Windows线程同步的方法
Summary：
对于多线程编程，一个很重要的问题就是解决由数据共享引起的数据竞争的问题，通过一定的线程同步的方法能避免数据竞争。在Win32多线程中，同步方法包括用户态同步方式：InterLock、CriticalSection、SRWLock和内核态同步方式：Event、Semaphore、Mutex等。
本文主要目的是收集这些同步的方法和涉及到API的含义和使用，可能不会涉及到更深入的比如何时使用何种方式更好以及为什么，更深入的问题，单独在以后积累并记录。
一、数据竞争的例子
在分析同步的方法之前，先给出要解决的数据竞争的例子：
#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <Windows.h>
#include <process.h>
long g = 0;
#define THREAD_COUNT 10 // 线程数
#define ACCESS_TIMES 10000000 // 访问共享变量的次数，增大其值，增加数据竞争发生的可能性
void __cdecl ThreadProc(void *para)
{
printf("sub thread started\n");
for (int i = 0;i < ACCESS_TIMES;i++)
g = g + 1;
printf("sub thread finished\n");
_endthread(); // 可以省略，隐含会调用。
}
int main(int argc, char* argv[])
{
HANDLE hThread[THREAD_COUNT];
for(int i =0;i < THREAD_COUNT;i++)
hThread[i] = (HANDLE)_beginthread(ThreadProc,0,NULL);
for(int i = 0;i < THREAD_COUNT;i++)
WaitForSingleObject(hThread[i],INFINITE);
// 检查结果
if (g == ACCESS_TIMES*THREAD_COUNT)
printf("Correct Result!\n");
else
printf("Error Result!\n");
}
如果程序输出Error Result，说明发生了数据竞争。
二、用户态同步
需要注意的是，由于用户态到内核态的转换需要一定的开销，所以如果能在用户态进行同步控制，尽量选择用户态的方式。
（1）InterLocked原子操作
InterLocked是一系列的方法，提供了原子操作的实现。原子操作比较容易理解，直接调用对应的API就能进行简单的同步了，但是这种方式，显然只能适用于简单的预定义的一些操作方法，比如自增、自减、加法等，具体有哪些方法，可以参考MSDN（http://msdn.microsoft.com/zh-cn/site/ms684122）
对于上面的数据竞争的例子，显然可以使用自增的原子操作来解决了，对于自增操作，MS提供了InterlockedIncrement()和InterlockedIncrement64()来完成原子操作，分别操作32位和64位的整数(long,long long)，参数为要进行自增的变量的地址。只需要将上述代码中，“g=g+1"修改为：
InterlockedIncrement(&g); // g = g + 1;
即可解决数据竞争问题。
（2）Critical Section临界区
百度百科：不论是硬件临界资源，还是软件临界资源，多个进程必须互斥地对它进行访问。每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区（Critical Section）（临界资源是一次仅允许一个进程使用的共享资源）。每次只准许一个进程进入临界区，进入后不允许其他进程进入。不论是硬件临界资源，还是软件临界资源，多个进程必须互斥地对它进行访问。
与临界区相关的函数有：
EnterCriticalSection LeaveCriticalSectionInitializeCriticalSectionDeleteCriticalSectionTryEnterCriticalSection
EnterCriticalSection和LeaveCriticalSection是一对操作，表示进入和离开临界区，同步控制一段代码的访问，即在这两个函数之间调用的代码，每次只允许一个线程执行。
InitializeCriticalSection和DeleteCriticalSection也是一对操作，分别是初始化和删除临界区（变量），在使用临界区的时候，需要定义一个临界区变量，代表一个临界区资源。所以，一个程序可以使用多个临界区变量来进行不同的代码段的保护。在调用EnterCriticalSection的时候，如果临界区被其它线程占有，那么当前线程会等待资源，知道其它线程退出临界区。TryEnterCriticalSection函数就是用来尝试进入临界区，如果无法进入临界区(临界区被占有)，那么返回FALSE，不会阻塞线程。
下面是使用临界区解决上述问题的代码：
#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <Windows.h>
#include <process.h>
long g = 0;
CRITICAL_SECTION g_cs; // 定义临界区
#define THREAD_COUNT 10 // 线程数
#define ACCESS_TIMES 10000000 // 访问共享变量的次数，增大其值，增加数据竞争发生的可能性
