Windows 多線程編程總結

思考的軌跡 2011-10-18

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Windows 多線程編程總結

關鍵字：多線程線程同步線程池內核對象

1 內核對象

1 .1 內核對象的概念

內核對象是內核分配的一個內存塊，這種內存塊是一個數(shù)據結構，表示內核對象的各種特征。并且只能由內核來訪問。應用程序若需要訪問內核對象，需要通過操作系統(tǒng)提供的函數(shù)來進行，不能直接訪問內核對象（Windows 從安全性方面來考慮的）。

內核對象通過 Create* 來創(chuàng)建，返回一個用于標識內核對象的句柄，這些句柄（而不是內核對象）可在創(chuàng)建進程范圍內使用，不能夠被傳遞到其他進程中被使用。

1 .2 內核對象使用的計數(shù)

因為內核對象的所有者是內核，而不是進程，所以何時撤銷內核對象由內核決定，而內核做這個決定的依據就是該內核對象是否仍然被使用。那么如何判斷內核對象是否被使用呢？可以通過內核對象的“使用計數(shù)”屬性，一旦這個值變成 0 了，內核就可以釋放該對象了。

1 .3 創(chuàng)建內核對象

1 .3.1 進程與句柄表

每個進程在初始化的時候，將被分配一個句柄表，該句柄表中只存儲內核對象的句柄，不存儲用戶對象的句柄。句柄表的詳細結構微軟沒有公布，但是大致包含三個內容：內核對象句柄，內核對象地址，訪問屏蔽標志。

微軟為何要將內核對象的句柄設置為進程相關的呢？理由有：

l 不同的進程對內核對象的訪問權限是不同的，有必要區(qū)分對待

l 如果句柄是全局的，則一個進程可以控制另外一個進程的句柄，破壞另外一個進程的句柄。

1 .3.2 創(chuàng)建內核對象及操作系統(tǒng)內部機制

利用 CreateSomeObject 的函數(shù)來創(chuàng)建內核對象。調用該函數(shù)的時候內核就為該對象分配一個內存塊，并進行初始化，然后內核再掃描該進程的句柄表，初始化一條記錄并放在句柄表中。

1 .3.3 進程中使用內核對象的內部機制

假設函數(shù) F 使用某個內核對象，其參數(shù)為 Handle1 ，則該函數(shù)內部需要查找該進程的句柄表，找出參數(shù)句柄對應的記錄，然后才能使用該內核對象。

1 .4 關閉內核對象

無論進程怎樣創(chuàng)建內核對象，在不使用該對象的時候都應當通過 Bool CloseHandle(HANDLE hobj) 來向操作系統(tǒng)聲明結束對該對象的訪問。為什么叫聲明呢？是因為此時也許還有其他進程對該對象的訪問，操作系統(tǒng)可能并不立即釋放該對象。操作系統(tǒng)需要做的是：從進程的句柄表中刪除該內核對象的記錄，另外再考察該內核對象的使用計數(shù)以決定是否需要釋放該對象。

1 .5 內核對象的共享

說到共享，與之孿生的就是共享權限。 Windows 內核對象的共享有三種方式：

1 .5.1 繼承式共享（父子進程間）

只有當進程是父子關系的時候，才能使用此種方式的共享。特別要注意的是繼承的是內核對象的句柄，內核對象本身是不具備繼承性。要達到這種繼承的效果需要做以下幾件事：

l 在進程創(chuàng)建內核對象的時候，需要一個安全結構 sa （ SECURITY_ATTRIBUTES 類型，以向 OS 聲明對象的訪問方式）作為參數(shù)。繼承式共享需要將結構的成員 sa.bInheritHandle 設置為 TRUE 。此時 OS 內部的處理式將進程的句柄表中的該對象的訪問屏蔽字段設置成“可繼承”。

l 在創(chuàng)建子進程（ CreateProcess 函數(shù)）時，設置創(chuàng)建參數(shù) bInheritHandles 為 TRUE 。表示被創(chuàng)建的子進程可以繼承父進程中的所有可繼承內核對象。 OS 內部的處理是：復制父進程句柄表中的記錄到子進程的句柄表中，并使用相同的句柄值；為內核對象的使用計數(shù)器加 1 。

