进程线程同步互斥的控制机制

现在流行的进程线程同步互斥的控制机制，其实是由最原始最基本的4种方法实现的。由这4种方法组合优化就有了.Net和Java下灵活多变的，编程简便的线程进程控制手段。
　　1临界区:通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问。
　　2互斥量:为协调共同对一个共享资源的单独访问而设计的。
　　3信号量:为控制一个具有有限数量用户资源而设计。
　　4事 件:用来通知线程有一些事件已发生，从而启动后继任务的开始。

　　临界区（Critical Section）
　　保证在某一时刻只有一个线程能访问数据的简便办法。在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问。如果有多个线程试图同时访问临界区，那么在有一个线 程进入后其他所有试图访问此临界区的线程将被挂起，并一直持续到进入临界区的线程离开。临界区在被释放后，其他线程可以继续抢占，并以此达到用原子方式操 作共享资源的目的。

　　临界区包含两个操作原语：
    EnterCriticalSection（）
    进入临界区 LeaveCriticalSection（）
    离开临界区 EnterCriticalSection（）语句执行后代码将进入临界区以后无论发生什么，必须确保与之匹配的 LeaveCriticalSection（）都能够被执行到。否则临界区保护的共享资源将永远不会被释放。虽然临界区同步速度很快，但却只能用来同步本 进程内的线程，而不可用来同步多个进程中的线程。

　　MFC提供了很多功能完备的类，我用MFC实现了临界区。MFC为临界区提供有一个CCriticalSection类，使用该类进行线程同步 处理是非常简单的。只需在线程函数中用CCriticalSection类成员函数Lock（）和UnLock（）标定出被保护代码片段即可。 Lock（）后代码用到的资源自动被视为临界区内的资源被保护。UnLock后别的线程才能访问这些资源。

代码:  
view plaincopy to clipboardprint?
//CriticalSection   
CCriticalSection global_CriticalSection;   

// 共享资源   
char global_Array[256];   

//初始化共享资源   
void InitializeArray()   
{   
   for(int i = 0;i<256;i++)   
   {   
   global_Array[i]=I;   
   }   
}   

//写线程   
UINT Global_ThreadWrite(LPVOID pParam)   
{   
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;   
   ptr->SetWindowText("");   
   //进入临界区   
global_CriticalSection.Lock();   
   for(int i = 0;i<256;i++)   
   {   
   global_Array[i]=W;   
   ptr->SetWindowText(global_Array);   
   Sleep(10);   
   }   

　//离开临界区   
   global_CriticalSection.Unlock();   
   return 0;   
}   

//删除线程   
UINT Global_ThreadDelete(LPVOID pParam)   
{   
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;   
   ptr->SetWindowText("");   

   //进入临界区   
   global_CriticalSection.Lock();   
   for(int i = 0;i<256;i++)   
   {   
   global_Array[i]=D;   
   ptr->SetWindowText(global_Array);   
   Sleep(10);   
   }   
  
　//离开临界区   
   global_CriticalSection.Unlock();   
   return 0;   
}   

//创建线程并启动线程   
void CCriticalSectionsDlg::OnBnClickedButtonLock()   
{   
   //Start the first Thread   
   CWinThread *ptrWrite = AfxBeginThread(Global_ThreadWrite, &m_Write, HREAD_PRIORITY_NORMAL,0,CREATE_SUSPENDED);   
   ptrWrite->ResumeThread();   
   　   
   //Start the second Thread   
   CWinThread *ptrDelete = AfxBeginThread(Global_ThreadDelete, &m_Delete,THREAD_PRIORITY_NORMAL, 0,CREATE_SUSPENDED);   
ptrDelete->ResumeThread();   

}   

//CriticalSection
CCriticalSection global_CriticalSection;

// 共享资源
char global_Array[256];
//初始化共享资源
void InitializeArray()
{
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=I;
   }
}

//写线程
UINT Global_ThreadWrite(LPVOID pParam)
{
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   //进入临界区
global_CriticalSection.Lock();
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=W;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }

