深入淺出Win32多執行緒程式設計--之基本概念

引言

　　從單程式單執行緒到多程式多執行緒是作業系統發展的一種必然趨勢，當年的DOS系統屬於單任務作業系統，最優秀的程式設計師也只能通過駐留記憶體的方式實現所謂的"多工"，而如今的Win32作業系統卻可以一邊聽音樂，一邊程式設計，一邊列印文件。

　　理解多執行緒及其同步、互斥等通訊方式是理解現代作業系統的關鍵一環，當我們精通了Win32多執行緒程式設計後，理解和學習其它作業系統的多工控制也非常容易。許多程式設計師從來沒有學習過嵌入式系統領域著名的作業系統VxWorks，但是立馬就能在上面做開發，大概要歸功於平時在Win32多執行緒上下的功夫。

　　因此，學習Win32多執行緒不僅對理解Win32本身有重要意義，而且對學習和領會其它作業系統也有觸類旁通的作用。

　　程式與執行緒

　　先闡述一下程式和執行緒的概念和區別，這是一個許多大學老師也講不清楚的問題。

　　程式（Process）是具有一定獨立功能的程式關於某個資料集合上的一次執行活動，是系統進行資源分配和排程的一個獨立單位。程式只是一組指令的有序集合，它本身沒有任何執行的含義，只是一個靜態實體。而程式則不同，它是程式在某個資料集上的執行，是一個動態實體。它因建立而產生，因排程而執行，因等待資源或事件而被處於等待狀態，因完成任務而被撤消，反映了一個程式在一定的資料集上執行的全部動態過程。

　　執行緒（Thread）是程式的一個實體，是CPU排程和分派的基本單位。執行緒不能夠獨立執行，必須依存在應用程式中，由應用程式提供多個執行緒執行控制。

　　執行緒和程式的關係是：執行緒是屬於程式的，執行緒執行在程式空間內，同一程式所產生的執行緒共享同一記憶體空間，當程式退出時該程式所產生的執行緒都會被強制退出並清除。執行緒可與屬於同一程式的其它執行緒共享程式所擁有的全部資源，但是其本身基本上不擁有系統資源，只擁有一點在執行中必不可少的資訊(如程式計數器、一組暫存器和棧)。

　　根據程式與執行緒的設定，作業系統大致分為如下型別：

　　（1）單程式、單執行緒，MS-DOS大致是這種作業系統；

　　（2）多程式、單執行緒，多數UNIX（及類UNIX的LINUX）是這種作業系統；

　　（3）多程式、多執行緒，Win32（Windows NT/2000/XP等）、Solaris 2.x和OS/2都是這種作業系統；

　　（4）單程式、多執行緒，VxWorks是這種作業系統。

　　在作業系統中引入執行緒帶來的主要好處是：

　　（1）在程式內建立、終止執行緒比建立、終止程式要快；

　　（2）同一程式內的執行緒間切換比程式間的切換要快，尤其是使用者級執行緒間的切換。另外，執行緒的出現還因為以下幾個原因：

　　（1）併發程式的併發執行，在多處理環境下更為有效。一個併發程式可以建立一個程式,而這個併發程式中的若干併發程式段就可以分別建立若干執行緒,使這些執行緒在不同的處理機上執行。

　　（2）每個程式具有獨立的地址空間，而該程式內的所有執行緒共享該地址空間。這樣可以解決父子程式模型中，子程式必須複製父程式地址空間的問題。

　　（3）執行緒對解決客戶/伺服器模型非常有效。

　　Win32程式

　　1、程式間通訊（IPC）

　　Win32程式間通訊的方式主要有：

　　（1）剪貼簿(Clip Board)；

　　（2）動態資料交換(Dynamic Data Exchange)；

　　（3）部件物件模型(Component Object Model)；

　　（4）檔案對映(File Mapping)；

　　（5）郵件槽(Mail Slots)；

　　（6）管道(Pipes)；

　　（7）Win32套接字(Socket)；

　　（8）遠端過程呼叫(Remote Procedure Call)；

　　（9）WM_COPYDATA訊息(WM_COPYDATA Message)。

　　2、獲取程式資訊

　　在WIN32中，可使用在PSAPI .DLL中提供的Process status Helper函式幫助我們獲取程式資訊。

　　（1）EnumProcesses()函式可以獲取程式的ID，其原型為：

BOOL EnumProcesses(DWORD * lpidProcess, DWORD cb, DWORD*cbNeeded);

