Windows线程+进程通信

 

一 Windows线程进程

 

1）定义

  按照MS的定义, Windows中的进程简单地说就是一个内存中的可执行程序, 提供程序运行的各种资源. 进程拥有虚拟的地址空间, 可执行代码, 数据, 对象句柄集, 环境变量, 基础优先级, 以及最大最小工作集. 

  Windows中的线程是系统处理机调度的基本单位. 线程可以执行进程中的任意代码, 包括正在被其他线程执行的代码. 进程中的所有线程共享进程的虚拟地址空间和系统资源. 每个线程拥有自己的例外处理过程, 一个调度优先级以及线程上下文数据结构. 线程上下文数据结构包含寄存器值, 核心堆栈, 用户堆栈和线程环境块.

 

2） 如下图：

 

3）线程与进程的关系

线程是进程中的实体，一个进程可以拥有多个线程，一个线程必须有一个父进程。线程不拥有系统资源，只有运行必须的一些数据结构；它与父进程的其它线程共享该进程所拥有的全部资源。

在多中央处理器的系统里，不同线程可以同时在不同的中央处理器上运行，甚至当它们属于同一个进程时也是如此。

 

4) 进程和线程的区别

　　(1)、进程是资源管理的基本单位，它拥有自己的地址空间和各种资源，例如内存空间、外部设备;线程只是处理机调度的基本单位，它只和其他线程一起共享资源，但自己没有任何资源。

　　(2)、以进程为单位进行处理机切换和调度时，由于涉及到资源转移以及现场保护等问题，将导致处理机切换时间变长，资源利用率降低。以线程为单位进行处理器切换和调度时，由于不发生资源变化，特别是地址空间的变化，处理机切换的时间较短，从而处理机效率也较高。

　　(3)、对用户来说，多线程可减少用户的等待时间，提高系统的响应速度。例如，当一个进程需要对两个不同的服务器进行远程调用时，对于无线程的操作系统来说需要顺序等待两个不同的调用返回结果后才能继续执行，且在等待中容易发生进程调度。对于多线程系统而言，则可以在同一进程中使用不同的线程同时进行远程过程调用，从而缩短进程的等待时间。

　　(4)、线程和进程一样，都有自己的状态，也有响应的同步机制，不过，由于线程没有单独的数据和程序空间，因此，线程不能像进程的数据与程序那样，交换到外存储空间。从而线程没有挂起状态。

　　(5)、进程的调度、同步等控制大多由操作系统内核完成，而线程的控制既可以由操作系统内核进行，也可以由用户控制进行。

 

二 Windows 线程同步

 

1 线程

1）如果你正在编写C/C++代码，决不应该调用CreateThread。相反，应该使用VisualC++运行期库函数_beginthreadex，退出也应该使用_endthreadex。如果不使用Microsoft的VisualC++编译器，你的编译器供应商有它自己的CreateThred替代函数。不管这个替代函数是什么，你都必须使用。
2）因为_beginthreadex和_endthreadex是CRT线程函数，所以必须注意编译选项runtimelibaray的选择，使用MT或MTD。

3) _beginthreadex函数的参数列表与CreateThread函数的参数列表是相同的，但是参数名和类型并不完全相同。这是因为Microsoft的C/C++运行期库的开发小组认为，C/C++运行期函数不应该对Windows数据类型有任何依赖。_beginthreadex函数也像CreateThread那样，返回新创建的线程的句柄。

4）下面是关于_beginthreadex的一些要点：

•每个线程均获得由C/C++运行期库的堆栈分配的自己的tiddata内存结构。（tiddata结构位于Mtdll.h文件中的VisualC++源代码中）。

•传递给_beginthreadex的线程函数的地址保存在tiddata内存块中。传递给该函数的参数也保存在该数据块中。

•_beginthreadex确实从内部调用CreateThread，因为这是操作系统了解如何创建新线程的唯一方法。

•当调用CreatetThread时，它被告知通过调用_threadstartex而不是pfnStartAddr来启动执行新线程。还有，传递给线程函数的参数是tiddata结构而不是pvParam的地址。