　//离开临界区
   global_CriticalSection.Unlock();
   return 0;
}

//删除线程
UINT Global_ThreadDelete(LPVOID pParam)
{
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   //进入临界区
   global_CriticalSection.Lock();
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=D;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }
　//离开临界区
   global_CriticalSection.Unlock();
   return 0;
}
//创建线程并启动线程
void CCriticalSectionsDlg::OnBnClickedButtonLock()
{
   //Start the first Thread
   CWinThread *ptrWrite = AfxBeginThread(Global_ThreadWrite,&m_Write,THREAD_PRIORITY_NORMAL,0,CREATE_SUSPENDED);

   ptrWrite->ResumeThread();    　

   //Start the second Thread
   CWinThread *ptrDelete = AfxBeginThread(Global_ThreadDelete,&m_Delete,THREAD_PRIORITY_NORMAL,0,CREATE_SUSPENDED);
   ptrDelete->ResumeThread();
} view plaincopy to clipboardprint?
　在测试程序中，Lock UnLock两个按钮分别实现，在有临界区保护共享资源的执行状态，和没有临界区保护共享资源的执行状态。

互斥量（Mutex）

　　互斥量跟临界区很相似，只有拥有互斥对象的线程才具有访问资源的权限，由于互斥对象只有一个，因此就决定了任何情况下此共享资源都不会同时被多 个线程所访问。当前占据资源的线程在任务处理完后应将拥有的互斥对象交出，以便其他线程在获得后得以访问资源。互斥量比临界区复杂。因为使用互斥不仅仅能 够在同一应用程序不同线程中实现资源的安全共享，而且可以在不同应用程序的线程之间实现对资源的安全共享。

　　互斥量包含的几个操作原语： 　
CreateMutex（） 创建一个互斥量 　
OpenMutex（） 打开一个互斥量 　
ReleaseMutex（） 释放互斥量 　
WaitForMultipleObjects（） 等待互斥量对象

　　同样MFC为互斥量提供有一个CMutex类。使用CMutex类实现互斥量操作非常简单，但是要特别注意对CMutex的构造函数的调用 　　 　　CMutex( BOOL bInitiallyOwn = FALSE, LPCTSTR lpszName = NULL, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsaAttribute = NULL)

　　不用的参数不能乱填，乱填会出现一些意想不到的运行结果。

代码:

view plaincopy to clipboardprint?//创建互斥量    
CMutex global_Mutex(0,0,0);
// 共享资源   
char global_Array[256];   
void InitializeArray()   
{   
for(int i = 0;i<256;i++)   
{   
global_Array[i]=I;   
}   
}   

UINT Global_ThreadWrite(LPVOID pParam)   
{   
CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;   
ptr->SetWindowText("");   
global_Mutex.Lock();   
for(int i = 0;i<256;i++)   
{   
global_Array[i]=W;   
ptr->SetWindowText(global_Array);   
Sleep(10);   
}   
global_Mutex.Unlock();   
return 0;   
}   
     
UINT Global_ThreadDelete(LPVOID pParam)   
{   
CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;   
ptr->SetWindowText("");   
global_Mutex.Lock();   
for(int i = 0;i<256;i++)   
{   
global_Array[i]=D;   
ptr->SetWindowText(global_Array);   
Sleep(10);   
}   

global_Mutex.Unlock();   
return 0;   
}   

//创建互斥量
CMutex global_Mutex(0,0,0);

// 共享资源
char global_Array[256];
void InitializeArray()
{
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=I;
   }
}

UINT Global_ThreadWrite(LPVOID pParam)
{
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   global_Mutex.Lock();
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=W;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }

   global_Mutex.Unlock();
   return 0;
}

UINT Global_ThreadDelete(LPVOID pParam)
{
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   global_Mutex.Lock();
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=D;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }

   global_Mutex.Unlock();
   return 0;
}
　　同样在测试程序中，Lock UnLock两个按钮分别实现，在有互斥量保护共享资源的执行状态，和没有互斥量保护共享资源的执行状态。

　　信号量（Semaphores）

　　信号量对象对线程的同步方式与前面几种方法不同，信号允许多个线程同时使用共享资源，这与操作系统中的PV操作相同。它指出了同时访问共享资源 的线程最大数目。它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目。在用CreateSemaphore（）创建 信号量时即要同时指出允许的最大资源计数和当前可用资源计数。一般是将当前可用资源计数设置为最大资源计数，每增加一个线程对共享资源的访问，当前可用资 源计数就会减1，只要当前可用资源计数是大于0的，就可以发出信号量信号。但是当前可用计数减小到0时则说明当前占用资源的线程数已经达到了所允许的最大 数目，不能在允许其他线程的进入，此时的信号量信号将无法发出。线程在处理完共享资源后，应在离开的同时通过ReleaseSemaphore（）函数将 当前可用资源计数加1。在任何时候当前可用资源计数决不可能大于最大资源计数。

