線程的同步
Critical section（臨界區）用來實現“排他性佔有”。適用範圍是單一進程的各線程之間。它是：
· 一個局部性對象，不是一個核心對象。
· 快速而有效率。
· 不能夠同時有一個以上的critical section被等待。
· 無法偵測是否已被某個線程放棄。
Mutex
Mutex是一個核心對象，可以在不同的線程之間實現“排他性佔有”，甚至幾十那些現成分屬不同進程。它是：
· 一個核心對象。
· 如果擁有mutex的那個線程結束，則會產生一個“abandoned”錯誤信息。
· 可以使用Wait…()等待一個mutex。
· 可以具名，因此可以被其他進程開啓。
· 只能被擁有它的那個線程釋放（released）。
Semaphore
Semaphore被用來追蹤有限的資源。它是：
· 一個核心對象。
· 沒有擁有者。
· 可以具名，因此可以被其他進程開啓。
· 可以被任何一個線程釋放（released）。
Event Object
Event object通常使用於overlapped I/O，或用來設計某些自定義的同步對象。它是：
· 一個核心對象。
· 完全在程序掌控之下。
· 適用於設計新的同步對象。
· “要求甦醒”的請求並不會被儲存起來，可能會遺失掉。
· 可以具名，因此可以被其他進程開啓。
Interlocked Variable
如果Interlocked…()函數被使用於所謂的spin-lock，那麼他們只是一種同步機制。所謂spin-lock是一種busy loop，被預期在極短時間內執行，所以有最小的額外負擔（overhead）。系統核心偶爾會使用他們。除此之外，interlocked variables主要用於引用技術。他們：
· 允許對4字節的數值有些基本的同步操作，不需動用到critical section或mutex之類。
· 在SMP（Symmetric Multi-Processors）操作系統中亦可有效運作。
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有關多線程的一些技術問題：
1、 何時使用多線程？
2、 線程如何同步？
3、 線程之間如何通訊？
4、 進程之間如何通訊？
先來回答第一個問題，線程實際主要應用於四個主要領域，當然各個領域之間不是絕對孤立的，他們有可能是重疊的，但是每個程序應該都可以歸於某個領域：
1、 offloading time-consuming task。由輔助線程來執行耗時計算，而使GUI有更好的反應。我想這應該是我們考慮使用線程最多的一種情況吧。
2、 Scalability。服務器軟件最常考慮的問題，在程序中產生多個線程，每個線程做一份小的工作，使每個CPU都忙碌，使CPU（一般是多個）有最佳的使用率，達到負載的均衡，這比較複雜，我想以後再討論這個問題。
3、 Fair-share resource allocation。當你向一個負荷沉重的服務器發出請求，多少時間才能獲得服務。一個服務器不能同時爲太多的請求服務，必須有一個請求的最大個數，而且有時候對某些請求要優先處理，這是線程優先級乾的活了。
4、 Simulations。線程用於仿真測試。
我把主要的目光放在第一個領域，因爲它正是我想要的。第二和第三個領域比較有意思，但是目前不在我的研究時間表中。
線程的同步機制：
1、 Event
用事件（Event）來同步線程是最具彈性的了。一個事件有兩種狀態：激發狀態和未激發狀態。也稱有信號狀態和無信號狀態。事件又分兩種類型：手動重置事件和自動重置事件。手動重置事件被設置爲激發狀態後，會喚醒所有等待的線程，而且一直保持爲激發狀態，直到程序重新把它設置爲未激發狀態。自動重置事件被設置爲激發狀態後，會喚醒“一個”等待中的線程，然後自動恢復爲未激發狀態。所以用自動重置事件來同步兩個線程比較理想。MFC中對應的類爲CEvent.。CEvent的構造函數默認創建一個自動重置的事件，而且處於未激發狀態。共有三個函數來改變事件的狀態:SetEvent,ResetEvent和PulseEvent。用事件來同步線程是一種比較理想的做法，但在實際的使用過程中要注意的是，對自動重置事件調用SetEvent和PulseEvent有可能會引起死鎖，必須小心。
2、 Critical Section
使用臨界區域的第一個忠告就是不要長時間鎖住一份資源。這裏的長時間是相對的，視不同程序而定。對一些控制軟件來說，可能是數毫秒，但是對另外一些程序來說，可以長達數分鐘。但進入臨界區後必須儘快地離開，釋放資源。如果不釋放的話，會如何？答案是不會怎樣。如果是主線程（GUI線程）要進入一個沒有被釋放的臨界區，呵呵，程序就會掛了！臨界區域的一個缺點就是：Critical Section不是一個核心對象，無法獲知進入臨界區的線程是生是死，如果進入臨界區的線程掛了，沒有釋放臨界資源，系統無法獲知，而且沒有辦法釋放該臨界資源。這個缺點在互斥器(Mutex)中得到了彌補。Critical Section在MFC中的相應實現類是CcriticalSection。CcriticalSection：：Lock()進入臨界區，CcriticalSection：：UnLock()離開臨界區。
