线程同步技术剖析：临界区、时间、…

参考： http://www.cppblog.com/killsound/archive/2009/07/15/16147.html

原文介绍了C++中多线程同步技术。其摘要这样写道： 多线程同步技术是计算机软件开发的重要技术，本文对多线程的各种同步技术的原理和实现进行了初步探讨。

使线程同步 

　　在程序中使用多线程时，一般很少有多个线程能在其生命期内进行完全独立的操作。更多的情况是一些线程进行某些处理操作，而其他的线程必须对其处理结果进行了解。正常情况下对这种处理结果的了解应当在其处理任务完成后进行。

　　如果不采取适当的措施，其他线程往往会在线程处理任务结束前就去访问处理结果，这就很有可能得到有关处理结果的错误了解。例如，多个线程同时访问同一个全局变量，如果都是读取操作，则不会出现问题。如果一个线程负责改变此变量的值，而其他线程负责同时读取变量内容，则不能保证读取到的数据是经过写线程修改后的。

　　为了确保读线程读取到的是经过修改的变量，就必须在向变量写入数据时禁止其他线程对其的任何访问，直至赋值过程结束后再解除对其他线程的访问限制。像这种保证线程能了解其他线程任务处理结束后的处理结果而采取的保护措施即为线程同步。

　　线程同步是一个非常大的话题，包括方方面面的内容。从大的方面讲，线程的同步可分用户模式的线程同步和内核对象的线程同步两大类。用户模式中线程的同步方法主要有原子访问和临界区等方法。其特点是同步速度特别快，适合于对线程运行速度有严格要求的场合。

　　内核对象的线程同步则主要由事件、等待定时器、信号量以及信号灯等内核对象构成。由于这种同步机制使用了内核对象，使用时必须将线程从用户模式切换到内核模式，而这种转换一般要耗费近千个CPU周期，因此同步速度较慢，但在适用性上却要远优于用户模式的线程同步方式。

临界区

　　临界区（Critical Section）是一段独占对某些共享资源访问的代码，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。（"原子操作(atomic operation)是不需要synchronized"，这是Java多线程编程的老生常谈了。所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch （切换到另一个线程）。）

在使用临界区时，一般不允许其运行时间过长，只要进入临界区的线程还没有离开，其他所有试图进入此临界区的线程都会被挂起而进入到等待状态，并会在一定程度上影响。程序的运行性能。尤其需要注意的是不要将等待用户输入或是其他一些外界干预的操作包含到临界区。如果进入了临界区却一直没有释放，同样也会引起其他线程的长时间等待。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。

信号量内核对象

信号量（Semaphore）内核对象对线程的同步方式与前面几种方法不同，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。

在线程离开对共享资源的处理时，必须增加当前可用资源计数。否则将会出现当前正在处理共享资源的实际线程数并没有达到要限制的数值，而其他线程却因为当前可用资源计数为0而仍无法进入的情况。

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。

（注：当信号量限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目为1时，该信号量的作用近似于互斥量。）

互斥内核对象

　　互斥（Mutex）是一种用途非常广泛的内核对象。能够保证多个线程对同一共享资源的互斥访问。同临界区有些类似，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。与其他几种内核对象不同，互斥对象在操作系统中拥有特殊代码，并由操作系统来管理，操作系统甚至还允许其进行一些其他内核对象所不能进行的非常规操作。

在编写程序时，互斥对象多用在对那些为多个线程所访问的内存块的保护上，可以确保任何线程在处理此内存块时都对其拥有可靠的独占访问权。

小结

　　线程的使用使程序处理更够更加灵活，而这种灵活同样也会带来各种不确定性的可能。尤其是在多个线程对同一公共变量进行访问时。虽然未使用线程同步的程序代码在逻辑上或许没有什么问题，但为了确保程序的正确、可靠运行，必须在适当的场合采取线程同步措施。

参考： http://blog.csdn.net/morewindows/article/details/7442333

文章介绍了一种经典多线程同步问题。

程序描述：

主线程启动10个子线程并将表示子线程序号的变量地址作为参数传递给子线程。子线程接收参数 -> sleep(50) -> 全局变量++ -> sleep(0) -> 输出参数和全局变量。

要求：

1．子线程输出的线程序号不能重复。

2．全局变量的输出必须递增。

下面画了个简单的示意图：

分析下这个问题的考察点，主要考察点有二个：

1．主线程创建子线程并传入一个指向变量地址的指针作参数，由于线程启动须要花费一定的时间，所以在子线程根据这个指针访问并保存数据前，主线程应等待子线程保存完毕后才能改动该参数并启动下一个线程。这涉及到 主线程与子线程之间的同步。