•如果一切顺利，就会像CreateThread那样返回线程句柄。如果任何操作失败了，便返回NULL。

5) _endthreadex的一些要点：

•C运行期库的_getptd函数内部调用操作系统的TlsGetValue函数，该函数负责检索调用线程的tiddata内存块的地址。

•然后该数据块被释放，而操作系统的ExitThread函数被调用，以便真正撤消该线程。当然，退出代码要正确地设置和传递。

6) 虽然也提供了简化版的的_beginthread和_endthread，但是可控制性太差，所以一般不使用。

6）线程handle因为是内核对象，所以需要在最后close handle。

7）C++主线程的终止，同时也会终止所有主线程创建的子线程，不管子线程有没有执行完毕。

8）如果某线程挂起，然后有调用WaitForSingleObject等待该线程，就会导致死锁。

 

2 线程同步之Critical Sections

1） 因为Critical Sections不是内核对象，所以只能用来同一进程内线程间的同步，不能用来多个不同进程间的线程的同步。

2） 如果在Critical Sections中间突然程序crash或是exit而没有调用LeaveCriticalSection，则结果是该线程所对应的内核不能被释放，该线程成为死线程。

3） 要比其他的内核对象的速度要快。

4）很好的封装：

class CritSect
{
public:
    friend class Lock;
    CritSect() { InitializeCriticalSection(&_critSection); }
    ~CritSect() { DeleteCriticalSection(&_critSection); }
private:
    void Acquire(){EnterCriticalSection(&_critSection);}
    void Release(){LeaveCriticalSection(&_critSection);}

    CRITICAL_SECTION _critSection;
};

class Lock
{
public:
     Lock(CritSect& critSect):_critSect(critSect) {    _critSect.Acquire(); }
     ~Lock(){_critSect.Release();}
private:
    CritSect& _critSect;
};
调用：CritSect sect;Lock lock(sect);

 

3 线程同步之Mutex   
1）互斥对象（mutex）内核对象能够确保线程拥有对单个资源的互斥访问权。实际上互斥对象是因此而得名的。互斥对象包含一个使用数量，一个线程ID和一个递归计数器。
 2） 互斥对象的行为特性与关键代码段相同，但是互斥对象属于内核对象，而关键代码段则属于用户方式对象。这意味着互斥对象的运行速度比关键代码段要慢。但是这也意味着不同进程中的多个线程能够访问单个互斥对象，并且这意味着线程在等待访问资源时可以设定一个超时值。

 3） ID用于标识系统中的哪个线程当前拥有互斥对象，递归计数器用于指明该线程拥有互斥对象的次数。

 4） 互斥对象有许多用途，属于最常用的内核对象之一。通常来说，它们用于保护由多个线程访问的内存块。如果多个线程要同时访问内存块，内存块中的数据就可能遭到破坏。互斥对象能够保证访问内存块的任何线程拥有对该内存块的独占访问权，这样就能够保证数据的完整性。

5）互斥对象的使用规则如下：

• 如果线程ID是0（这是个无效ID），互斥对象不被任何线程所拥有，并且发出该互斥对象的通知信号。

• 如果ID是个非0数字，那么一个线程就拥有互斥对象，并且不发出该互斥对象的通知信号。

• 与所有其他内核对象不同， 互斥对象在操作系统中拥有特殊的代码，允许它们违反正常的规则。

4 线程同步之Event

1）在所有的内核对象中，事件内核对象是个最基本的对象。它们包含一个使用计数（与所有内核对象一样），一个用于指明该事件是个自动重置的事件还是一个人工重置的事件的布尔值，另一个用于指明该事件处于已通知状态还是未通知状态的布尔值。

2）事件能够通知一个操作已经完成。有两种不同类型的事件对象。一种是人工重置的事件，另一种是自动重置的事件。当人工重置的事件得到通知时，等待该事件的所有线程均变为可调度线程。当一个自动重置的事件得到通知时，等待该事件的线程中只有一个线程变为可调度线程。