3、 Mutex
互斥器的功能和臨界區域很相似。區別是：Mutex所花費的時間比Critical Section多的多，但是Mutex是核心對象(Event、Semaphore也是)，可以跨進程使用，而且等待一個被鎖住的Mutex可以設定TIMEOUT，不會像Critical Section那樣無法得知臨界區域的情況，而一直死等。MFC中的對應類爲CMutex。Win32函數有：創建互斥體CreateMutex() ，打開互斥體OpenMutex()，釋放互斥體ReleaseMutex()。Mutex的擁有權並非屬於那個產生它的線程，而是最後那個對此Mutex進行等待操作（WaitForSingleObject等等）並且尚未進行ReleaseMutex()操作的線程。線程擁有Mutex就好像進入Critical Section一樣，一次只能有一個線程擁有該Mutex。如果一個擁有Mutex的線程在返回之前沒有調用ReleaseMutex()，那麼這個Mutex就被捨棄了，但是當其他線程等待(WaitForSingleObject等)這個Mutex時，仍能返回，並得到一個WAIT_ABANDONED_0返回值。能夠知道一個Mutex被捨棄是Mutex特有的。
4、 Semaphore
信號量是最具歷史的同步機制。信號量是解決producer/consumer問題的關鍵要素。對應的MFC類是Csemaphore。Win32函數CreateSemaphore（）用來產生信號量。ReleaseSemaphore（）用來解除鎖定。Semaphore的現值代表的意義是目前可用的資源數，如果Semaphore的現值爲1，表示還有一個鎖定動作可以成功。如果現值爲5，就表示還有五個鎖定動作可以成功。當調用Wait…等函數要求鎖定，如果Semaphore現值不爲0，Wait…馬上返回，資源數減1。當調用ReleaseSemaphore（）資源數加1，當時不會超過初始設定的資源總數。
線程之間的通訊：
線程常常要將數據傳遞給另外一個線程。Worker線程可能需要告訴別人說它的工作完成了，GUI線程則可能需要交給Worker線程一件新的工作。
通過PostThreadMessage（），可以將消息傳遞給目標線程，當然目標線程必須有消息隊列。以消息當作通訊方式，比起標準技術如使用全局變量等，有很大的好處。如果對象是同一進程中的線程，可以發送自定義消息，傳遞數據給目標線程，如果是線程在不同的進程中，就涉及進程之間的通訊了。下面將會講到。
進程之間的通訊：
當線程分屬於不同進程，也就是分駐在不同的地址空間時，它們之間的通訊需要跨越地址空間的邊界，便得采取一些與同一進程中不同線程間通訊不同的方法。
1、 Windows專門定義了一個消息：WM_COPYDATA,用來在線程之間搬移數據，――不管兩個線程是否同屬於一個進程。同時接受這個消息的線程必須有一個窗口，即必須是UI線程。WM_COPYDATA必須由SendMessage（）來發送，不能由PostMessage（）等來發送，這是由待發送數據緩衝區的生命期決定的，出於安全的需要。
2、 WM_COPYDATA效率上面不是太高，如果要求高效率，可以考慮使用共享內存（Shared Memory）。使用共享內存要做的是：設定一塊內存共享區域；使用共享內存；同步處理共享內存。
第一步：設定一塊內存共享區域。首先，CreateFileMapping（）產生一個file-mapping核心對象，並指定共享區域的大小。MapViewOfFile（）獲得一個指針指向可用的內存。如果是C/S模式，由Server端來產生file-mapping，那麼Client端使用OpenFileMapping（），然後調用MapViewOfFile（）。
第二步：使用共享內存。共享內存指針的使用是一件比較麻煩的事，我們需要藉助_based屬性，允許指針被定義爲從某一點開始起算的32位偏移值。
第三步：清理。UnmapViewOfFile（）交出由MapViewOfFile（）獲得的指針，CloseHandle（）交出file-mapping核心對象的handle。
第四步：同步處理。可以藉助Mutex來進行同步處理。