void __cdecl ThreadProc(void *para)
{
printf("sub thread started\n");
for (int i = 0;i < ACCESS_TIMES;i++)
{
EnterCriticalSection(&g_cs); // 进入临界区
g = g + 1;
LeaveCriticalSection(&g_cs); // 退出临界区
}
printf("sub thread finished\n");
_endthread(); // 可以省略，隐含会调用。
}
int main(int argc, char* argv[])
{
InitializeCriticalSection(&g_cs); // 初始化临界区
HANDLE hThread[THREAD_COUNT];
for(int i =0;i < THREAD_COUNT;i++)
hThread[i] = (HANDLE)_beginthread(ThreadProc,0,NULL);
for(int i = 0;i < THREAD_COUNT;i++)
WaitForSingleObject(hThread[i],INFINITE);
DeleteCriticalSection(&g_cs); // 删除临界区
// 检查结果
if (g == ACCESS_TIMES*THREAD_COUNT)
printf("Correct Result!\n");
else
printf("Error Result!\n");
}可见，临界区能保护一个代码块，使用起来比原子操作更灵活。
（3）SRWLOCK读写锁
关于读写锁：http://baike.baidu.com/view/2214179.htm（百度百科）
读写锁实际是一种特殊的自旋锁，它把对共享资源的访问者划分成读者和写者，读者只对共享资源进行读访问，写者则需要对共享资源进行写操作。这种锁相对于自旋锁而言，能提高并发性，因为在多处理器系统中，它允许同时有多个读者来访问共享资源，最大可能的读者数为实际的逻辑CPU数。写者是排他性的，一个读写锁同时只能有一个写者或多个读者（与CPU数相关），但不能同时既有读者又有写者。
说明：在win32中，自旋锁是内核定义，且只能在内核状态下使用的一种锁机制。所以一般的程序不会用到，需要一定的要求。而SRWLOCK读写锁是用户态下的读写锁。
从使用上，SRWLOCK和临界区的使用非常类似，读写锁和临界区的主要区别是，读写锁对共享资源的访问区分了读者和写者分离的功能。所以，SRWLOCK比临界区多了一些方法。
与SRWLOCK相关的函数主要有：（具体可参考http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/aa904937.aspx介绍所有的读写锁相关的API）
AcquireSRWLockShared
AcquireSRWLockExclusive
ReleaseSRWLockShared
ReleaseSRWLockExclusive
InitializeSRWLock
TryAcquireSRWLockExclusive
TryAcquireSRWLockShared
SleepConditionVariableSRW
其中，AcquireSRWLockShared和AcquireSRWLockExclusive表示获取读锁和获取写锁（共享锁和排他锁）。ReleaseSRWLockShared和ReleaseSRWLockExclusive表示释放读锁和写锁。和临界区一样，InitializeSRWLock是初始化。但是，SRWLock没有提供删除读写锁的方法，不需要删除。TryAcquireSRWLockExclusive和TryAcquireSRWLockShared也是用于非阻塞的方式获取读锁和写锁，失败返回FALSE。SleepConditionVariableSRW在下面再介绍。需要说明的是：TryAcquireSRWLockExclusive和TryAcquireSRWLockShared是Win7才开始提供支持的，详细信息参考MSDN。
下面是使用读写锁解决上面的数据竞争的问题：（说明：这里只需要获取写锁，更多的程序可能会需要同时使用读锁和写锁）
#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <Windows.h>
#include <process.h>
long g = 0;
SRWLOCK g_srw; // 定义读写锁
#define THREAD_COUNT 10 // 线程数
#define ACCESS_TIMES 10000000 // 访问共享变量的次数，增大其值，增加数据竞争发生的可能性
void __cdecl ThreadProc(void *para)
{
printf("sub thread started\n");
for (int i = 0;i < ACCESS_TIMES;i++)
{
AcquireSRWLockExclusive(&g_srw); // 获取写锁
g = g + 1;
ReleaseSRWLockExclusive(&g_srw); // 释放写锁
}
printf("sub thread finished\n");
_endthread(); // 可以省略，隐含会调用。
}
int main(int argc, char* argv[])
{
InitializeSRWLock(&g_srw); // 初始化读写锁
HANDLE hThread[THREAD_COUNT];