　　PV操作及信号量的概念都是由荷兰科学家E.W.Dijkstra提出的。信号量S是一个整数，S大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数，但S小于零时则表示正在等待使用共享资源的进程数。

　　 P操作申请资源： 　　
（1）S减1； 　　
（2）若S减1后仍大于等于零，则进程继续执行
（3）若S减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转入进程调度。 　　

　V操作 释放资源： 　　

（1）S加1； 　　
（2）若相加结果大于零，则进程继续执行； 　　
（3）若相加结果小于等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一个等待进程，然后再返回原进程继续执行或转入进程调度。

　　信号量包含的几个操作原语： 　　
CreateSemaphore（） 创建一个信号量 　　
OpenSemaphore（） 打开一个信号量 　　
ReleaseSemaphore（） 释放信号量 　　
WaitForSingleObject（） 等待信号量

代码:  

view plaincopy to clipboardprint?
//信号量句柄   
HANDLE global_Semephore;   

// 共享资源   
char global_Array[256];   
void InitializeArray()   
{   
   for(int i = 0;i<256;i++)   
   {   
   global_Array[i]=I;   
   }   
}   

　//线程1   
UINT Global_ThreadOne(LPVOID pParam)   
{   
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;   
   ptr->SetWindowText("");   
   //等待对共享资源请求被通过 等于 P操作   
WaitForSingleObject(global_Semephore, INFINITE);   
   for(int i = 0;i<256;i++)   
   {   
   global_Array[i]=O;   
   ptr->SetWindowText(global_Array);   
   Sleep(10);   
   }   

//释放共享资源 等于 V操作   
   ReleaseSemaphore(global_Semephore, 1, NULL);   
   return 0;   
}   

UINT Global_ThreadTwo(LPVOID pParam)   
{   
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;   
   ptr->SetWindowText("");   
   WaitForSingleObject(global_Semephore, INFINITE);   
   for(int i = 0;i<256;i++)   
   {   
   global_Array[i]=T;   
   ptr->SetWindowText(global_Array);   
   Sleep(10);   
   }   
   ReleaseSemaphore(global_Semephore, 1, NULL);   
   return 0;   
}   

UINT Global_ThreadThree(LPVOID pParam)   
{   
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;   
   ptr->SetWindowText("");   
   WaitForSingleObject(global_Semephore, INFINITE);   
   for(int i = 0;i<256;i++)   
   {   
   global_Array[i]=H;   
   ptr->SetWindowText(global_Array);   
   Sleep(10);   
   }   
   ReleaseSemaphore(global_Semephore, 1, NULL);   
   return 0;   
}   

void CSemaphoreDlg::OnBnClickedButtonOne()   
{   
   //设置信号量 1 个资源 1同时只可以有一个线程访问   
   global_Semephore= CreateSemaphore(NULL, 1, 1, NULL);   
   this->StartThread();   
}   

void CSemaphoreDlg::OnBnClickedButtonTwo()   
{   
   //设置信号量 2 个资源 2 同时只可以有两个线程访问   
   global_Semephore= CreateSemaphore(NULL, 2, 2, NULL);   
   this->StartThread();   
}   

void CSemaphoreDlg::OnBnClickedButtonThree()   
{   
//设置信号量 3 个资源 3 同时只可以有三个线程访问   
   global_Semephore= CreateSemaphore(NULL, 3, 3, NULL);   
   this->StartThread();   
}   

//信号量句柄
HANDLE global_Semephore;

// 共享资源
char global_Array[256];
void InitializeArray()
{
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=I;
   }
}

　//线程1
UINT Global_ThreadOne(LPVOID pParam)
{
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   //等待对共享资源请求被通过 等于 P操作
WaitForSingleObject(global_Semephore, INFINITE);
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=O;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }
//释放共享资源 等于 V操作
   ReleaseSemaphore(global_Semephore, 1, NULL);
   return 0;
}