雖然多線程能給我們帶來好處，但是也有不少問題需要解決。例如，對於像磁盤驅動器這樣獨佔性系統資源，由於線程可以執行進程的任何代碼段，且線程的運行是由系統調度自動完成的，具有一定的不確定性，因此就有可能出現兩個線程同時對磁盤驅動器進行操作，從而出現操作錯誤；又例如，對於銀行系統的計算機來說，可能使用一個線程來更新其用戶數據庫，而用另外一個線程來讀取數據庫以響應儲戶的需要，極有可能讀數據庫的線程讀取的是未完全更新的數據庫，因爲可能在讀的時候只有一部分數據被更新過。
使隸屬於同一進程的各線程協調一致地工作稱爲線程的同步。MFC提供了多種同步對象，下面我們只介紹最常用的四種：
- 臨界區（CCriticalSection）
- 事件（CEvent）
- 互斥量（CMutex）
- 信號量（CSemaphore）
通過這些類，我們可以比較容易地做到線程同步。
A、使用 CCriticalSection 類
當多個線程訪問一個獨佔性共享資源時,可以使用“臨界區”對象。任一時刻只有一個線程可以擁有臨界區對象，擁有臨界區的線程可以訪問被保護起來的資源或代碼段，其他希望進入臨界區的線程將被掛起等待，直到擁有臨界區的線程放棄臨界區時爲止，這樣就保證了不會在同一時刻出現多個線程訪問共享資源。
CCriticalSection類的用法非常簡單，步驟如下：
- 定義CCriticalSection類的一個全局對象（以使各個線程均能訪問），如CCriticalSection critical_section；
- 在訪問需要保護的資源或代碼之前，調用CCriticalSection類的成員Lock（）獲得臨界區對象：
critical_section.Lock();
在線程中調用該函數來使線程獲得它所請求的臨界區。如果此時沒有其它線程佔有臨界區對象，則調用Lock()的線程獲得臨界區；否則，線程將被掛起，並放入到一個系統隊列中等待，直到當前擁有臨界區的線程釋放了臨界區時爲止。 - 訪問臨界區完畢後，使用CCriticalSection的成員函數Unlock()來釋放臨界區：
critical_section.Unlock();
再通俗一點講，就是線程A執行到critical_section.Lock();語句時，如果其它線程(B)正在執行critical_section.Lock();語句後且critical_section. Unlock();語句前的語句時，線程A就會等待，直到線程B執行完critical_section. Unlock();語句，線程A纔會繼續執行。
下面再通過一個實例進行演示說明。
例程8 MultiThread8
- 建立一個基於對話框的工程MultiThread8，在對話框IDD_MULTITHREAD8_DIALOG中加入兩個按鈕和兩個編輯框控件，兩個按鈕的ID分別爲IDC_WRITEW和IDC_WRITED，標題分別爲“寫‘W’”和“寫‘D’”；兩個編輯框的ID分別爲IDC_W和IDC_D，屬性都選中Read-only；
- 在MultiThread8Dlg.h文件中聲明兩個線程函數：
UINT WriteW(LPVOID pParam); UINT WriteD(LPVOID pParam);
- 使用ClassWizard分別給IDC_W和IDC_D添加CEdit類變量m_ctrlW和m_ctrlD；
- 在MultiThread8Dlg.cpp文件中添加如下內容：
爲了文件中能夠正確使用同步類，在文件開頭添加：#include "afxmt.h"
定義臨界區和一個字符數組，爲了能夠在不同線程間使用，定義爲全局變量：CCriticalSection critical_section; char g_Array[10];
添加線程函數：UINT WriteW(LPVOID pParam) { CEdit *pEdit=(CEdit*)pParam; pEdit->SetWindowText(""); critical_section.Lock(); //鎖定臨界區，其它線程遇到critical_section.Lock();語句時要等待 //直至執行critical_section.Unlock();語句 for(int i=0;i<10;i++) { g_Array[i]=''W''; pEdit->SetWindowText(g_Array); Sleep(1000); } critical_section.Unlock(); return 0; } UINT WriteD(LPVOID pParam) { CEdit *pEdit=(CEdit*)pParam; pEdit->SetWindowText(""); critical_section.Lock(); //鎖定臨界區，其它線程遇到critical_section.Lock();語句時要等待 //直至執行critical_section.Unlock();語句 for(int i=0;i<10;i++) { g_Array[i]=''D''; pEdit->SetWindowText(g_Array); Sleep(1000); } critical_section.Unlock(); return 0; } - 分別雙擊按鈕IDC_WRITEW和IDC_WRITED，添加其響應函數：
