多线程编程(12) - 多线程同步之 Semaphore (信号对象)

之前已经有了两种多线程的同步方法:
CriticalSection(临界区) 和 Mutex(互斥), 这两种同步方法差不多, 只是作用域不同;
CriticalSection(临界区) 类似于只有一个蹲位的公共厕所, 只能一个个地进;
Mutex(互斥) 对象类似于接力赛中的接力棒, 某一时刻只能一个人持有, 谁拿着谁跑.

什么是 Semaphore(信号或叫信号量)呢?
譬如到银行办业务、或者到车站买票, 原来只有一个服务员, 不管有多少人排队等候, 业务只能一个个地来.
假如增加了业务窗口, 可以同时受理几个业务呢?
这就类似与 Semaphore 对象, Semaphore 可以同时处理等待函数(如: WaitForSingleObject)申请的几个线程.

Semaphore 的工作思路如下:
1、首先要通过 CreateSemaphore(安全设置, 初始信号数, 信号总数, 信号名称) 建立信号对象;
参数四: 和 Mutex 一样, 它可以有个名称, 也可以没有, 本例就没有要名称(nil); 有名称的一般用于跨进程.
参数三: 信号总数, 是 Semaphore 最大处理能力, 就像银行一共有多少个业务窗口一样;
参数二: 初始信号数, 这就像银行的业务窗口很多, 但打开了几个可不一定, 如果没打开和没有一样;
参数一: 安全设置和前面一样, 使用默认(nil)即可.

2、要接受 Semaphore 服务(或叫协调)的线程, 同样需要用等待函数(如: WaitForSingleObject)排队等候;

3、当一个线程使用完一个信号, 应该用 ReleaseSemaphore(信号句柄, 1, nil) 让出可用信号给其他线程;
参数三: 一般是 nil, 如果给个数字指针, 可以接受到此时(之前)总共闲置多少个信号;
参数二: 一般是 1, 表示增加一个可用信号;
如果要增加 CreateSemaphore 时的初始信号, 也可以通过 ReleaseSemaphore.

4、最后, 作为系统内核对象, 要用 CloseHandle 关闭.

另外, 在 Semaphore 的总数是 1 的情况下, 就和 Mutex(互斥) 一样了.

在本例中, 每点击按钮, 将建立一个信号总数为 5 的信号对象, 初始信号来自 Edit1; 同时有 5 个线程去排队.
本例也附上了 Delphi 中 TSemaphore 类的例子, 但没有过多地纠缠于细节, 是为了尽快理出多线程的整体思路.

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本例效果图:

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代码文件:

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unit Unit1;

interface

uses
  Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,
  Dialogs, StdCtrls;

type
  TForm1 = class(TForm)
    Button1: TButton;
    Edit1: TEdit;
    procedure Button1Click(Sender: TObject);
    procedure FormCreate(Sender: TObject);
    procedure FormDestroy(Sender: TObject);
    procedure Edit1KeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);
  end;

var
  Form1: TForm1;

implementation

{$R *.dfm}

var
  f: Integer;          {用这个变量协调一下各线程输出的位置}
  hSemaphore: THandle; {信号对象的句柄}

function MyThreadFun(p: Pointer): DWORD; stdcall;
var
  i,y: Integer;
begin
  Inc(f);
  y := 20 * f;
  if WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE) = WAIT_OBJECT_0 then
  begin
    for i := 0 to 1000 do
    begin
      Form1.Canvas.Lock;
      Form1.Canvas.TextOut(20, y, IntToStr(i));
      Form1.Canvas.Unlock;
      Sleep(1); {以免 Canvas 忙不过来}
    end;
  end;
  ReleaseSemaphore(hSemaphore, 1, nil);
  Result := 0;
end;

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var
  ThreadID: DWORD;
begin
  {不知是不是之前创建过 Semaphore 对象, 假如有先关闭}
  CloseHandle(hSemaphore);
  {创建 Semaphore 对象}
  hSemaphore := CreateSemaphore(nil, StrToInt(Edit1.Text), 5, nil);