特別說明：子進程能夠繼承的的內核對象僅局限于父進程創(chuàng)建它的時候所擁有的可繼承內核對象。子進程誕生后，父進程再搞出什么可繼承的東西，子進程是不能用的。這就需要在子進程中使用繼承的內核對象的時候需要慎重，以確定內核對象是否已被繼承了。

利用 SetHandleinformation 方法可以隨時修改內核對象句柄的一些屬性，目前公開的句柄屬性有兩種，一種是該句柄是否能被繼承，另一種是該句柄是否能被關閉。

1 .5.2 同名共享

同名共享，不需要共享進程之間存在父子關系。但局限于內核對象是否支持這種共享方式。創(chuàng)建內核對象的Create 函數(shù)中是否包含 pszName 是該內核對象是否支持同名共享的標志。

l 方法一：當 Process1 通過 CreateObject （ …”someName” ）創(chuàng)建了一個名字為 someName 的內核對象后， Process2 也調用了 CreateObject （ …”someName” ），此時內核的動作是：在全局中查詢發(fā)現(xiàn)已經存在 someName1 的對象；為 Process2 的句柄表添加一條 Ojbect 的記錄，使用的句柄不確定；為 someName這個 Object 的引用計數(shù)器加 1 。

l 方法二： Process2 使用 OpenObject （ …”someName” ）的方式來獲得對名 someName 的 Object 的句柄。用這種 Open 方法的時候，需要提供一個參數(shù)讓 OS 鑒權，以判定是否能夠以參數(shù)指定的方式來訪問內核對象。

1 .5.3 復制內核對象的句柄的方式共享

跨進程邊界的內核對象共享的另外一個方法是通過 DuplicateHandle 來復制內核對象句柄。

如果要將 ProcessS 中的對象拷貝到 ProcessT 中則調用 DuplicateHandle 的進程一定要有對這兩個進程的訪問權，即句柄表中擁有這兩個進程內核對象的句柄記錄。

2 線程的一般概念

2 .1 視圖

l 進程只是線程的容器，從來不執(zhí)行任何東西

l 線程總是在某個進程中被創(chuàng)建

l 線程在進程的地址空間中執(zhí)行代碼

l 線程們共享進程中的所有內核對象

3 線程的創(chuàng)建

HANDLE CreateThread(

PSECURITY_ATTRIBUTES psa,

DWORD cbStack,

PTHREAD_START_ROUTINE pfnStartAddr,

PVOID pvParam,

DWORD fdwCreate,

PDWORD pdwThreadID);

《 Windows 核心編程》 P124 介紹說應當使用編譯器提供的線程創(chuàng)建函數(shù)，而不應當直接使用 CreateThread 。

3 .1 CreateThread 調用的內核行為

調用 CreateThread 后， OS 進行如下幾個動作：

l 生成一個線程內核對象

l 在進程空間內為線程分配堆?？臻g

因為線程的環(huán)境同于其所在進程的環(huán)境，所以創(chuàng)建的線程可以訪問進程中的所有資源，包括線程中所有的內核對象。

4 線程銷亡

4 .1 終止線程的方式：

l 線程函數(shù)返回（最好使用這個方式，可以保證：線程種創(chuàng)建的 C++ 對象正常析構； OS 釋放線程堆棧內存； OS 將線程的退出碼設置為線程函數(shù)的返回值；系統(tǒng)將遞減該線程內核對象的的使用計數(shù)器【如果此時還有其他引用 …… ，見下面說明】。）