for(int i =0;i < THREAD_COUNT;i++)
hThread[i] = (HANDLE)_beginthread(ThreadProc,0,NULL);
for(int i = 0;i < THREAD_COUNT;i++)
WaitForSingleObject(hThread[i],INFINITE);
// 检查结果
if (g == ACCESS_TIMES*THREAD_COUNT)
printf("Correct Result!\n");
else
printf("Error Result!\n");
}
读写锁的适用情况： 读写锁适合于对数据结构的读次数比写次数多得多的情况。更多相关问题，参考关于读写锁的特性等的分析介绍。
（4）Condition Variable条件变量
MSDN:http://msdn.microsoft.com/zh-cn/site/ms682052
条件变量一开始是在Linux中有，Window平台是从Vista才开始支持条件变量（所以XP不支持）。
关于条件变量本身的解释，参考百度百科（http://baike.baidu.com/view/4025952.htm），当然，百度百科里面都是说的Linux，但是概念本身其实是类似的。如下：
条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起；另一个线程使"条件成立"（给出条件成立信号）。为了防止竞争，条件变量的使用总是和一个互斥锁结合在一起。其实，在windows下，条件变量的使用总是和读写锁或临界区结合使用（因为Linux下没有临界区，所以这里只说了互斥锁）。
和条件变量相关的函数有：
Condition variable function
InitializeConditionVariable
SleepConditionVariableCS
SleepConditionVariableSRW
WakeAllConditionVariable
WakeConditionVariable
具体使用说明可以参考MSDN，由于条件变量和这里的数据竞争的例子很难结合起来，这里就不举例了，而且它单独是无法完成同步的，所以这里也没必要单独作为一种同步的方法来说明，关于条件变量的使用场合和使用方法，参考其它内容。
三、内核态同步
上面介绍的都是用户态的同步方法，win32多线程还提供了一些内核态同步的方式。从性能上来说，内核态同步方式比用户态更低，原因是用户态到内核态的转换是有开销的。但是内核态的优点在于是可以跨进程同步的，所以不仅仅是线程同步方式，也是一种进程同步方式。
（1）内核对象和状态
在了解内核态同步之前，首先需要了解很重要的两个函数：WaitForSingleObject和WaitForMultipleObjects。
1. 内核对象
内核对象只是内核分配的一个内存块，并且只能由该内核访问。该内存块是一种数据结构，它的成员负责维护该对象的各种信息。有些数据成员（如安全性描述符、使用计数等）在所有对象类型中是相同的，但大多数数据成员属于特定的对象类型。例如，进程对象有一个进程I D 、一个基本优先级和一个退出代码，而文件对象则拥有一个字节位移、一个共享模式和一个打开模式。
参考：
http://www.cnblogs.com/fangyukuan/archive/2010/08/31/1813117.html
http://i.mtime.com/MyFighting/blog/1793762/
总之，这里要提到的内核态同步的对象，都是属于内核对象，包括进程对象和线程对象也是属于内核对象。另外要知道的是，内核对象使用相应的创建函数创建，返回都是句柄，即HANDLE对象。
2. 内核同步对象
在Windows NT内核对象中，提供了五种内核同步对象（Kernel Dispatcher Object），为：Event(事件)、Semaphore(信号灯/信号量)、Mutex(互斥)、Timer(定时器)、Thread(线程)。
关于内核同步对象可以参考：http://hi.baidu.com/klksys/blog/item/2c470ad25808cdd6a9ec9aaa.html
3. 内核对象的状态
在任何时刻，任何对象都处于两种状态中的一种：信号态或非信号态（参考上面的链接的说明，没有找到官方证实这句话，但是至少对于内核同步对象，所有的对象应该都是有这两个状态的）。有时候，这两个状态称为受信状态（signaled state)和非受信状态(nonsignaled state)或者通知状态和未通知状态。
（参考http://st251256589.blog.163.com/blog/static/16487644920111244054511/）。
到了这里，我们就可以讨论WaitForSingleObject了。WaitForSingleObject的参数是一个内核对象句柄，它的作用是：Waits until the specified object is in the signaled state or the time-out interval elapses。即等待指定的对象处于受信状态或者出现超时，等待，表明如果执行WaitForSingleObject的时候，对象处于非受信状态，那么当前线程处于阻塞状态。当然，WaitForMultipleObjects的作用就是等待多个状态了。
说明，WaitForSingleObject对于某些内核对象是由副作用的，比如对于信号量，等待成功会使得信号量减1。
参考MSDN：http://msdn.microsoft.com/zh-cn/site/ms687032可以知道WaitForSingleObject的用法和它能等待的所有内核对象：
