C/C++拾遗（二十七）：Windows多线程

     进程是系统中的重要概念，简单来说字面的意思就是一个运行中的程序，但是程序代表的是静态的指令代码。进程由系统管理的内核对象和存放程序运行资源的地址空间组成。内核对象由系统管理，因此应用程序是无法直接访问的；地址空间中则包含着程序运行所需的所有资源，如可执行模块、DLL、代码和数据，以及动态分配的栈与堆。可以说，其实进程就是程序运行的资源的容器。但是进程只是为程序的执行提供了一个场所，真正实现执行流程的是线程。每个进程启动时都会自动建立一个线程作为主线程，由它去创建其他的线程。线程与进程相比更为轻量级，二者的主要联系在于：
1. 线程创建在进程的地址空间中，对于进程资源有着完全访问权限，多线程间共享资源，可自由通信；
2. 线程建立时也有自己的内核对象和线程栈，而非地址空间；
3. 一般需要实现多任务时我们更推荐使用线程实现，因为创建一个进程需要分配地址空间，而且进程间的切换也很不方便，即使用进程开销很高；

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一、创建多线程
     简单了解了进程与线程的概念之后，我们来看看如何在程序中创建线程。Windows SDK为我们提供了创建线程的专用函数：CreateThread()

HANDLE CreateThread(
  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsa,
  DWORD cbStack,
  LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddr,
  LPVOID lpvThreadParam,
  DWORD fdwCreate,
  LPDWORD lpIDThread
);

-1-第一个参数是安全属性结构，主要控制该线程句柄是否可为进程的子进程继承使用，默认使用NULL时表示不能继承；若想继承线程句柄，则需要设置该结构体，将结构体的bInheritHandle成员初始化为TRUE；
-2-cbStack表示的线程初始栈的大小，若使用0则表示采用默认大小初始化；
-3-lpStartAddr表示线程开始的位置，即线程要执行的函数代码，这点有点类似于回调函数的使用；
-4-lpvThreadParam用来接收线程过程函数的参数，不需要时可以设置为NULL；
-5-fdwCreate表示创建线程时的标志，CREATE_SUSPENDED表示线程创建后挂起暂不执行，必须调用ResumeThread才可以执行，0表示线程创建之后立即执行
-6-lpIDThread用来保存线程的ID；
     了解了CreateThread函数的用法，我们来看一个例子实际体验一下。下面的例子会开启一个线程循环输出信息，我们可以查看结果：

//MultiThread

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <windows.h>
using namespace std;

DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID lpParameter);


int main()
{

    int j = 0;

    HANDLE hThread_1 = CreateThread(NULL, 0, Fun1Proc, NULL, 0, NULL);
    CloseHandle(hThread_1);

    while (j++ < 1000)
     cout << "MainThread is running for" << " the "<< j <<" times "<<endl;

    system("pause");
    return 0;


}


DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID lpParameter)
{
      int i = 0;
      while (i++ < 1000)
          cout << "Thread 1 is running for" <<" the "<< i <<" times "<<endl;

      return 0;
      }

      由于我们使用system("pause")命令，因此我们不需要Sleep()命令同样可以看到主线程和分线程的交替执行：

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二、多线程的问题
     上面的程序我们只是建立一个新线程，如果建立两个呢？下面我们模拟一个火车售票的模型，线程1和线程2同时负责售票，主线程负责平台搭建。线程1和线程2分别访问全局变量tickets，输出其值作为票号然后将其值减一，直至“售完”所有票：

//MultiThread

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <windows.h>
using namespace std;

DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID lpParameter);
DWORD WINAPI Fun2Proc(LPVOID lpParameter);

int tickets = 100;

int main()
{

    HANDLE hThread_1 = CreateThread(NULL, 0, Fun1Proc, NULL, 0, NULL);
    HANDLE hThread_2 = CreateThread(NULL, 0, Fun2Proc, NULL, 0, NULL);
    CloseHandle(hThread_1);
    CloseHandle(hThread_2);

    system("pause");
    return 0;


}


DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID lpParameter)
{

      while (true)
      {
            if (tickets > 0)
            {
                 Sleep(10);
                 cout << "Thread 1 sell ticket : "<<tickets--<<endl;
                 }
            else
                 break;
            }
      return 0;
      }

