex(
  __in  DWORD dwDesiredAccess,
  __in  BOOL bInheritHandle,
  __in  LPCTSTR lpName
);

线程在获得对独占资源的访问权限之后，可以正常执行相关的逻辑，当需要释放互斥对象的时候可以调用ReleaseMutex：

BOOL WINAPI ReleaseMutex(
  __in  HANDLE hMutex
);

互斥量与其他内核对象不同，它会记录究竟是哪个线程占用了共享资源，结合递归计数，同一个线程可以在获得共享资源之后继续访问共享资源，这个行为就像关键段一样。然而互斥量和关键段从本质上是不同的，关键段是用户模式的线程同步方法，而互斥量是内核模式的线程同步方式。

介绍完这两个内核对象后，我们思考一下前面在【Windows】线程漫谈——线程同步之Slim读/写锁中设计的一个场景：有一个共享的队列，2个服务端线程负责读取队列中的条目以处理，2个客户端线程负责写入队列中的条目以使服务先端线程处理，当队列中没有条目的时候应当挂起服务端线程，直到有条目进入时才被唤醒，另一方面，当队列已满时，客户端线程应当挂起直到服务端至少处理了一个条目，以释放至少一个条目的空间。

现在我们来用信号量和互斥量来实现同样的功能，下面的流程图分别是客户端写入线程和服务端读取线程的逻辑：

1.首先创建一个互斥量对象m_hmtxQ，并初始化为未触发状态；之后创建一个信号量对象，并设置最大资源计数为队列的长度，初始化资源计数为0，正好表征队列元素的个数。

1 2	`m_hmtxQ = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);` `m_hsemNumElements = CreateSemaphore(NULL,0,nMaxElements,NULL);`

2.设计客户端核心逻辑如下图：

WatiForSingleObject：试图获得队列的独占访问权限，对于这个队列无论是读还是写都应该是线程独占的。因此，使用互斥量对象来同步；

ReleaseSemaphore：试图增加一个资源计数，表征客户端想要向队列中增加一个元素，当然队列可能现在已经满了，对应的资源计数已达到计数上限，此时ReleaseSemaphore会返回FALSE，这样客户端就不能像队列中插入元素。反之，如果ReleaseSemaphore返回TRUE，表示队列没有满，客户端可以向队列中插入元素。

ReleaseMutex：无论客户端是否能够像队列中插入元素，在结束访问后，都应该释放互斥对象，以便其他线程能够进入临界资源。

3.设计服务端核心逻辑如下图：

WatiForSingleObject：试图获得队列的独占访问权限，对于这个队列无论是读还是写都应该是线程独占的。因此，使用互斥量对象来同步；

WaitForSingleObject(m_hsemNumElements…)：试图检查信号量对象是否是触发状态。只有是触发状态的信号量对象，线程才能进入；也就意味着：队列中只要有元素（资源>0，触发状态），服务端就能读取。反之，如果队列中没有元素（资源=0，未触发状态），服务端将暂时不能访问队列，这时应该立即释放Mutex。

ReleaseMutex：无论客户端是否能够像队列中插入元素，在结束访问后，都应该释放互斥对象，以便其他线程能够进入临界资源。

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