l 調用 ExitThread （不能釋放 C++ 對象，所以最好不要使用這個方式。另外，如果非要調用也應當調用編譯器推薦的，如 _endThread 【 Windows 核心編程 P127 】）

l 同進程內的其他線程（包括主線程）調用 TerminateThread （被撤銷線程得不到通知，不能釋放資源，盡量避免這種方式。另外這個函數(shù)是個異步函數(shù)，返回時，線程不保證已經被撤銷，如果要觀察線程是否被撤銷，應當使用 WaitForSingleObject ）

l 包含線程的進程終止（應當避免這種方式）

4 .2 線程退出時 OS 的行為

l 線程內的所有用戶對象被釋放。

l 線程的退出碼從 STILL_ACTIVE 改為傳遞給 ExitThread 或 TerminateThread 的代碼

l 線程內核對象的狀態(tài)改為“已通知”

l 如果線程為進程中的最后一個線程，則 OS 將進程當作已終止運行

l 線程內核對象的引用計數(shù)器減 1 （一旦線程終止了，其他引用改線程內核對象將不能夠處理改線程的句柄，但是可以通過調用 GetExitcodeThread 來檢查 hThread 代表的線程是否已經終止運行了。）

5 線程同步

5 .1 線程同步的起因以及解決之道

5 .1.1 共用資源型：多個線程需要訪問同一個資源的時候，為了保證資源不被破壞，需要線程對資源的訪問具有原子性。

5 .1.2 依賴型：一個線程等待另外一個線程某件事情完成后才能執(zhí)行 _ 可以通過手動事件的方式互相通知。

5 .2 線程同步種類細分

同步起因	同步種類	同步方法備注
共用資源	多個線程對共用變量做加減操作	互鎖函數(shù)族之： InterlockedExchangeAdd
共用資源	多個線程對公共變量、指針做賦值操作	互鎖函數(shù)族之： InterlockedExchange ,InterlockedExchangepoint
共用資源	多個線程需要根據對公共變量、指針的判斷做操作選擇	互鎖函數(shù)族之： InterlockedCompareExchange InterlockedCompareExchangePointer
共用資源	復雜數(shù)據結構（非單值），不適合互鎖函數(shù)族處理的	用“關鍵代碼”的方式，關鍵代碼中要注意 1 、要盡量的快速處理完，以防止其他等待線程等待太長時間 2 、線程等待過程中由用戶模式切換到內核模式，耗費 1000 個 CPU 周期，時間比較長。 3 、只能對單個進程中的線程進行同步） InitializeCriticalSection; EnterCriticalSection; LeaveCriticalSection; DeleteCriticalSection;
處理線程同步的一種方法	對線程同步做的一個抽象，線程的同步本質上都是依賴于某個其他事件的發(fā)生，用軟件的方法來對所依賴的事件做一個抽象，將有助與程序編寫的簡捷	CreateEvent Event 的重要屬性有一個是“自動” or “手動”，如果是自動的，則在某個線程用 Wait ××成功等待到事件的“通知”狀態(tài)后，則事件狀態(tài)立刻變成“未通知”狀態(tài)，以保證同時對資源訪問的線程只有一個。
原則上不算線程同步范疇，而屬于對 wait** 的一種應用方式	一個可以作為定時器的內核對象，Waitable Timer	CreateWaitableTimer SetWaitableTimer, CancelWaitableTimer
共用資源	一組線程對一組同樣性質的資源的爭用，則這組資源需要有所表示，以告知線程們是否有空閑的給以為他們服務，以信號量機制實現(xiàn)	CreateSemaphore,ReleaseSemaphore
共用資源	一組線程對一個單一的資源的爭用，需要有一種機制保證同一個事件只有一個線程能得到資源。以Mutex 方式實現(xiàn)	CreateMutex ReleaseMutex 與關鍵代碼的差別在于： 1、允許不同進程的線程之間同步 2、內核對象，用戶模式和內核模式切換的時候需要更多的 CPU 開銷