3）当一个线程执行初始化操作，然后通知另一个线程执行剩余的操作时，事件使用得最多。事件初始化为未通知状态，然后，当该线程完成它的初始化操作后，它就将事件设置为已通知状态。这时，一直在等待该事件的另一个线程发现该事件已经得到通知，因此它就变成可调度线程。

 4）Microsoft为自动重置的事件定义了应该成功等待的副作用规则，即当线程成功地等待到该对象时，自动重置的事件就会自动重置到未通知状态。这就是自动重置的事件如何获得它们的名字的方法。通常没有必要为自动重置的事件调用ResetEvent函数，因为系统会自动对事件进行重置。但是，Microsoft没有为人工重置的事件定义成功等待的副作用，所以需要调用ResetEvent()。

 

5 线程同步之信号量（Semaphore）

信号量（Semaphore）内核对象对线程的同步方式与前面几种方法不同，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。

使用信号量内核对象进行线程同步主要会用到CreateSemaphore（）、OpenSemaphore（）、ReleaseSemaphore（）、 WaitForSingleObject（）和WaitForMultipleObjects（）等函数。

 

6 线程同步之其他

1）线程局部存储 （TLS），同一进程中的所有线程共享相同的虚拟地址空间。不同的线程中的局部变量有不同的副本，但是static和globl变量是同一进程中的所有线程共享的。使用TLS技术可以为static和globl的变量，根据当前进程的线程数量创建一个array，每个线程可以通过array的index来访问对应的变量，这样也就保证了static和global的变量为每一个线程都创建不同的副本。

2）互锁函数的家族十分的庞大，例如InterlockedExchangeAdd（）。。。，使用互锁函数的优点是：他的速度要比其他的CriticalSection,Mutex,Event,Semaphore快很多。

3）等待函数，例如WaitForSingleObject 函数用来检测 hHandle 事件的信号状态，当函数的执行时间超过 dwMilliseconds 就返回，但如果参数 dwMilliseconds 为 INFINITE 时函数将直到相应时间事件变成有信号状态才返回，否则就一直等待下去，直到 WaitForSingleObject 有返回直才执行后面的代码。

 

 

三 Windows进程通信

 

1 文件映射

文件映射(Memory-Mapped Files)能使进程把文件内容当作进程地址区间一块内存那样来对待。因此，进程不必使用文件I/O操作，只需简单的指针操作就可读取和修改文件的内容。

Win32 API允许多个进程访问同一文件映射对象，各个进程在它自己的地址空间里接收内存的指针。通过使用这些指针，不同进程就可以读或修改文件的内容，实现了对文件中数据的共享。

应用程序有三种方法来使多个进程共享一个文件映射对象。

(1)继承：第一个进程建立文件映射对象，它的子进程继承该对象的句柄。

(2)命名文件映射：第一个进程在建立文件映射对象时可以给该对象指定一个名字(可与文件名不同)。第二个进程可通过这个名字打开此文件映射对象。另外，第一个进程也可以通过一些其它IPC机制(有名管道、邮件槽等)把名字传给第二个进程。

(3)句柄复制：第一个进程建立文件映射对象，然后通过其它IPC机制(有名管道、邮件槽等)把对象句柄传递给第二个进程。第二个进程复制该句柄就取得对该文件映射对象的访问权限。

文件映射是在多个进程间共享数据的非常有效方法，有较好的安全性。但文件映射只能用于本地机器的进程之间，不能用于网络中，而开发者还必须控制进程间的同步。

 

2 共享内存

Win32 API中共享内存(Shared Memory)实际就是文件映射的一种特殊情况。进程在创建文件映射对象时用0xFFFFFFFF来代替文件句柄(HANDLE)，就表示了对应的文件映射对象是从操作系统页面文件访问内存，其它进程打开该文件映射对象就可以访问该内存块。由于共享内存是用文件映射实现的，所以它也有较好的安全性，也只能运行于同一计算机上的进程之间。

 

3 匿名管道

管道(Pipe)是一种具有两个端点的通信通道：有一端句柄的进程可以和有另一端句柄的进程通信。管道可以是单向－一端是只读的，另一端点是只写的；也可以是双向的一管道的两端点既可读也可写。