UINT Global_ThreadTwo(LPVOID pParam)
{
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   WaitForSingleObject(global_Semephore, INFINITE);
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=T;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }
   ReleaseSemaphore(global_Semephore, 1, NULL);
   return 0;
}

UINT Global_ThreadThree(LPVOID pParam)
{
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   WaitForSingleObject(global_Semephore, INFINITE);
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=H;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }
   ReleaseSemaphore(global_Semephore, 1, NULL);
   return 0;
}
   
void CSemaphoreDlg::OnBnClickedButtonOne()
{
   //设置信号量 1 个资源 1同时只可以有一个线程访问
   global_Semephore= CreateSemaphore(NULL, 1, 1, NULL);
   this->StartThread();
}

void CSemaphoreDlg::OnBnClickedButtonTwo()
{
   //设置信号量 2 个资源 2 同时只可以有两个线程访问
   global_Semephore= CreateSemaphore(NULL, 2, 2, NULL);
   this->StartThread();
}

void CSemaphoreDlg::OnBnClickedButtonThree()
{
//设置信号量 3 个资源 3 同时只可以有三个线程访问
   global_Semephore= CreateSemaphore(NULL, 3, 3, NULL);
   this->StartThread();
}

　　信号量的使用特点使其更适用于对Socket（套接字）程序中线程的同步。例如，网络上的HTTP服务器要对同一时间内访问同一页面的用户数加 以限制，这时可以为每一个用户对服务器的页面请求设置一个线程，而页面则是待保护的共享资源，通过使用信号量对线程的同步作用可以确保在任一时刻无论有多 少用户对某一页面进行访问，只有不大于设定的最大用户数目的线程能够进行访问，而其他的访问企图则被挂起，只有在有用户退出对此页面的访问后才有可能进 入。 事件（Event）

　　事件对象也可以通过通知操作的方式来保持线程的同步。并且可以实现不同进程中的线程同步操作。

　　信号量包含的几个操作原语： 　　CreateEvent（） 创建一个信号量 　　OpenEvent（） 打开一个事件 　　SetEvent（） 回置事件 　　WaitForSingleObject（） 等待一个事件 　　WaitForMultipleObjects（）　等待多个事件

　　WaitForMultipleObjects 函数原型： 　

　WaitForMultipleObjects（ 　　IN DWORD nCount, // 等待句柄数 　　IN CONST HANDLE *lpHandles, //指向句柄数组 　　IN BOOL bWaitAll, //是否完全等待标志 　　IN DWORD dwMilliseconds //等待时间 　　）

　　参数nCount指定了要等待的内核对象的数目，存放这些内核对象的数组由lpHandles来指向。fWaitAll对指定的这nCount 个内核对象的两种等待方式进行了指定，为TRUE时当所有对象都被通知时函数才会返回，为FALSE则只要其中任何一个得到通知就可以返回。 dwMilliseconds在这里的作用与在WaitForSingleObject（）中的作用是完全一致的。如果等待超时，函数将返回 WAIT_TIMEOUT。

代码:
view plaincopy to clipboardprint?
//事件数组   
HANDLE global_Events[2];   
// 共享资源   
char global_Array[256];   
void InitializeArray()   
{   
for(int i = 0;i<256;i++)   
{   
global_Array[i]=I;   
}   
}   
    
UINT Global_ThreadOne(LPVOID pParam)   
{   
CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;   
ptr->SetWindowText("");   
for(int i = 0;i<256;i++)   
{   
global_Array[i]=O;   
ptr->SetWindowText(global_Array);   
Sleep(10);   
}   

//回置事件   
SetEvent(global_Events[0]);   
return 0;   
}   

UINT Global_ThreadTwo(LPVOID pParam)   
{   
CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;   
ptr->SetWindowText("");   
for(int i = 0;i<256;i++)   
{   
global_Array[i]=T;   
ptr->SetWindowText(global_Array);   
Sleep(10);   
}   

//回置事件   
SetEvent(global_Events[1]);   
return 0;   
}   

UINT Global_ThreadThree(LPVOID pParam)   
{   
CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;   
ptr->SetWindowText("");   