Change notification
Console input
Event
Memory resource notification
Mutex
Process
Semaphore
Thread
Waitable timer
其中加粗的几个内核对象是多线程编程中会遇到的（三个内核态同步对象和一个线程对象）。理解了signaled state和nonsignaled state之后，下面的三种内核态同步方式就很容易理解了。
（2）Event事件
MSDN：http://msdn.microsoft.com/zh-cn/site/ms682655 （Event Objects）
事件内核对象包括两种：人工重置的事件和自动重置的事件。
当人工重置事件得到通知时，等待该事件的所有线程成为可调度线程；它没有成功等待副作用。
当自动重置的事件得到通知时，等待该事件的线程中只有一个线程变为可调度线程。其成功等待的副作用是该对象自动重置为未通知状态。
事件内核对象通过CreateEvent创建，初始可以是通知或未通知状态。
人工事件一般用于一个线程通知另一个线程或者一个线程通知多个线程进行某一操作。自动事件适用于保护资源在同一时间只能有一个线程可以访问，它能保证只有一个线程被激活。
事件对象分为命名事件对象和未命名对象（named and unnamed event objects）。
和事件对象相关的函数有：CreateEvent/OpenEvent、ResetEvent、SetEvent、PulseEvent等。
其中，CreateEvent创建或打开一个事件对象，其中，四个参数分别为安全属性（内核对象都有安全属性），是否为人工重置事件，初始状态（TRUE表示signaled，FALSE表示nonsignled），事件对象的名字，如果为NULL，创建一个未命名事件对象。如果指定name的事件已经存在，则获得EVENT_ALL_ACCESS的访问权限，第一个参数部分有效，后两个参数忽略。OpenEvent用于打开已存在的事件（所以一般用CreateEvent即可）。ResetEvent/SetEvent分别设置事件的状态为nonsignaled和signaled。PulseEvent根据MSDN不可信，所以不推荐使用（相当于reset然后set的功能，但是并不可靠）。
总之，对于事件来说，常用的方法是CreateEvent，ResetEvent，SetEvent，然后利用WaitForSingleObject来等待事件（变成singled状态）。
仍然针对上面的数据竞争的例子，使用事件解决的方法是：
#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <Windows.h>
#include <process.h>
long g = 0;
HANDLE g_event; // 事件句柄
#define THREAD_COUNT 10 // 线程数
#define ACCESS_TIMES 100000 // 访问共享变量的次数，增大其值，增加数据竞争发生的可能性
void __cdecl ThreadProc(void *para)
{
printf("sub thread started\n");
for (int i = 0;i < ACCESS_TIMES;i++)
{
WaitForSingleObject(g_event, INFINITE); // 等待事件
ResetEvent(g_event); // 重置事件，让其他线程继续等待（相当于获取锁）
g = g + 1;
SetEvent(g_event); // 设置事件，让其他线程可以获取事件（相当于释放锁）
}
printf("sub thread finished\n");
_endthread(); // 可以省略，隐含会调用。
}
int main(int argc, char* argv[])
{
g_event = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL); // 创建事件内核对象
SetEvent(g_event);
HANDLE hThread[THREAD_COUNT];
for(int i = 0;i < THREAD_COUNT;i++)
hThread[i] = (HANDLE)_beginthread(ThreadProc,0,NULL);
for(int i = 0;i < THREAD_COUNT;i++)
WaitForSingleObject(hThread[i],INFINITE);
// 检查结果
if (g == ACCESS_TIMES*THREAD_COUNT)
printf("Correct Result!\n");
else
printf("Error Result!\n");
}
说明：实际运行就会发现，内核态事件对象同步的方法比用户态的方法的效率低很多，如果这里的ACCESS_TIMES如果太大，运行时间相比用户态的方法多很多。当然，再次强调，这里都是用这一个例子，只是为了分析各种方法实现同步的实现，实际应用，显然是有所取舍的，不同的同步方法有不同的合适的使用情景。
（3）Semaphore信号量
MSDN：http://msdn.microsoft.com/zh-cn/site/ms685129（Semaphore Objects）
信号量用来对资源进行计数。它包含两个32位值，一个表示能够使用的最大资源数量，一个表示当前可用的资源数量。
信号量的使用规则为：如果当前资源数量大于0，发出信号量信号；如果当前资源数量是0，不发出信号量信号；不允许当前资源数量为负值
