C++多線程編程（一）問題的提出

多線程編程之一——問題提出

作者：韓耀旭

原文地址：http://www.vckbase.com/document/viewdoc/?id=1704

一、問題的提出

編寫一個耗時的單線程程序：

　　新建一個基於對話框的應用程序SingleThread，在主對話框IDD_SINGLETHREAD_DIALOG添加一個按鈕，ID爲IDC_SLEEP_SIX_SECOND，標題爲“延時6秒”，添加按鈕的響應函數，代碼如下：

void CSingleThreadDlg::OnSleepSixSecond() 
{
	Sleep(6000); //延時6秒
}

　　編譯並運行應用程序，單擊“延時6秒”按鈕，你就會發現在這6秒期間程序就象“死機”一樣，不在響應其它消息。爲了更好地處理這種耗時的操作，我們有必要學習——多線程編程。

二、多線程概述

　　進程和線程都是操作系統的概念。進程是應用程序的執行實例，每個進程是由私有的虛擬地址空間、代碼、數據和其它各種系統資源組成，進程在運行過程中創建的資源隨着進程的終止而被銷燬，所使用的系統資源在進程終止時被釋放或關閉。
　　線程是進程內部的一個執行單元。系統創建好進程後，實際上就啓動執行了該進程的主執行線程，主執行線程以函數地址形式，比如說main或WinMain函數，將程序的啓動點提供給Windows系統。主執行線程終止了，進程也就隨之終止。
　　每一個進程至少有一個主執行線程，它無需由用戶去主動創建，是由系統自動創建的。用戶根據需要在應用程序中創建其它線程，多個線程併發地運行於同一個進程中。一個進程中的所有線程都在該進程的虛擬地址空間中，共同使用這些虛擬地址空間、全局變量和系統資源，所以線程間的通訊非常方便，多線程技術的應用也較爲廣泛。
　　多線程可以實現並行處理，避免了某項任務長時間佔用CPU時間。要說明的一點是，目前大多數的計算機都是單處理器（CPU）的，爲了運行所有這些線程，操作系統爲每個獨立線程安排一些CPU時間，操作系統以輪換方式向線程提供時間片，這就給人一種假象，好象這些線程都在同時運行。由此可見，如果兩個非常活躍的線程爲了搶奪對CPU的控制權，在線程切換時會消耗很多的CPU資源，反而會降低系統的性能。這一點在多線程編程時應該注意。
　　Win32 SDK函數支持進行多線程的程序設計，並提供了操作系統原理中的各種同步、互斥和臨界區等操作。Visual C++ 6.0中，使用MFC類庫也實現了多線程的程序設計，使得多線程編程更加方便。

三、Win32 API對多線程編程的支持

　　Win32 提供了一系列的API函數來完成線程的創建、掛起、恢復、終結以及通信等工作。下面將選取其中的一些重要函數進行說明。

1、HANDLE CreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,
                 DWORD dwStackSize,
                 LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,
                 LPVOID lpParameter,
                 DWORD dwCreationFlags,
                 LPDWORD lpThreadId);

該函數在其調用進程的進程空間裏創建一個新的線程，並返回已建線程的句柄，其中各參數說明如下：

lpThreadAttributes：指向一個 SECURITY_ATTRIBUTES 結構的指針，該結構決定了線程的安全屬性，一般置爲 NULL；
dwStackSize：指定了線程的堆棧深度，一般都設置爲0；
lpStartAddress：表示新線程開始執行時代碼所在函數的地址，即線程的起始地址。一般情況爲(LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadFunc，ThreadFunc 是線程函數名；
lpParameter：指定了線程執行時傳送給線程的32位參數，即線程函數的參數；
dwCreationFlags：控制線程創建的附加標誌，可以取兩種值。如果該參數爲0，線程在被創建後就會立即開始執行；如果該參數爲CREATE_SUSPENDED,則系統產生線程後，該線程處於掛起狀態，並不馬上執行，直至函數ResumeThread被調用；
lpThreadId：該參數返回所創建線程的ID；

