深入浅出Win32多线程程序设计

深入浅出Win32多线程程序设计之基本概念2005-12-1409:48作者：宋宝华出处：天极开发责任编辑：方舟引言从单进程单线程到多进程多线程是操作系统发展的一种必然趋势，当年的DOS系统属于单任务操作系统，最优秀的程序员也只能通过驻留内存的方式实现所谓的多任务，而如今的Win32操作系统却可以一边听音乐，一边编程，一边打印文档。理解多线程及其同步、互斥等通信方式是理解现代操作系统的关键一环，当我们精通了Win32多线程程序设计后，理解和学习其它操作系统的多任务控制也非常容易。许多程序员从来没有学习过嵌入式系统领域著名的操作系统VxWorks，但是立马就能在上面做开发，大概要归功于平时在Win32多线程上下的功夫。因此，学习Win32多线程不仅对理解Win32本身有重要意义，而且对学习和领会其它操作系统也有触类旁通的作用。进程与线程先阐述一下进程和线程的概念和区别，这是一个许多大学老师也讲不清楚的问题。进程（Process）是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。程序只是一组指令的有序集合，它本身没有任何运行的含义，只是一个静态实体。而进程则不同，它是程序在某个数据集上的执行，是一个动态实体。它因创建而产生，因调度而运行，因等待资源或事件而被处于等待状态，因完成任务而被撤消，反映了一个程序在一定的数据集上运行的全部动态过程。线程（Thread）是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位。线程不能够独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。线程和进程的关系是：线程是属于进程的，线程运行在进程空间内，同一进程所产生的线程共享同一内存空间，当进程退出时该进程所产生的线程都会被强制退出并清除。线程可与属于同一进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源，但是其本身基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的信息(如程序计数器、一组寄存器和栈)。根据进程与线程的设置，操作系统大致分为如下类型：（1）单进程、单线程，MS-DOS大致是这种操作系统；（2）多进程、单线程，多数UNIX（及类UNIX的LINUX）是这种操作系统；（3）多进程、多线程，Win32（WindowsNT/2000/XP等）、Solaris2.x和OS/2都是这种操作系统；（4）单进程、多线程，VxWorks是这种操作系统。在操作系统中引入线程带来的主要好处是：（1）在进程内创建、终止线程比创建、终止进程要快；（2）同一进程内的线程间切换比进程间的切换要快，尤其是用户级线程间的切换。另外，线程的出现还因为以下几个原因：（1）并发程序的并发执行，在多处理环境下更为有效。一个并发程序可以建立一个进程,而这个并发程序中的若干并发程序段就可以分别建立若干线程,使这些线程在不同的处理机上执行。（2）每个进程具有独立的地址空间，而该进程内的所有线程共享该地址空间。这样可以解决父子进程模型中，子进程必须复制父进程地址空间的问题。（3）线程对解决客户/服务器模型非常有效。Win32进程1、进程间通信（IPC）Win32进程间通信的方式主要有：（1）剪贴板(ClipBoard)；（2）动态数据交换(DynamicDataExchange)；（3）部件对象模型(ComponentObjectModel)；（4）文件映射(FileMapping)；（5）邮件槽(MailSlots)；（6）管道(Pipes)；（7）Win32套接字(Socket)；（8）远程过程调用(RemoteProcedureCall)；（9）WM_COPYDATA消息(WM_COPYDATAMessage)。2、获取进程信息在WIN32中，可使用在PSAPI.DLL中提供的ProcessstatusHelper函数帮助我们获取进程信息。（1）EnumProcesses()函数可以获取进程的ID，其原型为：BOOLEnumProcesses(DWORD*lpidProcess,DWORDcb,DWORD*cbNeeded);参数lpidProcess：一个足够大的DWORD类型的数组，用于存放进程的ID值；参数cb：存放进程ID值的数组的最大长度，是一个DWORD类型的数据；参数cbNeeded：指向一个DWORD类型数据的指针，用于返回进程的数目；函数返回值：如果调用成功，返回TRUE，同时将所有进程的ID值存放在lpidProcess参数所指向的数组中，进程个数存放在cbNeeded参数所指向的变量中；如果调用失败，返回FALSE。（2）GetModuleFileNameExA()函数可以实现通过进程句柄获取进程文件名，其原型为：DWORDGetModuleFileNameExA(HANDLEhProcess,HMODULEhModule,LPTSTRlpstrFileName,DWORDnsize);参数hProcess：接受进程句柄的参数，是HANDLE类型的变量；参数hModule：指针型参数，在本文的程序中取值为NULL；参数lpstrFileName：LPTSTR类型的指针，用于接受主调函数传递来的用于存放进程名的字符数组指针；参数nsize：lpstrFileName所指数组的长度；函数返回值：如果调用成功，返回一个大于0的DWORD类型的数据，同时将hProcess所对应的进程名存放在lpstrFileName参数所指向的数组中；加果调用失败，则返回0。