24多线程与多核编程

1第13章多线程与多核编程多任务的并发执行会用到多线程（multithreading），而CPU的多核（mult-core）化又将原来只在巨型机中才使用的并行计算（parallelcomputing）带入普通PC应用的多核程序设计（multi-coreprogramming）中。13.1进程与线程进程（process）是执行中的程序，线程（thread）是一种轻量级的进程。13.1.1进程与多任务现代的操作系统都是多任务（multitask）的，即可同时运行多个程序。进程（process）是位于内存中正被CPU运行的可执行程序。参见图15-1。图15-1程序与进程目前的主流计算机采用的都是冯·诺依曼（JohnvonNeumann）体系结构——存储程序计算模型，程序（program）就是在内存中顺序存储并以线性模式在CPU中串行执行的指令序列。对于传统的单核CPU计算机，多任务操作系统的实现是通过CPU分时（time-sharing）和程序并发（concurrency）完成的。即在一个时间段内，操作系统将CPU分配给不同的程序，虽然每一时刻只有一个程序在CPU中运行，但是由于CPU的速度非常快，在很短的时间段中可在多个进程间进行多次切换，所以用户的感觉就像多个程序在同时执行，我们称之为多任务的并发。13.1.2进程与线程程序一般包括代码段、数据段和堆栈，对具有GUI（GraphicalUserInterfaces，图形用户界面）的程序还包含资源段。进程（process）是应用程序的执行实例，即正在被执行的程序。每个进程都有自己的虚拟地址空间，并拥有操作系统分配给它的一组资源，包括堆栈、寄存器状态等。线程（thread）是CPU的调度单位，是进程中的一个可执行单元，是一条独立的指令执行路径。线程只有一组CPU指令、一组寄存器和一个堆栈，它本身没有其他任何资源，而是与拥有它的进程共享几乎一切，包括进程的数据、资源和环境变量等。线程的创建、维护和管理给操作系统的负担比进程要轻得多，所以才叫轻量级的进程（lightweightprocess）。一个进程可以拥有多个线程，而一个线程只能属于一个进程。每个进程至少包含一个线程——主线程，它负责程序的初始化工作，并执行程序的起始指令。随后，主线程可为执行各种不同的任务而分别创建多个子线程。一个程序的多个运行，可以通过启动该程序的多个实例（即多个进程）来完成，也可以程序=进程（内存中）可执行文件（磁/U/光盘上）运行2只运行该程序的一个实例（一个进程），而由该进程创建多个线程来做到。显然后者要比前者更高效，更能节约系统的有限资源。这对需要在同一时刻响应成千上万个用户请求的Web服务器程序和网络数据库管理程序等来说是至关重要的。多线程图示其中：A为主线程，B、C、D皆为A的子线程不同并行任务中的同名子线程可以互不相同有关进程和线程的进一步内容，大家会在将来的操作系统课程中学到。13.1.3多线程编程的困难因为同一程序（进程）的多个线程共享同样的数据和资源，所以会出现同步、排队和竞争等问题，可能导致死锁、无限延迟和数据竞争等现象的发生，这些都需要我们在程序中加以解决。MFC虽然提供了一个线程类和若干同步类，但是仍然属于线程的低级编程，既困难又繁琐。利用.NET框架类库中的线程命名空间下的线程类，则可以简化线程编程。13.2MFC的进程和线程编程使用传统的MFC/C++直接进行进程和线程编程异常复杂和繁琐，需要程序员自己处理线程间的同步、互斥、死锁等具体问题。13.2.1创建、管理和终止进程MFC中并没有提供处理进程的类，我们需要直接使用Windows的API函数来创建、管理和终止进程。1．创建进程下面的CreateProcess函数用于在当前进程中创建一个新进程（和其主线程），以运行指定（路径/文件名或命令行）的应用程序：3BOOLCreateProcess(//成功返回非0，失败返回0（可用GetLastError函数返回出错代码）LPCTSTRlpApplicationName,//可执行文件的全路径或文件名，有命令行时可为NULLLPTSTRlpCommandLine,//命令行参数字符串，有可应用名时可为NULLLPSECURITY_ATTRIBUTESlpProcessAttributes,//进程的安全属性，NULL表默认安全LPSECURITY_ATTRIBUTESlpThreadAttributes,//主线程的安全属性，NULL表默认安全BOOLbInheritHandles,//子进程是否继承新进程的句柄DWORDdwCreationFlags,//创建标志，用于设置进程的创建状态和优先级别，可为0LPVOIDlpEnvironment,//环境变量，为NULL时同当前进程的LPCTSTRlpCurrentDirectory,//进程运行的当前目录，为NULL时同当前进程的LPSTARTUPINFOlpStartupInfo,//指向设置进程主窗口或控制条的各种属性的结构指针LPPROCESS_INFORMATIONlpProcessInformation//指向返回进程信息的结构指针);其中，结构STARTUPINFO和PROCESS_INFORMATION的定义分别为：typedefstruct_STARTUPINFO{DWORDcb;//结构的长度（字节数）LPTSTRlpReserved;//保留，必须为NULLLPTSTRlpDesktop;//桌面-窗口站的名称LPTSTRlpTitle;//控制台进程的标题DWORDdwX;//窗口位置的横坐标DWORDdwY;//窗口位置的纵坐标DWORDdwXSize;//窗口的水平尺寸DWORDdwYSize;//窗口的垂直尺寸DWORDdwXCountChars;//控制台窗口的屏幕缓冲区宽度（字符数）DWORDdwYCountChars;//控制台窗口的屏幕缓冲区高度（字符数）DWORDdwFillAttribute;//控制台窗口的初始文本和背景色DWORDdwFlags;//窗口的创建标志WORDwShowWindow;//用作窗口显示函数ShowWindow的缺省参数WORDcbReserved2;//保留，必须为0LPBYTElpReserved2;//保留，必须为NULLHANDLEhStdInput;//标准输入的句柄HANDLEhStdOutput;//标准输出的句柄HANDLEhStdError;//标准错误的句柄}STARTUPINFO,*LPSTARTUPINFO;和typedefstruct_PROCESS_INFORMATION{HANDLEhProcess;//返回的进程句柄HANDLEhThread;//返回的主线程句柄DWORDdwProcessId;//返回的进程IDDWORDdwThreadId;//返回的主线程ID}PROCESS_INFORMATION,*LPPROCESS_INFORMATION;2．管理进程1）获取进程的句柄和ID除了可从创建进程函数CreateProcess的最后一个（返回）参数——进程信息结构4PROCESS_INFORMATION变量来获取所创建的新进程及其主线程的句柄和ID外，还可利用API函数GetCurrentProcess和GetCurrentProcessId来获取当前进程的句柄和ID：HANDLEGetCurrentProcess(void);DWORDGetCurrentProcessId(void);不过用GetCurrentProcess返回的是一个伪句柄，只能在当前进程中使用。可以调用API函数DuplicateHandle将此伪句柄转换为一个真正的句柄。2）获取和设置进程的优先级在Windows操作系统中，进程有6种优先级别（prioritylevel/class），从低到高分别为：空闲（Idel）、低普通（Belownormal）、普通（Normal）、高普通（Abovenormal）、高（High）和实时（Realtime），对应的符号常量为：表15-1进程优先级符号常量符号常量对应数值IDLE_PRIORITY_CLASS0x00000040BELOW_NORMAL_PRIORITY_CLASS0x00004000NORMAL_PRIORITY_CLASS0x00000020ABOVE_NORMAL_PRIORITY_CLASS0x00008000HIGH_PRIORITY_CLASS0x00000080REALTIME_PRIORITY_CLASS0x00000100可以在创建新进程时，利用其创建标志参数dwCreationFlags来设置。也可以用API函数GetPriorityClass和SetPriorityClass来获取和设置指定进程的优先级：DWORDGetPriorityClass(HANDLEhProcess);BOOLSetPriorityClass(HANDLEhProcess,DWORDdwPriorityClass);例如：DWORDp=GetPriorityClass(GetCurrentProcess());SetPriorityClass(GetCurrentProcess(),IDLE_PRIORITY_CLASS);3）等待进程返回可以调用API函数WaitForSingleObject来等待指定进程（或线程）结束后返回：DWORDWINAPIWaitForSingleObject(HANDLEhHandle,DWORDdwMilliseconds);例如：WaitForSingleObject(pi.hProcess,INFINITE);3．结束进程结束进程的方法有多种，可以调用API函数ExitProcessk来结束当前进程（及其所有线程）：（对控制台程序，在接收到CTRL+C或CTRL+BREAK信号后会调用此函数）VOIDExitProcess(UINTuExitCode);或调用API函数ExitProcess来结束指定进程（及其所有线程）：BOOLTerminateProcess(HANDLEhProcess,UINTuExitCode);进程的所有线程终止后进程也会自动终止。在用户关闭系统或注销推出系统时，也会导致进程终止。在结束进程后，还需要调用API的CloseHandle函数来删除进程和线程对象：BOOLCloseHandle(HANDLEhObject);例如：CloseHandle(pi.hProcess);CloseHandle(pi.hThread);4．例子5下面是一个控制台程序，在该程序中，创建一个新进程来运行指定的另一个可执行程序。为此，需要创建一个名为Process的“VisualC++/常规/空项目”，并将如下代码文件添加到此项目中：//Process.cpp#includewindows.h#includestdio.h#includetchar.hvoid_tmain(){STARTUPINFOsi;PROCESS_INFORMATIONpi;ZeroMemory(&si,sizeof(si));si.cb=sizeof(si);ZeroMemory(&pi,sizeof(pi));//Startthechildprocess.if(!CreateProcess(E:\\CDPlay.exe,//Modulename（须换成你自己磁盘上的某个可执行文件的路径）NULL,//NoCommandline(usemodulename)NULL,//ProcesshandlenotinheritableNULL,//ThreadhandlenotinheritableFALSE,//SethandleinheritancetoFALSE0,//NocreationflagsNULL,//Useparent'senvironmentbl