　　引數lpidProcess：一個足夠大的DWORD型別的陣列，用於存放程式的ID值；

　　引數cb：存放程式ID值的陣列的最大長度，是一個DWORD型別的資料；

　　引數cbNeeded：指向一個DWORD型別資料的指標，用於返回程式的數目；

　　函式返回值：如果呼叫成功，返回TRUE，同時將所有程式的ID值存放在lpidProcess引數所指向的陣列中，程式個數存放在cbNeeded引數所指向的變數中；如果呼叫失敗，返回FALSE。

　　（2）GetModuleFileNameExA()函式可以實現通過程式控制程式碼獲取程式檔名，其原型為：

DWORD GetModuleFileNameExA(HANDLE hProcess, HMODULE hModule,LPTSTR lpstrFileName, DWORD nsize);

　　引數hProcess：接受程式控制程式碼的引數，是HANDLE型別的變數；

　　引數hModule：指標型引數，在本文的程式中取值為NULL；

　　引數lpstrFileName：LPTSTR型別的指標，用於接受主調函式傳遞來的用於存放程式名的字元陣列指標；

　　引數nsize：lpstrFileName所指陣列的長度；

　　函式返回值：如果呼叫成功，返回一個大於0的DWORD型別的資料，同時將hProcess所對應的程式名存放在lpstrFileName引數所指向的陣列中；加果呼叫失敗，則返回0。

　　通過下列程式碼就可以遍歷系統中的程式，獲得程式列表：

//獲取當前程式總數 EnumProcesses(process_ids, sizeof(process_ids), &num_processes); //遍歷程式 for (int i = 0; i < num_processes; i++) { 　//根據程式ID獲取控制程式碼 　process[i] = OpenProcess(PROCESS_QUERY_INFORMATION | PROCESS_VM_READ, 0, 　process_ids[i]); 　//通過控制程式碼獲取程式檔名 　if (GetModuleFileNameExA(process[i], NULL, File_name, sizeof(fileName))) 　　cout << fileName << endl; }

Win32執行緒

　　WIN32靠執行緒的優先順序（達到搶佔式多工的目的）及分配給執行緒的CPU時間來排程執行緒。WIN32本身的許多應用程式也利用了多執行緒的特性，如工作管理員等。

　　本質而言，一個處理器同一時刻只能執行一個執行緒（"微觀序列"）。WIN32多工機制使得CPU好像在同時處理多個任務一樣，實現了"巨集觀並行"。其多執行緒排程的機制為：

　　（1）執行一個執行緒，直到被中斷或執行緒必須等待到某個資源可用；

　　（2）儲存當前執行執行緒的描述表(上下文)；

　　（3）裝入下一執行執行緒的描述表(上下文)；

　　（4）若存在等待被執行的執行緒，則重複上述過程。

　　WIN32下的執行緒可能具有不同的優先順序，優先順序的範圍為0～31，共32級，其中31表示最高優先順序，優先順序0為系統保留。它們可以分成兩類，即實時優先順序和可變優先順序：