如果創建成功則返回線程的句柄，否則返回NULL。

2、DWORD SuspendThread(HANDLE hThread);

該函數用於掛起指定的線程，如果函數執行成功，則線程的執行被終止。

3、DWORD ResumeThread(HANDLE hThread);

該函數用於結束線程的掛起狀態，執行線程。

4、VOID ExitThread(DWORD dwExitCode);

該函數用於線程終結自身的執行，主要在線程的執行函數中被調用。其中參數dwExitCode用來設置線程的退出碼。

5、BOOL TerminateThread(HANDLE hThread,DWORD dwExitCode);

　　一般情況下，線程運行結束之後，線程函數正常返回，但是應用程序可以調用TerminateThread強行終止某一線程的執行。各參數含義如下：

hThread：將被終結的線程的句柄；
dwExitCode：用於指定線程的退出碼。

　　使用TerminateThread()終止某個線程的執行是不安全的，可能會引起系統不穩定；雖然該函數立即終止線程的執行，但並不釋放線程所佔用的資源。因此，一般不建議使用該函數。

6、BOOL PostThreadMessage(DWORD idThread,
			UINT Msg,
			WPARAM wParam,
			LPARAM lParam);

該函數將一條消息放入到指定線程的消息隊列中，並且不等到消息被該線程處理時便返回。

idThread：將接收消息的線程的ID；
Msg：指定用來發送的消息；
wParam：同消息有關的字參數；
lParam：同消息有關的長參數；

調用該函數時，如果即將接收消息的線程沒有創建消息循環，則該函數執行失敗。

四、Win32 API多線程編程例程

例程1 MultiThread1

建立一個基於對話框的工程MultiThread1，在對話框IDD_MULTITHREAD1_DIALOG中加入兩個按鈕和一個編輯框，兩個按鈕的ID分別是IDC_START，IDC_STOP ，標題分別爲“啓動”，“停止”，IDC_STOP的屬性選中Disabled；編輯框的ID爲IDC_TIME ，屬性選中Read-only；
　
在MultiThread1Dlg.h文件中添加線程函數聲明：
```
void ThreadFunc();
```
注意，線程函數的聲明應在類CMultiThread1Dlg的外部。在類CMultiThread1Dlg內部添加protected型變量：
```
	HANDLE hThread;
	DWORD ThreadID;
```
分別代表線程的句柄和ID。

在MultiThread1Dlg.cpp文件中添加全局變量m_bRun ：

volatile BOOL m_bRun;

m_bRun 代表線程是否正在運行。

你要留意到全局變量 m_bRun 是使用 volatile 修飾符的，volatile 修飾符的作用是告訴編譯器無需對該變量作任何的優化，即無需將它放到一個寄存器中，並且該值可被外部改變。對於多線程引用的全局變量來說，volatile 是一個非常重要的修飾符。

編寫線程函數：

void ThreadFunc()
{
	CTime time;
	CString strTime;
	m_bRun=TRUE;
	while(m_bRun)
	{
		time=CTime::GetCurrentTime();
		strTime=time.Format("%H:%M:%S");
		::SetDlgItemText(AfxGetMainWnd()->m_hWnd,IDC_TIME,strTime);
		Sleep(1000);
	}
}

該線程函數沒有參數，也不返回函數值。只要m_bRun爲TRUE，線程一直運行。

雙擊IDC_START按鈕，完成該按鈕的消息函數：

void CMultiThread1Dlg::OnStart() 
{
	// TODO: Add your control notification handler code here
	hThread=CreateThread(NULL,
		0,
		(LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadFunc,
		NULL,
		0,
		&ThreadID);
	GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(FALSE);
	GetDlgItem(IDC_STOP)->EnableWindow(TRUE);

}

雙擊IDC_STOP按鈕，完成該按鈕的消息函數：

void CMultiThread1Dlg::OnStop() 
{
	// TODO: Add your control notification handler code here
	m_bRun=FALSE;
	GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(TRUE);
	GetDlgItem(IDC_STOP)->EnableWindow(FALSE);
}

