《Windows via C/C++》学习笔记 —— 用户模式的“线程同步”之“互锁函数族”

　　线程需要相互通信，当多个线程访问共享资源的时候；当一个线程结束一个任务，然后要通知另一个线程的时候，我们需要进行线程同步的控制。

　　要让共享资源不被破坏，或者让另一个线程能够在适当的时候被调度，这就是线程同步需要解决的问题。

 

　　Windows Vista提供了多种线程同步的方法，这里主要介绍在用户模式下的线程同步。

1、互锁函数族：Interlocked*函数群（*表示省略后面的字符，即以Interlocked开头）。

2、关键代码段：Criticle Sections

3、读写锁：Slim Read-Write Locks

4、状态变量：Condition Variable

 

互琐函数族

　　本质上是对一个变量进行原子性的修改，在修改的时候不受到其他线程的干扰。也就是说，“读数”、“修改”、“写回”这3个操作是一个整体，中间没有停顿，不可分割。

　　考虑如下代码：

long g_x = 0;
DWORD WINAPI ThreadFunc1(PVOID pvParam) {
   g_x++;
   return(0);
}
DWORD WINAPI ThreadFunc2(PVOID pvParam) {
   g_x++;
   return(0);
}
　　两个线程共享一个全局变量，当这两个线程都执行完成之后，g_x会变成2，但是事实一定是这样么？

　　“g_x++”这条语句包含了三个过程：1、取得g_x的值，送到寄存器中；2、把寄存器中的值加1；3、将得到的新的值写回到原来g_x所对应的存储单元中。

　　设想如下情形：线程1首先取得g_x的值，送到EAX寄存器中，然后对EAX中的数值加1，然后由于某种原因暂停执行。这个时候，CPU分配给了线程2，然后线程2取得g_x的值，也把它送到EAX寄存器中，这样EAX里面原来的值就被这个时候的g_x（数值为0）覆盖了，然后线程2将EAX中的数值加1，当线程2写回的时候，把1写回到了g_x中。然后线程1恢复执行，将数据从EAX中写回，它写回的也是1，而不是2！

　　可见，这两个线程相互之间会干扰对方的行动，从而可能破坏共享的数据。上面讨论的这种情况，是典型的“丢失修改”。同时，还可能有“读脏数据”、“不可重复读”等同步问题。

 

　　可以使用“互锁函数族”解决上述问题，你可以调用下面两个函数来代替g_x++:

LONG InterlockedExchangeAdd(

   PLONG volatile plAddend,
   LONG lIncrement);

LONGLONG InterlockedExchangeAdd64(
   PLONGLONG volatile pllAddend,
   LONGLONG llIncrement);

　　这两个函数第一参数可以理解为“被加数”（其实传递的是一个数值的地址），第二个参数可以理解为“加数”。就相当于执行“*plAddend = *plAddend + lIncrement”。唯一的区别“取数”、“修改”、“写回”成了一个统一的整体，是一个不可分割原子操作。

　　你可以把上面代码中的“g_x++”换成“InterlockedExchangeAdd(&g_x, 1)”。

　　你也可以将第二个参数写为一个负数，就相当于执行减运算。

 

　　还有一些互锁函数：

LONG InterlockedExchange(
   PLONG volatile plTarget,
   LONG lValue);

LONGLONG InterlockedExchange64(
   PLONGLONG volatile plTarget,
   LONGLONG lValue);

PVOID InterlockedExchangePointer(
   PVOID* volatile ppvTarget,
   PVOID pvValue);

　　这三个函数将第一个参数（一个指针）指向的数据替换为第二个参数中的值。这三个函数都返回第一个参数指向数据的原始值。

　　实现循环锁的时候，InterlockedExchange函数比较有用。

BOOL g_fResourceInUse = FALSE;  //全局变量，指明资源是否正在被访问

void Func1() {     //线程函数
   // 查看访问标志，如果当前值为TRUE表示正在被另一个线程使用，本线程等待
   while (InterlockedExchange (&g_fResourceInUse, TRUE) == TRUE)
      Sleep(0);
   ...     // 访问资源

   InterlockedExchange(&g_fResourceInUse, FALSE);// 将访问标志设为FALSE
}

　　还有几个用户比较并修改值或指针的互锁函数：

PVOID InterlockedCompareExchange(
   PLONG plDestination,
   LONG lExchange,
   LONG lComparand);

 

LONGLONG InterlockedCompareExchange64(
   LONGLONG pllDestination,
   LONGLONG llExchange,
   LONGLONG llComparand);

PVOID InterlockedCompareExchangePointer(
   PVOID* ppvDestination,
   PVOID pvExchange,
   PVOID pvComparand);

 

　　这三个函数负责执行一个原子的“比较和修改”操作。

　　第一个参数：指向需要被修改的值的指针；第二个参数：修改的值；第三个参数：被比较的值。

　　拿InterlockedCompareExchange为例。

　　函数比较*plDestination（第一个参数指向的值）和lComparand（第三个）的值是否相等，如果相等，则将plDestination指向的值修改为lExchange，否则，就不进行修改。最后，函数返回plDestination代表的原来的值。

 

　　 还有一些互锁函数：

LONG InterlockedIncrement(PLONG plAddend);      //将参数指向的值加1
LONG InterlockedDecrement(PLONG plAddend);     //将参数指向的值减1

　　在Windows XP及其以上版本系统中，除了可以原子地操纵整型和布尔型的值之外，还可以通过一系列函数来操纵一个堆栈，称为“Interlocked Singly Linked List”（互锁单链表）。每一个操作，比如压栈、出栈，都以原子的方式进行操作。

　　下表里出了一些作用在“互锁单链表”上的函数：

函数	描述
InitializeSListHead	创建一个空的堆栈
InterlockedPushEntrySList	压栈
InterlockedPopEntrySList	出粘
InterlockedFlushSList	清空堆栈
QueryDepthSList	查询堆栈中元素个数