void CMultiThread8Dlg::OnWritew() { CWinThread *pWriteW=AfxBeginThread(WriteW, &m_ctrlW, THREAD_PRIORITY_NORMAL, 0, CREATE_SUSPENDED); pWriteW->ResumeThread(); } void CMultiThread8Dlg::OnWrited() { CWinThread *pWriteD=AfxBeginThread(WriteD, &m_ctrlD, THREAD_PRIORITY_NORMAL, 0, CREATE_SUSPENDED); pWriteD->ResumeThread(); }由於代碼較簡單，不再詳述。編譯、運行該例程，您可以連續點擊兩個按鈕，觀察體會臨界類的作用。
B、使用 CEvent 類
CEvent 類提供了對事件的支持。事件是一個允許一個線程在某種情況發生時，喚醒另外一個線程的同步對象。例如在某些網絡應用程序中，一個線程（記爲A）負責監聽通訊端口，另外一個線程（記爲B）負責更新用戶數據。通過使用CEvent 類，線程A可以通知線程B何時更新用戶數據。每一個CEvent 對象可以有兩種狀態：有信號狀態和無信號狀態。線程監視位於其中的CEvent 類對象的狀態，並在相應的時候採取相應的操作。
在MFC中，CEvent 類對象有兩種類型：人工事件和自動事件。一個自動CEvent 對象在被至少一個線程釋放後會自動返回到無信號狀態；而人工事件對象獲得信號後，釋放可利用線程，但直到調用成員函數ReSetEvent()纔將其設置爲無信號狀態。在創建CEvent 類的對象時，默認創建的是自動事件。 CEvent 類的各成員函數的原型和參數說明如下：
1、CEvent(BOOL bInitiallyOwn=FALSE,
BOOL bManualReset=FALSE,
LPCTSTR lpszName=NULL,
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsaAttribute=NULL);
- bInitiallyOwn:指定事件對象初始化狀態，TRUE爲有信號，FALSE爲無信號；
- bManualReset：指定要創建的事件是屬於人工事件還是自動事件。TRUE爲人工事件，FALSE爲自動事件；
- 後兩個參數一般設爲NULL，在此不作過多說明。
2、BOOL CEvent：：SetEvent();
將 CEvent 類對象的狀態設置爲有信號狀態。如果事件是人工事件，則 CEvent 類對象保持爲有信號狀態，直到調用成員函數ResetEvent()將 其重新設爲無信號狀態時爲止。如果CEvent 類對象爲自動事件，則在SetEvent()將事件設置爲有信號狀態後，CEvent 類對象由系統自動重置爲無信號狀態。
如果該函數執行成功，則返回非零值，否則返回零。
3、BOOL CEvent：：ResetEvent();
該函數將事件的狀態設置爲無信號狀態，並保持該狀態直至SetEvent()被調用時爲止。由於自動事件是由系統自動重置，故自動事件不需要調用該函數。如果該函數執行成功，返回非零值，否則返回零。我們一般通過調用WaitForSingleObject函數來監視事件狀態。前面我們已經介紹了該函數。由於語言描述的原因，CEvent 類的理解確實有些難度，但您只要通過仔細玩味下面例程，多看幾遍就可理解。
例程9 MultiThread9
- 建立一個基於對話框的工程MultiThread9，在對話框IDD_MULTITHREAD9_DIALOG中加入一個按鈕和兩個編輯框控件，按鈕的ID爲IDC_WRITEW，標題爲“寫‘W’”；兩個編輯框的ID分別爲IDC_W和IDC_D，屬性都選中Read-only;
- 在MultiThread9Dlg.h文件中聲明兩個線程函數：
UINT WriteW(LPVOID pParam); UINT WriteD(LPVOID pParam);
- 使用ClassWizard分別給IDC_W和IDC_D添加CEdit類變量m_ctrlW和m_ctrlD；
- 在MultiThread9Dlg.cpp文件中添加如下內容：
爲了文件中能夠正確使用同步類，在文件開頭添加
#include "afxmt.h"
定義事件對象和一個字符數組，爲了能夠在不同線程間使用，定義爲全局變量。CEvent eventWriteD; char g_Array[10];
