一、定義:
1.進程和線程的區別
進程:是程序的執行過程,具有動態性,即運行的程序就叫進程,不運行就叫程序 ,每個進程包含一到多個線程。
線程:系統中的最小執行單元,同一進程中有多個線程,線程可以共享資源,一旦出現共享資源,必須注意線程安全!!
先闡述一下進程和線程的概念和區別,這是一個許多大學老師也講不清楚的問題。
進程(Process)是具有一定獨立功能的程序關於某個數據集合上的一次運行活動,是系統進行資源分配和調度的一個獨立單位。程序只是一組指令的有序集合,它本身沒有任何運行的含義,只是一個靜態實體。而進程則不同,它是程序在某個數據集上的執行,是一個動態實體。它因創建而產生,因調度而運行,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,反映了一個程序在一定的數據集上運行的全部動態過程。
線程(Thread)是進程的一個實體,是CPU調度和分派的基本單位。線程不能夠獨立執行,必須依存在應用程序中,由應用程序提供多個線程執行控制。
線程和進程的關系是:線程是屬於進程的,線程運行在進程空間內,同一進程所產生的線程共享同一內存空間,當進程退出時該進程所產生的線程都會被強制退出 並清除。線程可與屬於同一進程的其它線程共享進程所擁有的全部資源,但是其本身基本上不擁有系統資源,只擁有一點在運行中必不可少的信息(如程序計數器、 一組寄存器和棧)。
根據進程與線程的設置,操作系統大致分為如下類型:
(1)單進程、單線程,MS-DOS大致是這種操作系統;
(2)多進程、單線程,多數UNIX(及類UNIX的LINUX)是這種操作系統;
(3)多進程、多線程,Win32(Windows NT/2000/XP等)、Solaris 2.x和OS/2都是這種操作系統;
(4)單進程、多線程,VxWorks是這種操作系統。
在操作系統中引入線程帶來的主要好處是:
(1)在進程內創建、終止線程比創建、終止進程要快;
(2)同一進程內的線程間切換比進程間的切換要快,尤其是用戶級線程間的切換。
另外,線程的出現還因為以下幾個原因:
(1)並發程序的並發執行,在多處理環境下更為有效。一個並發程序可以建立一個進程,而這個並發程序中的若干並發程序段就可以分別建立若干線程,使這些線程在不同的處理機上執行。
(2)每個進程具有獨立的地址空間,而該進程內的所有線程共享該地址空間。這樣可以解決父子進程模型中,子進程必須復制父進程地址空間的問題。
(3)線程對解決客戶/服務器模型非常有效。
Win32進程間通信的方式主要有:
(1)剪貼板(Clip Board);
(2)動態數據交換(Dynamic Data Exchange);
(3)部件對象模型(Component Object Model);
(4)文件映射(File Mapping);
(5)郵件槽(Mail Slots);
(6)管道(Pipes);
(7)Win32套接字(Socket);
(8)遠程過程調用(Remote Procedure Call);
(9)WM_COPYDATA消息(WM_COPYDATA Message)。
2、獲取進程信息
在WIN32中,可使用在PSAPI .DLL中提供的Process status Helper函數幫助我們獲取進程信息。
(1)EnumProcesses()函數可以獲取進程的ID,其原型為:
BOOL EnumProcesses(DWORD * lpidProcess, DWORD cb, DWORD*cbNeeded); |
參數lpidProcess:一個足夠大的DWORD類型的數組,用於存放進程的ID值;
參數cb:存放進程ID值的數組的最大長度,是一個DWORD類型的數據;
參數cbNeeded:指向一個DWORD類型數據的指針,用於返回進程的數目;
函數返回值:如果調用成功,返回TRUE,同時將所有進程的ID值存放在lpidProcess參數所指向的數組中,進程個數存放在cbNeeded參數所指向的變量中;如果調用失敗,返回FALSE。
(2)GetModuleFileNameExA()函數可以實現通過進程句柄獲取進程文件名,其原型為:
DWORD GetModuleFileNameExA(HANDLE hProcess, HMODULE hModule,LPTSTR lpstrFileName, DWORD nsize); |
參數hProcess:接受進程句柄的參數,是HANDLE類型的變量;
參數hModule:指針型參數,在本文的程序中取值為NULL;
參數lpstrFileName:LPTSTR(表示指向字符/字符串的指針)類型的指針,用於接受主調函數傳遞來的用於存放進程名的字符數組指針;
參數nsize:lpstrFileName所指數組的長度;
函數返回值:如果調用成功,返回一個大於0的DWORD類型的數據,同時將hProcess所對應的進程名存放在lpstrFileName參數所指向的數組中;加果調用失敗,則返回0。
通過下列代碼就可以遍歷系統中的進程,獲得進程列表:
//獲取當前進程總數 EnumProcesses(process_ids, sizeof(process_ids), &num_processes); //遍歷進程 for (int i = 0; i < num_processes; i++) { //根據進程ID獲取句柄 process[i] = OpenProcess(PROCESS_QUERY_INFORMATION | PROCESS_VM_READ, 0, process_ids[i]); //通過句柄獲取進程文件名 if (GetModuleFileNameExA(process[i], NULL, File_name, sizeof(fileName))) cout << fileName << endl; } |
WIN32靠線程的優先級( 達到搶占式多任務的目的)及分配給線程的CPU時間來調度線程。WIN32本身的許多應用程序也利用了多線程的特性,如任務管理器等。
本質而言,一個處理器同一時刻只能執行一個線程("微觀串行")。WIN32多任務機制使得CPU好像在同時處理多個任務一樣,實現了"宏觀並行"。
(1)運行一個線程,直到被中斷或線程必須等待到某個資源可用;
(2)保存當前執行線程的描述表(上下文);
(3)裝入下一執行線程的描述表(上下文);