通过下列代码就可以遍历系统中的进程，获得进程列表：//获取当前进程总数EnumProcesses(process_ids,sizeof(process_ids),&num_processes);//遍历进程for(inti=0;inum_processes;i++){//根据进程ID获取句柄process[i]=OpenProcess(PROCESS_QUERY_INFORMATION|PROCESS_VM_READ,0,process_ids[i]);//通过句柄获取进程文件名if(GetModuleFileNameExA(process[i],NULL,File_name,sizeof(fileName)))coutfileNameendl;}Win32线程WIN32靠线程的优先级（达到抢占式多任务的目的）及分配给线程的CPU时间来调度线程。WIN32本身的许多应用程序也利用了多线程的特性，如任务管理器等。本质而言，一个处理器同一时刻只能执行一个线程（微观串行）。WIN32多任务机制使得CPU好像在同时处理多个任务一样，实现了宏观并行。其多线程调度的机制为：（1）运行一个线程，直到被中断或线程必须等待到某个资源可用；（2）保存当前执行线程的描述表(上下文)；（3）装入下一执行线程的描述表(上下文)；（4）若存在等待被执行的线程，则重复上述过程。WIN32下的线程可能具有不同的优先级，优先级的范围为0～31，共32级，其中31表示最高优先级，优先级0为系统保留。它们可以分成两类，即实时优先级和可变优先级：（1）实时优先级从16到31，是实时程序所用的高优先级线程，如许多监控类应用程序；（2）可变优先级从1到15，绝大多数程序的优先级都在这个范围内。。WIN32调度器为了优化系统响应时间，在它们执行过程中可动态调整它们的优先级。多线程确实给应用开发带来了许多好处，但并非任何情况下都要使用多线程，一定要根据应用程序的具体情况来综合考虑。一般来说，在以下情况下可以考虑使用多线程：（1）应用程序中的各任务相对独立；（2）某些任务耗时较多；（3）各任务需要有不同的优先级。另外，对于一些实时系统应用，应考虑多线程。Win32核心对象WIN32核心对象包括进程、线程、文件、事件、信号量、互斥体和管道，核心对象可能有不只一个拥有者，甚至可以跨进程。有一组WIN32API与核心对象息息相关：（1）WaitForSingleObject，用于等待对象的激活，其函数原型为：DWORDWaitForSingleObject(HANDLEhHandle,//等待对象的句柄DWORDdwMilliseconds//等待毫秒数，INFINITE表示无限等待);可以作为WaitForSingleObject第一个参数的对象包括：Changenotification、Consoleinput、Event、Job、Memoryresourcenotification、Mutex、Process、Semaphore、Thread和Waitabletimer。如果等待的对象不可用，那么线程就会挂起，直到对象可用线程才会被唤醒。对不同的对象，WaitForSingleObject表现为不同的含义。例如，使用WaitForSingleObject(hThread,…)可以判断一个线程是否结束；使用WaitForSingleObject(hMutex,…)可以判断是否能够进入临界区；而WaitForSingleObject(hProcess,…)则表现为等待一个进程的结束。与WaitForSingleObject对应还有一个WaitForMultipleObjects函数，可以用于等待多个对象，其原型为：DWORDWaitForMultipleObjects(DWORDnCount,constHANDLE*pHandles,BOOLbWaitAll,DWORDdwMilliseconds);（2）CloseHandle，用于关闭对象，其函数原型为：BOOLCloseHandle(HANDLEhObject);如果函数执行成功，则返回TRUE；否则返回FALSE，我们可以通过GetLastError函数进一步可以获得错误原因。C运行时库在VC++6.0中，有两种多线程编程方法：一是使用C运行时库及WIN32API函数，另一种方法是使用MFC，MFC对多线程开发有强大的支持。标准C运行时库是1970年问世的，当时还没有多线程的概念。因此，C运行时库早期的设计者们不可能考虑到让其支持多线程应用程序。VisualC++提供了两种版本的C运行时库，-个版本供单线程应用程序调用，另一个版本供多线程应用程序调用。多线程运行时库与单线程运行时库有两个重大差别：（1）类似errno的全局变量，每个线程单独设置一个；这样从每个线程中可以获取正确的错误信息。（2）多线程库中的数据结构以同步机制加以保护。这样可以避免访问时候的冲突。VisualC++提供的多线程运行时库又分为静态链接库和动态链接库两类，而每一类运行时库又可再分为debug版和release版，因此VisualC++共提供了6个运行时库。如下表：C运行时库库文件Singlethread(staticlink)libc.libDebugsinglethread(staticlink)Libcd.libMultiThread(staticlink)libcmt.libDebugmultiThread(staticlink)libcmtd.libMultiThread(dynamiclink)msvert.libDebugmultiThread(dynamiclink)msvertd.lib如果不使用VC多线程C运行时库来生成多线程程序，必须执行下列操作：（1）使用标准C库（基于单线程）并且只允许可重入函数集进行库调用；（2）使用Win32API线程管理函数，如CreateThread；（3）通过使用Win32服务（如信号量和EnterCriticalSection及LeaveCriticalSection函数），为不可重入的函数提供自己的同步。如果使用标准C库而调用VC运行时库函数，则在程序的link阶段会提示如下错误：errorLNK2001:unresolvedexternalsymbol__endthreadexerrorLNK2001:unresolvedexternalsymbol__beginthreadex深入浅出Win32多线程程