匿名管道(Anonymous Pipe)是 在父进程和子进程之间，或同一父进程的两个子进程之间传输数据的无名字的单向管道。通常由父进程创建管道，然后由要通信的子进程继承通道的读端点句柄或写 端点句柄，然后实现通信。父进程还可以建立两个或更多个继承匿名管道读和写句柄的子进程。这些子进程可以使用管道直接通信，不需要通过父进程。

匿名管道是单机上实现子进程标准I/O重定向的有效方法，它不能在网上使用，也不能用于两个不相关的进程之间。

 

4 命名管道

命名管道(Named Pipe)是服务器进程和一个或多个客户进程之间通信的单向或双向管道。不同于匿名管道的是命名管道可以在不相关的进程之间和不同计算机之间使用，服务器建立命名管道时给它指定一个名字，任何进程都可以通过该名字打开管道的另一端，根据给定的权限和服务器进程通信。

命名管道提供了相对简单的编程接口，使通过网络传输数据并不比同一计算机上两进程之间通信更困难，不过如果要同时和多个进程通信它就力不从心了。

 

5 邮件槽

邮件槽(Mailslots)提供进程间单向通信能力，任何进程都能建立邮件槽成为邮件槽服务器。其它进程，称为邮件槽客户，可以通过邮件槽的名字给邮件槽服务器进程发送消息。进来的消息一直放在邮件槽中，直到服务器进程读取它为止。一个进程既可以是邮件槽服务器也可以是邮件槽客户，因此可建立多个邮件槽实现进程间的双向通信。

通过邮件槽可以给本地计算机上的邮件槽、其它计算机上的邮件槽或指定网络区域中所有计算机上有同样名字的邮件槽发送消息。广播通信的消息长度不能超过400字节，非广播消息的长度则受邮件槽服务器指定的最大消息长度的限制。

邮件槽与命名管道相似，不过它传输数据是通过不可靠的数据报(如TCP/IP协议中的UDP包)完成的，一旦网络发生错误则无法保证消息正确地接收，而命名管道传输数据则是建立在可靠连接基础上的。不过邮件槽有简化的编程接口和给指定网络区域内的所有计算机广播消息的能力，所以邮件槽不失为应用程序发送和接收消息的另一种选择。

 

6 剪贴板

剪贴板(Clipped Board)实质是Win32 API中一组用来传输数据的函数和消息，为Windows应用程序之间进行数据共享提供了一个中介，Windows已建立的剪切(复制)－粘贴的机制为不同应用程序之间共享不同格式数据提供了一条捷径。当用户在应用程序中执行剪切或复制操作时，应用程序把选取的数据用一种或多种格式放在剪贴板上。然后任何其它应用程序都可以从剪贴板上拾取数据，从给定格式中选择适合自己的格式。

剪贴板是一个非常松散的交换媒介，可以支持任何数据格式，每一格式由一无符号整数标识，对标准(预定义)剪贴板格式，该值是Win32 API定义的常量；对非标准格式可以使用Register Clipboard Format函数注册为新的剪贴板格式。利用剪贴板进行交换的数据只需在数据格式上一致或都可以转化为某种格式就行。但剪贴板只能在基于Windows的程序中使用，不能在网络上使用。

 

7 动态数据交换

动态数据交换(DDE)是使用共享内存在应用程序之间进行数据交换的一种进程间通信形式。应用程序可以使用DDE进行一次性数据传输，也可以当出现新数据时，通过发送更新值在应用程序间动态交换数据。

DDE和剪贴板一样既支持标准数据格式(如文本、位图等)，又可以支持自己定义的数据格式。但它们的数据传输机制却不同，一个明显区别是剪贴板操作几乎总是用作对用户指定操作的一次性应答－如从菜单中选择Paste命令。尽管DDE也可以由用户启动，但它继续发挥作用一般不必用户进一步干预。DDE有三种数据交换方式：