//等待两个事件都被回置   
WaitForMultipleObjects(2, global_Events, true, INFINITE);   
for(int i = 0;i<256;i++)   
{   
global_Array[i]=H;   
ptr->SetWindowText(global_Array);   
Sleep(10);   
}   
return 0;   
}   

void CEventDlg::OnBnClickedButtonStart()   
{   
for (int i = 0; i < 2; i++)   
{   
//实例化事件   
global_Events[i]=CreateEvent(NULL,false,false,NULL);   
}   
CWinThread *ptrOne = AfxBeginThread(Global_ThreadOne,&m_One,THREAD_PRIORITY_NORMAL,0,CREATE_SUSPENDED);   
ptrOne->ResumeThread();   

//Start the second Thread   
CWinThread *ptrTwo = AfxBeginThread(Global_ThreadTwo,&m_Two,THREAD_PRIORITY_NORMAL,0,CREATE_SUSPENDED);   
ptrTwo->ResumeThread();   

//Start the Third Thread   
CWinThread *ptrThree = AfxBeginThread(Global_ThreadThree,&m_Three,THREAD_PRIORITY_NORMAL,0,CREATE_SUSPENDED);   
ptrThree->ResumeThread();   

// TODO: Add your control notification handler code here   
}  
//事件数组
HANDLE global_Events[2];
// 共享资源
char global_Array[256];
void InitializeArray()
{
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=I;
   }
}

UINT Global_ThreadOne(LPVOID pParam)
{
CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=O;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }

//回置事件
   SetEvent(global_Events[0]);
   return 0;
}
   
UINT Global_ThreadTwo(LPVOID pParam)
{
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=T;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }

//回置事件
   SetEvent(global_Events[1]);
   return 0;
}
   
UINT Global_ThreadThree(LPVOID pParam)
{
   CEdit *ptr=(CEdit *)pParam;
   ptr->SetWindowText("");

//等待两个事件都被回置
   WaitForMultipleObjects(2, global_Events, true, INFINITE);
   for(int i = 0;i<256;i++)
   {
   global_Array[i]=H;
   ptr->SetWindowText(global_Array);
   Sleep(10);
   }
   return 0;
}
void CEventDlg::OnBnClickedButtonStart()
{
   for (int i = 0; i < 2; i++)
   {
//实例化事件
   global_Events[i]=CreateEvent(NULL,false,false,NULL);
   }
   CWinThread *ptrOne = AfxBeginThread(Global_ThreadOne, &m_One, THREAD_PRIORITY_NORMAL, 0, CREATE_SUSPENDED);
   ptrOne->ResumeThread();
   
   //Start the second Thread
   CWinThread *ptrTwo = AfxBeginThread(Global_ThreadTwo, &m_Two, THREAD_PRIORITY_NORMAL, 0, CREATE_SUSPENDED);
   ptrTwo->ResumeThread();
   //Start the Third Thread
   CWinThread *ptrThree = AfxBeginThread(Global_ThreadThree, &m_Three, THREAD_PRIORITY_NORMAL, 0, CREATE_SUSPENDED);
   ptrThree->ResumeThread();
}

　　事件可以实现不同进程中的线程同步操作，并且可以方便的实现多个线程的优先比较等待操作，例如写多个WaitForSingleObject来代替WaitForMultipleObjects从而使编程更加灵活。 总结：

　　1． 互斥量与临界区的作用非常相似，但互斥量是可以命名的，也就是说它可以跨越进程使用。所以创建互斥量需要的资源更多，所以如果只为了在进程内部是用的话使 用临界区会带来速度上的优势并能够减少资源占用量。因为互斥量是跨进程的互斥量一旦被创建，就可以通过名字打开它。

　　2． 互斥量（Mutex），信号灯（Semaphore），事件（Event）都可以被跨越进程使用来进行同步数据操作，而其他的对象与数据同步操作无关，但 对于进程和线程来讲，如果进程和线程在运行状态则为无信号状态，在退出后为有信号状态。所以可以使用WaitForSingleObject来等待进程和 线程退出。

　　3． 通过互斥量可以指定资源被独占的方式使用，但如果有下面一种情况通过互斥量就无法处理，比如现在一位用户购买了一份三个并发访问许可的数据库系统，可以根 据用户购买的访问许可数量来决定有多少个线程/进程能同时进行数据库操作，这时候如果利用互斥量就没有办法完成这个要求，信号灯对象可以说是一种资源计数 器。