線程同步機制的差別與比較及程序通信方法

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線程同步機制的差別與比較及程序通信方法

2008-08-29 14:07

有關多線程的一些技術問題： 1、   何時使用多線程？ 2、   線程如何同步？ 3、   線程之間如何通訊？ 4、   程序之間如何通訊？ 先來回答第一個問題，線程實際主要應用于四個主要領域，當然各個領域之間不是絕對孤立的，他們有可能是重疊的，但是每個程式應該都可以歸于某個領域： 1、   offloading time-consuming task。由輔助線程來執行耗時計算，而使GUI有更好的反應。我想這應該是我們考慮使用線程最多的一種情況吧。 2、   Scalability。伺服器軟體最常考慮的問題，在程式中産生多個線程，每個線程做一份小的工作，使每個CPU都忙碌，使CPU（一般是多個）有最佳的使用率，達到負載的均衡，這比較複雜，我想以後再讨論這個問題。 3、   Fair-share resource allocation。當你向一個負荷沉重的伺服器送出請求，多少時間才能獲得服務。一個伺服器不能同時為太多的請求服務，必須有一個請求的最大個數，而且有時候對某些請求要優先處理，這是線程優先級幹的活了。 4、   Simulations。線程用于仿真測試。 我把主要的目光放在第一個領域，因為它正是我想要的。第二和第三個領域比較有意思，但是目前不在我的研究時間表中。 線程的同步機制： 1、   Event 用事件（Event）來同步線程是最具彈性的了。一個事件有兩種狀态：激發狀态和未激發狀态。也稱有信号狀态和無信号狀态。事件又分兩種類型：手動重置事件和自動重置事件。手動重置事件被設定為激發狀态後，會喚醒所有等待的線程，而且一直保持為激發狀态，直到程式重新把它設定為未激發狀态。自動重置事件被設定為激發狀态後，會喚醒“一個”等待中的線程，然後自動恢複為未激發狀态。是以用自動重置事件來同步兩個線程比較理想。MFC中對應的類為CEvent.。CEvent的構造函數預設建立一個自動重置的事件，而且處于未激發狀态。共有三個函數來改變事件的狀态:SetEvent,ResetEvent和PulseEvent。用事件來同步線程是一種比較理想的做法，但在實際的使用過程中要注意的是，對自動重置事件調用SetEvent和PulseEvent有可能會引起死鎖，必須小心。 2、   Critical Section 使用臨界區域的第一個忠告就是不要長時間鎖住一份資源。這裡的長時間是相對的，視不同程式而定。對一些控制軟體來說，可能是數毫秒，但是對另外一些程式來說，可以長達數分鐘。但進入臨界區後必須盡快地離開，釋放資源。如果不釋放的話，會如何？答案是不會怎樣。如果是主線程（GUI線程）要進入一個沒有被釋放的臨界區，呵呵，程式就會挂了！臨界區域的一個缺點就是：Critical Section不是一個核心對象，無法獲知進入臨界區的線程是生是死，如果進入臨界區的線程挂了，沒有釋放臨界資源，系統無法獲知，而且沒有辦法釋放該臨界資源。這個缺點在互斥器(Mutex)中得到了彌補。Critical Section在MFC中的相應實作類是CcriticalSection。CcriticalSection：：Lock()進入臨界區，CcriticalSection：：UnLock()離開臨界區。 3、   Mutex 互斥器的功能和臨界區域很相似。差別是：Mutex所花費的時間比Critical Section多的多，但是Mutex是核心對象(Event、Semaphore也是)，可以跨程序使用，而且等待一個被鎖住的Mutex可以設定TIMEOUT，不會像Critical Section那樣無法得知臨界區域的情況，而一直死等。MFC中的對應類為CMutex。Win32函數有：建立互斥體CreateMutex() ，打開互斥體OpenMutex()，釋放互斥體ReleaseMutex()。Mutex的擁有權并非屬于那個産生它的線程，而是最後那個對此Mutex進行等待操作（WaitForSingleObject等等）并且尚未進行ReleaseMutex()操作的線程。