DWORD WINAPI Fun2Proc(LPVOID lpParameter)
{

       while (true)
      {

            if (tickets > 0)
            {
                 Sleep(10);
                 cout << "Thread 2 sell ticket : "<<tickets--<<endl;
                 }
            else
                 break;

            }
      return 0;
      }

      再次运行之后结果：

     分析下上面的结果，首先线程1和线程2确实交替运行“购票”了，其次看到不规则的输出，1314连到一起。关于这点我们要知道由于CPU是执行分片处理的，即不同的线程会得到不同的时间片来执行程序，尤其是对于单CPU来说更是如此，因此当线程1执行到"Thread 1 sell ticket"时结束分片，由线程2继续执行；线程2执行到同样位置再次交还给线程1继续执行显示“13”，然后线程2执行显示“14”。这样看好像也没有问题，但是问题在于最后出现了“0”，我们的代码中是不允许出现0的，之所以这样，同上面的元婴一样，在线程1执行到ticket = 1时交接给了线程2执行，并且输出了其值1，然后线程1继续输出了当前值0.此时的if条件就失去作用了。虽然这种情况不一定总是发生，但是在实际的操作中是很有可能出现的，而且排查起来也很困难。那么我们该如何解决呢？
     问题的关键在于线程1和线程2同时访问了全局变量tickets，导致了错误；那么我们的解决方案就是将全局变量的访问控制起来就可以了，不允许同时有多个线程同时访问该变量。我们使用互斥量来实现。

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三、互斥量的应用
     使用互斥量并不困难，核心步骤如下：
-1-CreateMutex创建一个互斥量：

HANDLE CreateMutex(
  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,
  BOOL bInitialOwner,
  LPCTSTR lpName
);

      第一个参数同样是安全结构，默认是NULL不能继承句柄；第二个参数为FALSE时创建Mutex时不指定所有权，若为TRUE则指定为当前的创建线程ID为所有者，其他线程访问需要先ReleaseMutex；第三个参数用于设置Mutex名，后续我们会说明，为NULL时表示是匿名互斥量。
-2-WaitForSingleObject()：请求一个互斥量的访问权；
-3-ReleaseMutex()：释放一个互斥量的访问权；
     好了，我们再来看看应用了互斥量的改进程序：

//MultiThread

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <windows.h>
using namespace std;

DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID lpParameter);
DWORD WINAPI Fun2Proc(LPVOID lpParameter);

int tickets = 100;
HANDLE hMutex;

int main()
{


    hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);

    HANDLE hThread_1 = CreateThread(NULL, 0, Fun1Proc, NULL, 0, NULL);
    HANDLE hThread_2 = CreateThread(NULL, 0, Fun2Proc, NULL, 0, NULL);
    CloseHandle(hThread_1);
    CloseHandle(hThread_2);


    system("pause");
    return 0;


}


DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID lpParameter)
{

      while (true)
      {
            WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
            if (tickets > 0)
            {
                 Sleep(10);
                 cout << "Thread 1 sell ticket : "<<tickets--<<endl;
                 }
            else
                 break;
            ReleaseMutex(hMutex);
            }
      return 0;
      }

DWORD WINAPI Fun2Proc(LPVOID lpParameter)
{

       while (true)
      {
            WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
            if (tickets > 0)
            {
                Sleep(10);
                 cout << "Thread 2 sell ticket : "<<tickets--<<endl;
                 }
            else
                 break;
            ReleaseMutex(hMutex);
            }
      return 0;
      }

      这次运行之后的结果不会出现上面的错误了：

      互斥量还有一个小应用，利用命名互斥量来保证只有一个程序实例运行。我们可以创建一个命名互斥量，当程序要重复运行时，检查互斥量的返回值，若为ERROR_ALREADY_EXISTS则表示已经有一个实例运行了，直接return即可。在源程序中添加以下代码：

//确保只有一个实例运行
    HANDLE hMutex_1 = CreateMutex(NULL, TRUE, "tickets");
    if (hMutex_1)
    {
               if (ERROR_ALREADY_EXISTS == GetLastError())
               {
                       cout << "Only one instance can run !" << endl;
                       system("pause");
                       return 0;
                                        }
               }