(4)若存在等待被執行的線程,則重復上述過程。
WIN32下的線程可能具有不同的優先級,優先級的范圍為0~31,共32級,其中31表示最高優先級,優先級0為系統保留。它們可以分成兩類,即實時優先級和可變優先級:
(1)實時優先級從16到31,是實時程序所用的高優先級線程,如許多監控類應用程序;
(2)可變優先級從1到15,絕大多數程序的優先級都在這個范圍內。。WIN32調度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級。
多線程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線程,一定要根據應用程序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線程:
(1)應用程序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級。
另外,對於一些實時系統應用,應考慮多線程。Win32核心對 WIN32核心對象包括進程、線程、文件、事件、信號量、互斥體和管道,核心對象可能有不只一個擁有者,甚至可以跨進程。有一組WIN32 API與核心對象息息相關:
DWORD WaitForSingleObject( HANDLE hHandle, // 等待對象的句柄 DWORD dwMilliseconds // 等待毫秒數,INFINITE表示無限等待 ); |
可以作為WaitForSingleObject第一個參數的對象包括:Change notification(變更通知)、Console input(控制台標准輸入)、Event、Job、Memory resource notification、Mutex、Process、Semaphore、Thread和Waitable timer。
如果等待的對象不可用,那么線程就會掛起,直到對象可用線程才會被喚醒。對不同的對象,WaitForSingleObject表現為不同的含義。例如,使用 WaitForSingleObject(hThread,…)可以判斷一個線程是否結束;使用WaitForSingleObject (hMutex,…)可以判斷是否能夠進入臨界區;而WaitForSingleObject (hProcess,… )則表現為等待一個進程的結束。
與WaitForSingleObject對應還有一個WaitForMultipleObjects函數,可以用於等待多個對象,其原型為:
DWORD WaitForMultipleObjects(DWORD nCount,const HANDLE* pHandles,BOOL bWaitAll,DWORD dwMilliseconds); |
(2)CloseHandle,用於關閉對象,其函數原型為:
BOOL CloseHandle(HANDLE hObject); |
如果函數執行成功,則返回TRUE;否則返回FALSE,我們可以通過GetLastError函數進一步可以獲得錯誤原因。
C運行時庫
在VC++6.0中,有兩種多線程編程方法:一是使用C運行時庫及WIN32 API函數,另一種方法是使用MFC,MFC對多線程開發有強大的支持。
標准C運行時庫是1970年問世的,當時還沒有多線程的概念。因此,C運行時庫早期的設計者們不可能考慮到讓其支持多線程應用程序。
Visual C++提供了兩種版本的C運行時庫,一個版本供單線程應用程序調用,另一個版本供多線程應用程序調用。多線程運行時庫與單線程運行時庫有兩個重大差別:
(1)類似errno(errno 是記錄系統的最后一次錯誤代碼)的全局變量,每個線程單獨設置一個;
這樣從每個線程中可以獲取正確的錯誤信息。
(2)多線程庫中的數據結構以同步機制加以保護。
這樣可以避免訪問時候的沖突。
Visual C++提供的多線程運行時庫又分為靜態鏈接庫和動態鏈接庫兩類,而每一類運行時庫又可再分為debug版和release版,因此Visual C++共提供了6個運行時庫。如下表:
C運行時庫 | 庫文件 |
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多線程C運行時庫來生成多線程程序,必須執行下列操作:
(1)使用標准 C 庫(基於單線程)並且只允許可重入函數集進行庫調用;
(2)使用 Win32 API 線程管理函數,如 CreateThread;
(3)通過使用 Win32 服務(如信號量和 EnterCriticalSection 及 LeaveCriticalSection 函數),為不可重入的函數提供自己的同步。
如果使用標准 C 庫而調用VC運行時庫函數,則在程序的link階段會提示如下錯誤:
error LNK2001: unresolved external symbol __endthreadex error LNK2001: unresolved external symbol __beginthreadex |
二.深入淺出Win32多線程程序設計之線程控制
1.線程函數
在啟動一個線程之前,必須為線程編寫一個全局的線程函數,這個線程函數接受一個32位的LPVOID(沒有類型的指針)作為參數,返回一個UINT,線程函數的結構為:
UINT ThreadFunction(LPVOID pParam) { //線程處理代碼 return0; } |
在線程處理代碼部分通常包括一個死循環,該循環中先等待某事情的發生,再處理相關的工作:
while(1) { WaitForSingleObject(…,…);//或WaitForMultipleObjects(…) //Do something } |
一般來說,C++的類成員函數不能作為線程函數。這是因為在類中定義的成員函數,編譯器會給其加上this指針。請看下列程序:
#include "windows.h" #include <process.h> class ExampleTask { public: void taskmain(LPVOID param); void StartTask(); }; void ExampleTask::taskmain(LPVOID param) {} void ExampleTask::StartTask() { _beginthread(taskmain,0,NULL); } int main(int argc, char* argv[]) { ExampleTask realTimeTask; realTimeTask.StartTask(); return 0; } |