編譯並運行該例程，體會使用Win32 API編寫的多線程。

例程2 MultiThread2

　　該線程演示瞭如何傳送一個一個整型的參數到一個線程中，以及如何等待一個線程完成處理。

建立一個基於對話框的工程MultiThread2，在對話框IDD_MULTITHREAD2_DIALOG中加入一個編輯框和一個按鈕，ID分別是IDC_COUNT，IDC_START ，按鈕控件的標題爲“開始”；
在MultiThread2Dlg.h文件中添加線程函數聲明：
```
void ThreadFunc(int integer);
```
注意，線程函數的聲明應在類CMultiThread2Dlg的外部。

在類CMultiThread2Dlg內部添加protected型變量:
```
	HANDLE hThread;
	DWORD ThreadID;
```
分別代表線程的句柄和ID。
　
打開ClassWizard，爲編輯框IDC_COUNT添加int型變量m_nCount。在MultiThread2Dlg.cpp文件中添加：
```
void ThreadFunc(int integer)
{
	int i;
	for(i=0;i<integer;i++)
	{
		Beep(200,50);
		Sleep(1000);
	}
} 
```
雙擊IDC_START按鈕，完成該按鈕的消息函數：
```
void CMultiThread2Dlg::OnStart() 
{
	UpdateData(TRUE);
	int integer=m_nCount;
	hThread=CreateThread(NULL,
		0,
		(LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadFunc,
		(VOID*)integer,
		0,
		&ThreadID);
	GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(FALSE);
	WaitForSingleObject(hThread,INFINITE);
	GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(TRUE);
}
```
順便說一下WaitForSingleObject函數，其函數原型爲：
```
DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle,DWORD dwMilliseconds);
```
- hHandle爲要監視的對象（一般爲同步對象，也可以是線程）的句柄；
- dwMilliseconds爲hHandle對象所設置的超時值，單位爲毫秒；
　　當在某一線程中調用該函數時，線程暫時掛起，系統監視hHandle所指向的對象的狀態。如果在掛起的dwMilliseconds毫秒內，線程所等待的對象變爲有信號狀態，則該函數立即返回；如果超時時間已經到達dwMilliseconds毫秒，但hHandle所指向的對象還沒有變成有信號狀態，函數照樣返回。參數dwMilliseconds有兩個具有特殊意義的值：0和INFINITE。若爲0，則該函數立即返回；若爲INFINITE，則線程一直被掛起，直到hHandle所指向的對象變爲有信號狀態時爲止。
　　本例程調用該函數的作用是按下IDC_START按鈕後，一直等到線程返回，再恢復IDC_START按鈕正常狀態。編譯運行該例程並細心體會。

例程3 MultiThread3

傳送一個結構體給一個線程函數也是可能的，可以通過傳送一個指向結構體的指針參數來完成。先定義一個結構體：

typedef struct
{
 int firstArgu,
 long secondArgu,
…
}myType,*pMyType;

創建線程時

CreateThread(NULL,0,threadFunc,pMyType,…);

在threadFunc函數內部，可以使用“強制轉換”：

int intValue=((pMyType)lpvoid)->firstArgu;
long longValue=((pMyType)lpvoid)->seconddArgu;
……

例程3 MultiThread3將演示如何傳送一個指向結構體的指針參數。

建立一個基於對話框的工程MultiThread3，在對話框IDD_MULTITHREAD3_DIALOG中加入一個編輯框IDC_MILLISECOND，一個按鈕IDC_START，標題爲“開始” ，一個進度條IDC_PROGRESS1；
打開ClassWizard，爲編輯框IDC_MILLISECOND添加int型變量m_nMilliSecond，爲進度條IDC_PROGRESS1添加CProgressCtrl型變量m_ctrlProgress；
在MultiThread3Dlg.h文件中添加一個結構的定義：
```
struct threadInfo
{
	UINT nMilliSecond;
	CProgressCtrl* pctrlProgress;
};
```
線程函數的聲明：
```
UINT ThreadFunc(LPVOID lpParam);
```
注意，二者應在類CMultiThread3Dlg的外部。