添加線程函數：UINT WriteW(LPVOID pParam) { CEdit *pEdit=(CEdit*)pParam; pEdit->SetWindowText(""); for(int i=0;i<10;i++) { g_Array[i]=''W''; pEdit->SetWindowText(g_Array); Sleep(1000); } eventWriteD.SetEvent(); return 0; } UINT WriteD(LPVOID pParam) { CEdit *pEdit=(CEdit*)pParam; pEdit->SetWindowText(""); WaitForSingleObject(eventWriteD.m_hObject,INFINITE); for(int i=0;i<10;i++) { g_Array[i]=''D''; pEdit->SetWindowText(g_Array); Sleep(1000); } return 0; }仔細分析這兩個線程函數, 您就會正確理解CEvent 類。線程WriteD執行到 WaitForSingleObject(eventWriteD.m_hObject,INFINITE);處等待，直到事件eventWriteD爲有信號該線程才往下執行，因爲eventWriteD對象是自動事件，則當WaitForSingleObject()返回時，系統自動把eventWriteD對象重置爲無信號狀態。 - 雙擊按鈕IDC_WRITEW，添加其響應函數：
void CMultiThread9Dlg::OnWritew() { CWinThread *pWriteW=AfxBeginThread(WriteW, &m_ctrlW, THREAD_PRIORITY_NORMAL, 0, CREATE_SUSPENDED); pWriteW->ResumeThread(); CWinThread *pWriteD=AfxBeginThread(WriteD, &m_ctrlD, THREAD_PRIORITY_NORMAL, 0, CREATE_SUSPENDED); pWriteD->ResumeThread(); }編譯並運行程序，單擊“寫‘W’”按鈕，體會事件對象的作用。
C、使用CMutex 類
互斥對象與臨界區對象很像.互斥對象與臨界區對象的不同在於:互斥對象可以在進程間使用,而臨界區對象只能在同一進程的各線程間使用。當然，互斥對象也可以用於同一進程的各個線程間，但是在這種情況下，使用臨界區會更節省系統資源，更有效率。
D、使用CSemaphore 類
當需要一個計數器來限制可以使用某個線程的數目時，可以使用“信號量”對象。CSemaphore 類的對象保存了對當前訪問某一指定資源的線程的計數值，該計數值是當前還可以使用該資源的線程的數目。如果這個計數達到了零，則所有對這個CSemaphore 類對象所控制的資源的訪問嘗試都被放入到一個隊列中等待，直到超時或計數值不爲零時爲止。一個線程被釋放已訪問了被保護的資源時，計數值減1；一個線程完成了對被控共享資源的訪問時，計數值增1。這個被CSemaphore 類對象所控制的資源可以同時接受訪問的最大線程數在該對象的構建函數中指定。
CSemaphore 類的構造函數原型及參數說明如下：
CSemaphore (LONG lInitialCount=1,
LONG lMaxCount=1,
LPCTSTR pstrName=NULL,
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsaAttributes=NULL);
- lInitialCount:信號量對象的初始計數值，即可訪問線程數目的初始值；
- lMaxCount：信號量對象計數值的最大值，該參數決定了同一時刻可訪問由信號量保護的資源的線程最大數目；
- 後兩個參數在同一進程中使用一般爲NULL，不作過多討論；
在用CSemaphore 類的構造函數創建信號量對象時要同時指出允許的最大資源計數和當前可用資源計數。一般是將當前可用資源計數設置爲最大資源計數，每增加一個線程對共享資源的訪問，當前可用資源計數就會減1，只要當前可用資源計數是大於0的，就可以發出信號量信號。但是當前可用計數減小到0時，則說明當前佔用資源的線程數已經達到了所允許的最大數目，不能再允許其它線程的進入，此時的信號量信號將無法發出。線程在處理完共享資源後，應在離開的同時通過ReleaseSemaphore()函數將當前可用資源數加1。
下面給出一個簡單實例來說明 CSemaphore 類的用法。
例程10 MultiThread10