程序編譯時出現如下錯誤:
error C2664: '_beginthread' : cannot convert parameter 1 from 'void (void *)' to 'void (__cdecl *)(void *)' None of the functions with this name in scope match the target type |
再看下列程序:
#include "windows.h" #include <process.h> class ExampleTask { public: void taskmain(LPVOID param); }; void ExampleTask::taskmain(LPVOID param) {} int main(int argc, char* argv[]) { ExampleTask realTimeTask; _beginthread(ExampleTask::taskmain,0,NULL); return 0; } |
程序編譯時會出錯:
error C2664: '_beginthread' : cannot convert parameter 1 from 'void (void *)' to 'void (__cdecl *)(void *)' None of the functions with this name in scope match the target type |
如果一定要以類成員函數作為線程函數,通常有如下解決方案:
(1)將該成員函數聲明為static類型,去掉this指針;
我們將上述二個程序改變為:
#include "windows.h" #include <process.h> class ExampleTask { public: void static taskmain(LPVOID param); void StartTask(); }; void ExampleTask::taskmain(LPVOID param) {} void ExampleTask::StartTask() { _beginthread(taskmain,0,NULL); } int main(int argc, char* argv[]) { ExampleTask realTimeTask; realTimeTask.StartTask(); return 0; } 和 #include "windows.h" #include <process.h> class ExampleTask { public: void static taskmain(LPVOID param); }; void ExampleTask::taskmain(LPVOID param) {} int main(int argc, char* argv[]) { _beginthread(ExampleTask::taskmain,0,NULL); return 0; } |
均編譯通過。
將成員函數聲明為靜態雖然可以解決作為線程函數的問題,但是它帶來了新的問題,那就是static成員函數只能訪問static成員。 解決此問題的一種途徑是可以在調用類靜態成員函數(線程函數)時將this指針作為參數傳入,並在改線程函數中用強制類型轉換將this轉換成指向該類的指針,通過該指針訪問非靜態成員。
(2)不定義類成員函數為線程函數,而將線程函數定義為類的友元函數。這樣,線程函數也可以有類成員函數同等的權限;
我們將程序修改為:
#include "windows.h" #include <process.h> class ExampleTask { public: friend void taskmain(LPVOID param); void StartTask(); }; void taskmain(LPVOID param) { ExampleTask * pTaskMain = (ExampleTask *) param; //通過pTaskMain指針引用 } void ExampleTask::StartTask() { _beginthread(taskmain,0,this); } int main(int argc, char* argv[]) { ExampleTask realTimeTask; realTimeTask.StartTask(); return 0; } |
(3)可以對非靜態成員函數實現回調,並訪問非靜態成員,此法涉及到一些高級技巧,在此不再詳述。
2.創建線程
進程的主線程由操作系統自動生成,Win32提供了CreateThread API來完成用戶線程的創建,該API的原型為:
HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,//Pointer to a SECURITY_ATTRIBUTES structure SIZE_T dwStackSize, //Initial size of the stack, in bytes. LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, LPVOID lpParameter, //Pointer to a variable to be passed to the thread DWORD dwCreationFlags, //Flags that control the creation of the thread LPDWORD lpThreadId //Pointer to a variable that receives the thread identifier ); |
注意:如果使用C/C++語言編寫多線程應用程序,一定不能使用操作系統提供的CreateThread API,而應該使用C/C++運行時庫中的_beginthread(或_beginthreadex),其函數原型為:
uintptr_t _beginthread( void( __cdecl *start_address )( void * ), //Start address of routine that begins execution of new thread unsigned stack_size, //Stack size for new thread or 0. void *arglist //Argument list to be passed to new thread or NULL ); uintptr_t _beginthreadex( void *security,//Pointer to a SECURITY_ATTRIBUTES structure unsigned stack_size, unsigned ( __stdcall *start_address )( void * ), void *arglist, unsigned initflag,//Initial state of new thread (0 for running or CREATE_SUSPENDED for suspended); unsigned *thrdaddr ); |
_beginthread函數與Win32 API 中的CreateThread函數類似,但有如下差異:
(1)通過_beginthread函數我們可以利用其參數列表arglist將多個參數傳遞到線程;
(2)_beginthread 函數初始化某些 C 運行時庫變量,在線程中若需要使用 C 運行時庫。
3.終止線程
線程的終止有如下四種方式:
(1)線程函數返回;
(2)線程自身調用ExitThread 函數即終止自己,其原型為:
VOID ExitThread(UINT fuExitCode ); |
它將參數fuExitCode設置為線程的退出碼。
注意:如果使用C/C++編寫代碼,我們應該使用C/C++運行時庫函數_endthread (_endthreadex)終止線程,決不能使用ExitThread!
_endthread 函數對於線程內的條件終止很有用。例如,專門用於通信處理的線程若無法獲取對通信端口的控制,則會退出。
(3)同一進程或其他進程的線程調用TerminateThread函數,其原型為:
BOOL TerminateThread(HANDLE hThread,DWORD dwExitCode); |
該函數用來結束由hThread參數指定的線程,並把dwExitCode設成該線程的退出碼。當某個線程不再響應時,我們可以用其他線程調用該函數來終止這個不響應的線程。
(4)包含線程的進程終止。
最好使用第1種方式終止線程,第2~4種方式都不宜采用。
4.掛起與恢復線程
當我們創建線程的時候,如果給其傳入CREATE_SUSPENDED標志,則該線程創建后被掛起,我們應使用ResumeThread恢復它:
DWORD ResumeThread(HANDLE hThread); |
如果ResumeThread函數運行成功,它將返回線程的前一個暫停計數,否則返回0x FFFFFFFF。
對於沒有被掛起的線程,程序員可以調用SuspendThread函數強行掛起之:
DWORD SuspendThread(HANDLE hThread); |
一個線程可以被掛起多次。線程可以自行暫停運行,但是不能自行恢復運行。如果一個線程被掛起n次,則該線程也必須被恢復n次才可能得以執行。
5.設置線程優先級
當一個線程被首次創建時,它的優先級等同於它所屬進程的優先級。在單個進程內可以通過調用SetThreadPriority函數改變線程的相對優先級。一個線程的優先級是相對於其所屬進程的優先級而言的。
BOOL SetThreadPriority(HANDLE hThread, int nPriority); |
其中參數hThread是指向待修改優先級線程的句柄,線程與包含它的進程的優先級關系如下:
線程優先級 = 進程類基本優先級 + 線程相對優先級
進程類的基本優先級包括:
(1)實時:REALTIME_PRIORITY_CLASS;
(2)高:HIGH _PRIORITY_CLASS;
(3)高於正常:ABOVE_NORMAL_PRIORITY_CLASS;
(4)正常:NORMAL _PRIORITY_CLASS;
(5)低於正常:BELOW_ NORMAL _PRIORITY_CLASS;
(6)空閑:IDLE_PRIORITY_CLASS。
VOID Sleep(DWORD dwMilliseconds); |
該函數可使線程暫停自己的運行,直到dwMilliseconds毫秒過去為止。它告訴系統,自身不想在某個時間段內被調度。
7.其它重要API
獲得線程優先級
一個線程被創建時,就會有一個默認的優先級,但是有時要動態地改變一個線程的優先級,有時需獲得一個線程的優先級。
Int GetThreadPriority (HANDLE hThread); |
如果函數執行發生錯誤,會返回THREAD_PRIORITY_ERROR_RETURN標志。如果函數成功地執行,會返回優先級標志。
獲得線程退出碼
BOOL WINAPI GetExitCodeThread( HANDLE hThread, LPDWORD lpExitCode ); |
如果執行成功,GetExitCodeThread返回TRUE,退出碼被lpExitCode指向內存記錄;否則返回FALSE,我們可通過GetLastError()獲知錯誤原因。如果線程尚未結束,lpExitCode帶回來的將是STILL_ALIVE。
BOOL WINAPI GetThreadContext( HANDLE hThread, LPCONTEXT lpContext ); BOOL WINAPI SetThreadContext( HANDLE hThread, CONST CONTEXT *lpContext ); |
由於GetThreadContext和SetThreadContext可以操作CPU內部的寄存器,因此在一些高級技巧的編程中有一定應用。譬如, 調試器可利用GetThreadContext掛起被調試線程獲取其上下文,並設置上下文中的標志寄存器中的陷阱標志位,最后通過 SetThreadContext使設置生效來進行單步調試。
8.實例