線程擁有Mutex就好像進入Critical Section一樣，一次隻能有一個線程擁有該Mutex。如果一個擁有Mutex的線程在傳回之前沒有調用ReleaseMutex()，那麼這個Mutex就被舍棄了，但是當其他線程等待(WaitForSingleObject等)這個Mutex時，仍能傳回，并得到一個WAIT_ABANDONED_0傳回值。能夠知道一個Mutex被舍棄是Mutex特有的。 4、   Semaphore 信号量是最具曆史的同步機制。信号量是解決producer/consumer問題的關鍵要素。對應的MFC類是Csemaphore。Win32函數CreateSemaphore（）用來産生信号量。ReleaseSemaphore（）用來解除鎖定。Semaphore的現值代表的意義是目前可用的資源數，如果Semaphore的現值為1，表示還有一個鎖定動作可以成功。如果現值為5，就表示還有五個鎖定動作可以成功。當調用Wait…等函數要求鎖定，如果Semaphore現值不為0，Wait…馬上傳回，資源數減1。當調用ReleaseSemaphore（）資源數加1，當時不會超過初始設定的資源總數。 線程之間的通訊： 線程常常要将資料傳遞給另外一個線程。Worker線程可能需要告訴别人說它的工作完成了，GUI線程則可能需要交給Worker線程一件新的工作。 通過PostThreadMessage（），可以将消息傳遞給目标線程，當然目标線程必須有消息隊列。以消息當作通訊方式，比起标準技術如使用全局變量等，有很大的好處。如果對象是同一程序中的線程，可以發送自定義消息，傳遞資料給目标線程，如果是線程在不同的程序中，就涉及程序之間的通訊了。下面将會講到。 程序之間的通訊： 當線程分屬于不同程序，也就是分駐在不同的位址空間時，它們之間的通訊需要跨越位址空間的邊界，便得采取一些與同一程序中不同線程間通訊不同的方法。 1、   Windows專門定義了一個消息：WM_COPYDATA,用來線上程之間搬移資料，――不管兩個線程是否同屬于一個程序。同時接受這個消息的線程必須有一個視窗，即必須是UI線程。WM_COPYDATA必須由SendMessage（）來發送，不能由PostMessage（）等來發送，這是由待發送資料緩沖區的生命期決定的，出于安全的需要。 2、   WM_COPYDATA效率上面不是太高，如果要求高效率，可以考慮使用共享記憶體（Shared Memory）。使用共享記憶體要做的是：設定一塊記憶體共享區域；使用共享記憶體；同步處理共享記憶體。 第一步：設定一塊記憶體共享區域。首先，CreateFileMapping（）産生一個file-mapping核心對象，并指定共享區域的大小。MapViewOfFile（）獲得一個指針指向可用的記憶體。如果是C/S模式，由Server端來産生file-mapping，那麼Client端使用OpenFileMapping（），然後調用MapViewOfFile（）。 第二步：使用共享記憶體。共享記憶體指針的使用是一件比較麻煩的事，我們需要借助_based屬性，允許指針被定義為從某一點開始起算的32位偏移值。 第三步：清理。UnmapViewOfFile（）交出由MapViewOfFile（）獲得的指針，CloseHandle（）交出file-mapping核心對象的handle。 第四步：同步處理。可以借助Mutex來進行同步處理。 3、   IPC 1）Anonymous Pipes。Anonymous Pipes隻被使用于點對點通訊。當一個程序産生另一個程序時，這是最有用的一種通訊方式。 2）Named Pipes。Named Pipes可以是單向，也可以是雙向，并且可以跨越網絡，步局限于單機。 3）Mailslots。Mailslots為廣播式通訊。Server程序可以産生Mailslots,任何Client程序可以寫資料進去，但是隻有Server程序可以取資料。 4）OLE Automation。OLE Automation和UDP都是更高階的機制，允許通訊發生于不同程序間，甚至不同機器間。 5）DDE。DDE動态資料交換，使用于16位Windows，目前這一方式應盡量避免使用。