- 建立一個基於對話框的工程MultiThread10，在對話框IDD_MULTITHREAD10_DIALOG中加入一個按鈕和三個編輯框控件，按鈕的ID爲IDC_START，標題爲“同時寫‘A’、‘B’、‘C’”；三個編輯框的ID分別爲IDC_A、IDC_B和IDC_C，屬性都選中Read-only；
- 在MultiThread10Dlg.h文件中聲明兩個線程函數：
UINT WriteA(LPVOID pParam); UINT WriteB(LPVOID pParam); UINT WriteC(LPVOID pParam);
- 使用ClassWizard分別給IDC_A、IDC_B和IDC_C添加CEdit類變量m_ctrlA、m_ctrlB和m_ctrlC；
- 在MultiThread10Dlg.cpp文件中添加如下內容：
爲了文件中能夠正確使用同步類，在文件開頭添加：
#include "afxmt.h"
定義信號量對象和一個字符數組，爲了能夠在不同線程間使用，定義爲全局變量：CSemaphore semaphoreWrite(2,2); //資源最多訪問線程2個，當前可訪問線程數2個 char g_Array[10];
添加三個線程函數：
UINT WriteA(LPVOID pParam) { CEdit *pEdit=(CEdit*)pParam; pEdit->SetWindowText(""); WaitForSingleObject(semaphoreWrite.m_hObject,INFINITE); CString str; for(int i=0;i<10;i++) { pEdit->GetWindowText(str); g_Array[i]=''A''; str=str+g_Array[i]; pEdit->SetWindowText(str); Sleep(1000); } ReleaseSemaphore(semaphoreWrite.m_hObject,1,NULL); return 0; } UINT WriteB(LPVOID pParam) { CEdit *pEdit=(CEdit*)pParam; pEdit->SetWindowText(""); WaitForSingleObject(semaphoreWrite.m_hObject,INFINITE); CString str; for(int i=0;i<10;i++) { pEdit->GetWindowText(str); g_Array[i]=''B''; str=str+g_Array[i]; pEdit->SetWindowText(str); Sleep(1000); } ReleaseSemaphore(semaphoreWrite.m_hObject,1,NULL); return 0; } UINT WriteC(LPVOID pParam) { CEdit *pEdit=(CEdit*)pParam; pEdit->SetWindowText(""); WaitForSingleObject(semaphoreWrite.m_hObject,INFINITE); for(int i=0;i<10;i++) { g_Array[i]=''C''; pEdit->SetWindowText(g_Array); Sleep(1000); } ReleaseSemaphore(semaphoreWrite.m_hObject,1,NULL); return 0; }這三個線程函數不再多說。在信號量對象有信號的狀態下，線程執行到WaitForSingleObject語句處繼續執行，同時可用線程數減1；若線程執行到WaitForSingleObject語句時信號量對象無信號，線程就在這裏等待，直到信號量對象有信號線程才往下執行。 - 雙擊按鈕IDC_START，添加其響應函數：
void CMultiThread10Dlg::OnStart() { CWinThread *pWriteA=AfxBeginThread(WriteA, &m_ctrlA, THREAD_PRIORITY_NORMAL, 0, CREATE_SUSPENDED); pWriteA->ResumeThread(); CWinThread *pWriteB=AfxBeginThread(WriteB, &m_ctrlB, THREAD_PRIORITY_NORMAL, 0, CREATE_SUSPENDED); pWriteB->ResumeThread(); CWinThread *pWriteC=AfxBeginThread(WriteC, &m_ctrlC, THREAD_PRIORITY_NORMAL, 0, CREATE_SUSPENDED); pWriteC->ResumeThread(); }