以下程序使用CreateThread創建兩個線程,在這兩個線程中Sleep一段時間,主線程通過GetExitCodeThread來判斷兩個線程是否結束運行:
#define WIN32_LEAN_AND_MEAN #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <windows.h> #include <conio.h> DWORD WINAPI ThreadFunc(LPVOID); int main() { HANDLE hThrd1; HANDLE hThrd2; DWORD exitCode1 = 0; DWORD exitCode2 = 0; DWORD threadId; hThrd1 = CreateThread(NULL, 0, ThreadFunc, (LPVOID)1, 0, &threadId ); if (hThrd1) printf("Thread 1 launched\n"); hThrd2 = CreateThread(NULL, 0, ThreadFunc, (LPVOID)2, 0, &threadId ); if (hThrd2) printf("Thread 2 launched\n"); // Keep waiting until both calls to GetExitCodeThread succeed AND // neither of them returns STILL_ACTIVE. for (;;) { printf("Press any key to exit..\n"); getch(); GetExitCodeThread(hThrd1, &exitCode1); GetExitCodeThread(hThrd2, &exitCode2); if ( exitCode1 == STILL_ACTIVE ) puts("Thread 1 is still running!"); if ( exitCode2 == STILL_ACTIVE ) puts("Thread 2 is still running!"); if ( exitCode1 != STILL_ACTIVE && exitCode2 != STILL_ACTIVE ) break; } CloseHandle(hThrd1); CloseHandle(hThrd2); printf("Thread 1 returned %d\n", exitCode1); printf("Thread 2 returned %d\n", exitCode2); return EXIT_SUCCESS; } /* * Take the startup value, do some simple math on it, * and return the calculated value. */ DWORD WINAPI ThreadFunc(LPVOID n) { Sleep((DWORD)n*1000*2); return (DWORD)n * 10; } |
通過下面的程序我們可以看出多線程程序運行順序的難以預料以及WINAPI的CreateThread函數與C運行時庫的_beginthread的差別:
#define WIN32_LEAN_AND_MEAN #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <windows.h> DWORD WINAPI ThreadFunc(LPVOID); int main() { HANDLE hThrd; DWORD threadId; int i; for (i = 0; i < 5; i++) { hThrd = CreateThread(NULL, 0, ThreadFunc, (LPVOID)i, 0, &threadId); if (hThrd) { printf("Thread launched %d\n", i); CloseHandle(hThrd); } } // Wait for the threads to complete. Sleep(2000); return EXIT_SUCCESS; } DWORD WINAPI ThreadFunc(LPVOID n) { int i; for (i = 0; i < 10; i++) printf("%d%d%d%d%d%d%d%d\n", n, n, n, n, n, n, n, n); return 0; } |
運行的輸出具有很大的隨機性,這里摘取了幾次結果的一部分(幾乎每一次都不同)
下列程序在主線程中創建一個SecondThread,在SecondThread線程中通過自增對Counter計數到1000000,主線程一直等待其結束:
#include <Win32.h> #include <stdio.h> #include <process.h> unsigned Counter; unsigned __stdcall SecondThreadFunc(void *pArguments) { printf("In second thread...\n"); while (Counter < 1000000) Counter++; _endthreadex(0); return 0; } int main() { HANDLE hThread; unsigned threadID; printf("Creating second thread...\n"); // Create the second thread. hThread = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, &SecondThreadFunc, NULL, 0, &threadID); // Wait until second thread terminates WaitForSingleObject(hThread, INFINITE); printf("Counter should be 1000000; it is-> %d\n", Counter); // Destroy the thread object. CloseHandle(hThread); } |