在類CMultiThread3Dlg內部添加protected型變量:
```
HANDLE hThread;
DWORD ThreadID;
```
分別代表線程的句柄和ID。
在MultiThread3Dlg.cpp文件中進行如下操作：

定義公共變量 threadInfo Info；
雙擊按鈕IDC_START，添加相應消息處理函數：
```
void CMultiThread3Dlg::OnStart() 
{
	// TODO: Add your control notification handler code here

	UpdateData(TRUE);
	Info.nMilliSecond=m_nMilliSecond;
	Info.pctrlProgress=&m_ctrlProgress;

	hThread=CreateThread(NULL,
		0,
		(LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadFunc,
		&Info,
		0,
		&ThreadID);
/*
	GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(FALSE);
	WaitForSingleObject(hThread,INFINITE);
	GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(TRUE);
*/
}
```
在函數BOOL CMultiThread3Dlg::OnInitDialog()中添加語句：
```
{
	……
	
	// TODO: Add extra initialization here
	m_ctrlProgress.SetRange(0,99);
	m_nMilliSecond=10;
	UpdateData(FALSE);
	return TRUE;  // return TRUE  unless you set the focus to a control
}
```
添加線程處理函數：UINT ThreadFunc(LPVOID lpParam)
```
{
	threadInfo* pInfo=(threadInfo*)lpParam;
	for(int i=0;i<100;i++)
	{
		int nTemp=pInfo->nMilliSecond;

		pInfo->pctrlProgress->SetPos(i);

		Sleep(nTemp);
	}
	return 0;
}
```
　　順便補充一點，如果你在void CMultiThread3Dlg::OnStart() 函數中添加/* */語句，編譯運行你就會發現進度條不進行刷新，主線程也停止了反應。什麼原因呢？這是因爲WaitForSingleObject函數等待子線程（ThreadFunc）結束時，導致了線程死鎖。因爲WaitForSingleObject函數會將主線程掛起（任何消息都得不到處理），而子線程ThreadFunc正在設置進度條，一直在等待主線程將刷新消息處理完畢返回纔會檢測通知事件。這樣兩個線程都在互相等待，死鎖發生了，編程時應注意避免。

例程4 MultiThread4

該例程測試在Windows下最多可創建線程的數目。

建立一個基於對話框的工程MultiThread4，在對話框IDD_MULTITHREAD4_DIALOG中加入一個按鈕IDC_TEST和一個編輯框IDC_COUNT，按鈕標題爲“測試” ，編輯框屬性選中Read-only；

在MultiThread4Dlg.cpp文件中進行如下操作：

添加公共變量

volatile BOOL m_bRunFlag=TRUE;

該變量表示是否還能繼續創建線程。

添加線程函數：

DWORD WINAPI threadFunc(LPVOID threadNum)
{
	while(m_bRunFlag)
	{
		Sleep(3000);
	}
	return 0;
}

只要 m_bRunFlag 變量爲TRUE，線程一直運行。

雙擊按鈕IDC_TEST，添加其響應消息函數：

void CMultiThread4Dlg::OnTest() 
{
	DWORD threadID;
	GetDlgItem(IDC_TEST)->EnableWindow(FALSE);
	long nCount=0;
	while(m_bRunFlag)
	{
		if(CreateThread(NULL,0,threadFunc,NULL,0,&threadID)==NULL)
		{
			m_bRunFlag=FALSE;
			break;
		}
		else
		{
			nCount++;
		}
	}
   //不斷創建線程，直到再不能創建爲止
	m_nCount=nCount;
	UpdateData(FALSE);
	Sleep(5000);
   //延時5秒，等待所有創建的線程結束
	GetDlgItem(IDC_TEST)->EnableWindow(TRUE);
    m_bRunFlag=TRUE;
}

（未完待續）

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