  Self.Repaint;
  f := 0;
  CreateThread(nil, 0, @MyThreadFun, nil, 0, ThreadID);
  CreateThread(nil, 0, @MyThreadFun, nil, 0, ThreadID);
  CreateThread(nil, 0, @MyThreadFun, nil, 0, ThreadID);
  CreateThread(nil, 0, @MyThreadFun, nil, 0, ThreadID);
  CreateThread(nil, 0, @MyThreadFun, nil, 0, ThreadID);
end;

{让 Edit 只接受 1 2 3 4 5 五个数}
procedure TForm1.Edit1KeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);
begin
  if not CharInSet(Key, ['1'..'5']) then Key := #0;
end;

procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);
begin
  Edit1.Text := '1';
end;

procedure TForm1.FormDestroy(Sender: TObject);
begin
  CloseHandle(hSemaphore);
end;

end.

窗体文件:

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object Form1: TForm1
  Left = 0
  Top = 0
  Caption = 'Form1'
  ClientHeight = 140
  ClientWidth = 192
  Color = clBtnFace
  Font.Charset = DEFAULT_CHARSET
  Font.Color = clWindowText
  Font.Height = -11
  Font.Name = 'Tahoma'
  Font.Style = []
  OldCreateOrder = False
  OnCreate = FormCreate
  PixelsPerInch = 96
  TextHeight = 13
  object Button1: TButton
    Left = 109
    Top = 107
    Width = 75
    Height = 25
    Caption = 'Button1'
    TabOrder = 0
    OnClick = Button1Click
  end
  object Edit1: TEdit
    Left = 109
    Top = 80
    Width = 75
    Height = 21
    TabOrder = 1
    Text = 'Edit1'
    OnKeyPress = Edit1KeyPress
  end
end

再用 SyncObjs 单元下的 TSemaphore 类实现一次, 使用方法差不多, 运行效果也一样:

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unit Unit1;

interface

uses
  Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,
  Dialogs, StdCtrls;

type
  TForm1 = class(TForm)
    Button1: TButton;
    Edit1: TEdit;
    procedure Button1Click(Sender: TObject);
    procedure FormCreate(Sender: TObject);
    procedure FormDestroy(Sender: TObject);
    procedure Edit1KeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);
  end;

var
  Form1: TForm1;

implementation

{$R *.dfm}

uses SyncObjs;
var
  f: Integer;
  MySemaphore: TSemaphore;

function MyThreadFun(p: Pointer): DWORD; stdcall;
var
  i,y: Integer;
begin
  Inc(f);
  y := 20 * f;
  if MySemaphore.WaitFor(INFINITE) = wrSignaled then
  begin
    for i := 0 to 1000 do
    begin
      Form1.Canvas.Lock;
      Form1.Canvas.TextOut(20, y, IntToStr(i));
      Form1.Canvas.Unlock;
      Sleep(1);
    end;
  end;
  MySemaphore.Release;
  Result := 0;
end;

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var
  ThreadID: DWORD;
begin
  if Assigned(MySemaphore) then MySemaphore.Free;
  MySemaphore := TSemaphore.Create(nil, StrToInt(Edit1.Text), 5, '');

  Self.Repaint;
  f := 0;
  CreateThread(nil, 0, @MyThreadFun, nil, 0, ThreadID);
  CreateThread(nil, 0, @MyThreadFun, nil, 0, ThreadID);
  CreateThread(nil, 0, @MyThreadFun, nil, 0, ThreadID);
  CreateThread(nil, 0, @MyThreadFun, nil, 0, ThreadID);
  CreateThread(nil, 0, @MyThreadFun, nil, 0, ThreadID);
end;

{让 Edit 只接受 1 2 3 4 5 五个数}
procedure TForm1.Edit1KeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);
begin
  if not CharInSet(Key, ['1'..'5']) then Key := #0;
end;

procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);
begin
  Edit1.Text := '1';
end;

procedure TForm1.FormDestroy(Sender: TObject);
begin
  if Assigned(MySemaphore) then MySemaphore.Free;
end;

end.