　　（1）實時優先順序從16到31，是實時程式所用的高優先順序執行緒，如許多監控類應用程式；

　　（2）可變優先順序從1到15，絕大多數程式的優先順序都在這個範圍內。。WIN32排程器為了優化系統響應時間，在它們執行過程中可動態調整它們的優先順序。

　　多執行緒確實給應用開發帶來了許多好處，但並非任何情況下都要使用多執行緒，一定要根據應用程式的具體情況來綜合考慮。一般來說，在以下情況下可以考慮使用多執行緒：

　　（1）應用程式中的各任務相對獨立；

　　（2）某些任務耗時較多；

　　（3）各任務需要有不同的優先順序。

　　另外，對於一些實時系統應用，應考慮多執行緒。

　　Win32核心物件

　　WIN32核心物件包括程式、執行緒、檔案、事件、訊號量、互斥體和管道，核心物件可能有不只一個擁有者，甚至可以跨程式。有一組WIN32 API與核心物件息息相關：

　　（1）WaitForSingleObject，用於等待物件的"啟用"，其函式原型為：

DWORD WaitForSingleObject( 　HANDLE hHandle, // 等待物件的控制程式碼 　DWORD dwMilliseconds // 等待毫秒數，INFINITE表示無限等待 );

　　可以作為WaitForSingleObject第一個引數的物件包括：Change notification、Console input、Event、Job、Memory resource notification、Mutex、Process、Semaphore、Thread和Waitable timer。

　　如果等待的物件不可用，那麼執行緒就會掛起，直到物件可用執行緒才會被喚醒。對不同的物件，WaitForSingleObject表現為不同的含義。例如，使用WaitForSingleObject(hThread,…)可以判斷一個執行緒是否結束；使用WaitForSingleObject(hMutex,…)可以判斷是否能夠進入臨界區；而WaitForSingleObject (hProcess,… )則表現為等待一個程式的結束。

　　與WaitForSingleObject對應還有一個WaitForMultipleObjects函式，可以用於等待多個物件，其原型為：

DWORD WaitForMultipleObjects(DWORD nCount,const HANDLE* pHandles,BOOL bWaitAll,DWORD dwMilliseconds);

　　（2）CloseHandle，用於關閉物件，其函式原型為：

BOOL CloseHandle(HANDLE hObject);

　　如果函式執行成功，則返回TRUE；否則返回FALSE，我們可以通過GetLastError函式進一步可以獲得錯誤原因。

　　C執行時庫

　　在VC++6.0中，有兩種多執行緒程式設計方法：一是使用C執行時庫及WIN32 API函式，另一種方法是使用MFC，MFC對多執行緒開發有強大的支援。
標準C執行時庫是1970年問世的，當時還沒有多執行緒的概念。因此，C執行時庫早期的設計者們不可能考慮到讓其支援多執行緒應用程式。
Visual C++提供了兩種版本的C執行時庫，-個版本供單執行緒應用程式呼叫，另一個版本供多執行緒應用程式呼叫。多執行緒執行時庫與單執行緒執行時庫有兩個重大差別：

　　（1）類似errno的全域性變數，每個執行緒單獨設定一個；

　　這樣從每個執行緒中可以獲取正確的錯誤資訊。

　　（2）多執行緒庫中的資料結構以同步機制加以保護。

　　這樣可以避免訪問時候的衝突。

　　Visual C++提供的多執行緒執行時庫又分為靜態連結庫和動態連結庫兩類，而每一類執行時庫又可再分為debug版和release版，因此Visual C++共提供了6個執行時庫。如下表：

C執行時庫	庫檔案
Single thread(static link)	libc.lib
Debug single thread(static link)	Libcd.lib
MultiThread(static link)	libcmt.lib
Debug multiThread(static link)	libcmtd.lib
MultiThread(dynamic link)	msvert.lib
Debug multiThread(dynamic link)	msvertd.lib

　　如果不使用VC多執行緒C執行時庫來生成多執行緒程式，必須執行下列操作：

　　（1）使用標準 C 庫（基於單執行緒）並且只允許可重入函式集進行庫呼叫；

　　（2）使用 Win32 API 執行緒管理函式，如 CreateThread；

　　（3）通過使用 Win32 服務（如訊號量和 EnterCriticalSection 及 LeaveCriticalSection 函式），為不可重入的函式提供自己的同步。

　　如果使用標準 C 庫而呼叫VC執行時庫函式，則在程式的link階段會提示如下錯誤：

error LNK2001: unresolved external symbol __endthreadex error LNK2001: unresolved external symbol __beginthreadex