2．子线程之间会互斥的改动和输出全局变量。要求全局变量的输出必须递增。这涉及到 各子线程间的互斥。

以下四篇文章运用Windows平台下各种手段包括关键段，事件，互斥量，信号量等等来解决这个问题并作一份全面的总结：

《秒杀多线程第五篇 经典线程同步 关键段CS》

《秒杀多线程第六篇 经典线程同步 事件Event》

《秒杀多线程第七篇 经典线程同步 互斥量Mutex》

《秒杀多线程第八篇 经典线程同步 信号量Semaphore》

而另一篇多线程总结：http://blog.csdn.net/morewindows/article/details/7538247

文章介绍了常用的线程同步互斥机制——关键段、事件、互斥量、信号量。

首先来看下关于线程同步互斥的概念性的知识，相信大家通过前面的文章，已经对线程同步互斥有一定的认识了，也能模糊的说出线程同步互斥的各种概念性知识，下面再列出从《计算机操作系统》一书中选取的一些关于线程同步互斥的描述。相信先有个初步而模糊的印象再看下权威的定义，应该会记忆的特别深刻。

1．线程（进程）同步的主要任务

答：在引入多线程后，由于线程执行的异步性，会给系统造成混乱，特别是在急用临界资源时，如多个线程急用同一台打印机，会使打印结果交织在一起，难于区分。当多个线程急用共享变量，表格，链表时，可能会导致数据处理出错，因此线程同步的主要任务是使并发执行的各线程之间能够有效的共享资源和相互合作，从而使程序的执行具有可再现性。

2．线程（进程）之间的制约关系？

当线程并发执行时，由于资源共享和线程协作，使用线程之间会存在以下两种制约关系。

（1）．间接相互制约。一个系统中的多个线程必然要共享某种系统资源，如共享CPU，共享I/O设备，所谓间接相互制约即源于这种资源共享，打印机就是最好的例子，线程A在使用打印机时，其它线程都要等待。

（2）．直接相互制约。这种制约主要是因为线程之间的合作，如有线程A将计算结果提供给线程B作进一步处理，那么线程B在线程A将数据送达之前都将处于阻塞状态。

间接相互制约可以称为互斥，直接相互制约可以称为同步，对于互斥可以这样理解，线程A和线程B互斥访问某个资源则它们之间就会产个顺序问题——要么线程A等待线程B操作完毕，要么线程B等待线程操作完毕，这其实就是线程的同步了。因此同步包括互斥，互斥其实是一种特殊的同步。

3．临界资源和临界区

在一段时间内只允许一个线程访问的资源就称为临界资源或独占资源，计算机中大多数物理设备，进程中的共享变量等待都是临界资源，它们要求被互斥的访问。每个进程中访问临界资源的代码称为临界区

看完概念性知识，下面用几个表格来帮助大家更好的记忆和运用多线程同步互斥的四个实现方法——关键段、事件、互斥量、信号量。

关键段CS与互斥量Mutex

	创建或初始化	销毁	进入互斥区域	离开互斥区域
关键段CS	Initialize- CriticalSection	Delete- CriticalSection	Enter- CriticalSection	Leave- CriticalSection
互斥量Mutex	CreateMutex	CloseHandle	等待系列函数如WaitForSingleObject	ReleaseMutex

关键段与互斥量都有“线程所有权”概念，可以将“线程所有权”理解成旅馆的房卡，在旅馆前台登记名字拥有房卡后是可以多次进出房间的，其它人则无法进入直到你交出房卡。每个线程必须先通过EnterCriticalSection或WaitForSingleObject来尝试获得“线程所有权”才能调用LeaveCriticalSection或ReleaseMutex。否则会调用失败，这就相当于伪造房卡去办理退房手续——由于登记本上没有你的名字所以会被拒绝。

互斥量能很好的处理“遗弃”情况，因此在多进程之间可以放心的使用。

事件Event 

	创建	销毁	使事件触发	使事件未触发
事件Event	CreateEvent	CloseHandle	SetEvent	ResetEvent

注意事件的手动置位和自动置位要分清楚，不要混淆了。

信号量Semaphore

	创建	销毁	递减计数	递增计数
信号量 Semaphore	Create- Semaphore	CloseHandle	等待系列函数如WaitForSingleObject	Release- Semaphore

信号量在计数大于0时表示触发状态，调用WaitForSingleObject不会阻塞，等于0表示未触发状态，调用WaitForSingleObject会阻塞直到有其它线程递增了计数。

注意：互斥量，事件，信号量都是内核对象，可以跨进程使用（通过OpenMutex，OpenEvent，OpenSemaphore）。不过为什么只有互斥量能解决“遗弃”情况了，请看《秒杀多线程第十五篇 关键段,事件,互斥量,信号量的“遗弃”问题》。