(1) 冷链：数据交换是一次性数据传输，与剪贴板相同。

(2) 温链：当数据交换时服务器通知客户，然后客户必须请求新的数据。

(3) 热链：当数据交换时服务器自动给客户发送数据。

DDE交换可以发生在单机或网络中不同计算机的应用程序之间。开发者还可以定义定制的DDE数据格式进行应用程序之间特别目的IPC，它们有更紧密耦合的通信要求。大多数基于Windows的应用程序都支持DDE。

 

8 对象连接与嵌入

应用程序利用对象连接与嵌入(OLE)技术管理复合文档(由多种数据格式组成的文档)，OLE提供使某应用程序更容易调用其它应用程序进行数据编辑的服务。例如，OLE支持的字处理器可以嵌套电子表格，当用户要编辑电子表格时OLE库可自动启动电子表格编辑器。当用户退出电子表格编辑器时，该表格已在原始字处理器文档中得到更新。在这里电子表格编辑器变成了字处理器的扩展，而如果使用DDE，用户要显式地启动电子表格编辑器。

同DDE技术相同，大多数基于Windows的应用程序都支持OLE技术。

 

9 动态连接库

Win32动态连接库(DLL)中的全局数据可以被调用DLL的所有进程共享，这就又给进程间通信开辟了一条新的途径，当然访问时要注意同步问题。

虽然可以通过DLL进行进程间数据共享，但从数据安全的角度考虑，我们并不提倡这种方法，使用带有访问权限控制的共享内存的方法更好一些。

 

10 远程过程调用

Win32 API提供的远程过程调用(RPC)使应用程序可以使用远程调用函数，这使在网络上用RPC进行进程通信就像函数调用那样简单。RPC既可以在单机不同进程间使用也可以在网络中使用。

由于Win32 API提供的RPC服从OSF-DCE(Open Software Foundation Distributed Computing Environment)标准。所以通过Win32 API编写的RPC应用程序能与其它操作系统上支持DEC的RPC应用程序通信。使用RPC开发者可以建立高性能、紧密耦合的分布式应用程序。

 

11 NetBios函数

Win32 API提供NetBios函数用于处理低级网络控制，这主要是为IBM NetBios系统编写与Windows的接口。除非那些有特殊低级网络功能要求的应用程序，其它应用程序最好不要使用NetBios函数来进行进程间通信。

 

12 Sockets

Windows Sockets规范是以U.C.Berkeley大学BSD UNIX中流行的Socket接口为范例定义的一套Windows下的网络编程接口。除了Berkeley Socket原有的库函数以外，还扩展了一组针对Windows的函数，使程序员可以充分利用Windows的消息机制进行编程。

现在通过Sockets实现进程通信的网络应用越来越多，这主要的原因是Sockets的跨平台性要比其它IPC机制好得多，另外WinSock 2.0不仅支持TCP/IP协议，而且还支持其它协议(如IPX)。Sockets的唯一缺点是它支持的是底层通信操作，这使得在单机的进程间进行简单数据传递不太方便，这时使用下面将介绍的WM_COPYDATA消息将更合适些。

 

13 WM_COPYDATA消息

WM_COPYDATA是一种非常强大却鲜为人知的消息。当一个应用向另一个应用传送数据时，发送方只需使用调用SendMessage函数，参数是目的窗口的句柄、传递数据的起始地址、WM_COPYDATA消息。接收方只需像处理其它消息那样处理WM_COPY DATA消息，这样收发双方就实现了数据共享。

WM_COPYDATA是一种非常简单的方法，它在底层实际上是通过文件映射来实现的。它的缺点是灵活性不高，并且它只能用于Windows平台的单机环境下。

 

四 参考

http://www.cppblog.com/mzty/archive/2008/07/29/57470.html

http://www.cppblog.com/mzty/archive/2007/08/13/29922.html

http://www.vckbase.com/document/viewdoc/?id=1708

http://www.cnblogs.com/userinterface/archive/2005/04/27/146137.html

 

http://www.dozedu.com/ncre/cpp/fudao/20100607/09173995.html

http://blog.csdn.net/kesalin/archive/2009/02/13/3887368.aspx 

http://www.cnblogs.com/wangliang651/archive/2007/07/17/820699.html