当前资源数量不能大于最大信号数量。
当调用等待函数时，它会检查信号量的当前资源数量。如果它的值大于0，那么计数器减1，调用线程处于可调度状态。如果当前资源是0，则调用函数的线程进入等待状态。当另一个线程对信号量的当前资源通过ReleaseSemaphore进行递增时，系统会记住该等待线程，并将其变为可调度状态。
对于信号量，相关的函数有：CreateSemaphore/OpenSemaphore、ReleaseSemaphore。WaitForSingleObject对于信号量，成功等待的副作用是使得信号量减1。从某种角度理解，事件相当于最大计数为1的信号量。
下面的例子是使用最大计数为1的信号量来解决上面的数据竞争问题：
#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <Windows.h>
#include <process.h>
long g = 0;
HANDLE g_semaphore; // 信号量对象句柄
#define THREAD_COUNT 10 // 线程数
#define ACCESS_TIMES 100000 // 访问共享变量的次数，增大其值，增加数据竞争发生的可能性
void __cdecl ThreadProc(void *para)
{
printf("sub thread started\n");
for (int i = 0;i < ACCESS_TIMES;i++)
{
WaitForSingleObject(g_semaphore, INFINITE); // 等待信号量
// 获取信号量后计数会减1
g = g + 1;
ReleaseSemaphore(g_semaphore,1, NULL); // 信号量加1
}
printf("sub thread finished\n");
_endthread(); // 可以省略，隐含会调用。
}
int main(int argc, char* argv[])
{
g_semaphore = CreateSemaphore(NULL, 0, 1, NULL); // 创建信号量，初始计数为0，最大计数为1
ReleaseSemaphore(g_semaphore,1, NULL); // 将计数设置为1
HANDLE hThread[THREAD_COUNT];
for(int i = 0;i < THREAD_COUNT;i++)
hThread[i] = (HANDLE)_beginthread(ThreadProc,0,NULL);
for(int i = 0;i < THREAD_COUNT;i++)
WaitForSingleObject(hThread[i],INFINITE);
// 检查结果
if (g == ACCESS_TIMES*THREAD_COUNT)
printf("Correct Result!\n");
else
printf("Error Result!\n");
}
（4）Mutex互斥（互斥对象，互斥体）
MSDN：http://msdn.microsoft.com/zh-cn/site/ms684266（Mutex Objects）
互斥器保证线程拥有对单个资源的互斥访问权。互斥对象类似于关键代码区（临界区），但它是一个内核对象。 互斥器不同于其他内核对象，它有一个“线程所有权”的概念。它如果被某个线程等待成功，就属于该线程。
由于和临界区和读写锁很类似，使用也是很类似的。和Mute相关的函数主要有：CreateMutex/OpenMutex，ReleaseMutex。很显然，Create是创建，Open是打开已存在的命名互斥对象，ReleaseMutex是释放互斥对象。几乎和临界区的函数一样，当然，用WaitForSingleObject等待互斥体，类似于进入临界区的操作了。
代码如下：
#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <Windows.h>
#include <process.h>
long g = 0;
HANDLE g_mutex; // 互斥对象句柄
#define THREAD_COUNT 10 // 线程数
#define ACCESS_TIMES 100000 // 访问共享变量的次数，增大其值，增加数据竞争发生的可能性
void __cdecl ThreadProc(void *para)
{
printf("sub thread started\n");
for (int i = 0;i < ACCESS_TIMES;i++)
{
WaitForSingleObject(g_mutex, INFINITE); // 等待互斥对象
g = g + 1;
ReleaseMutex(g_mutex); // 释放互斥对象
}
printf("sub thread finished\n");
_endthread(); // 可以省略，隐含会调用。
}
int main(int argc, char* argv[])
{
g_mutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL); // 创建互斥内核对象
HANDLE hThread[THREAD_COUNT];
for(int i = 0;i < THREAD_COUNT;i++)
hThread[i] = (HANDLE)_beginthread(ThreadProc,0,NULL);
for(int i = 0;i < THREAD_COUNT;i++)
WaitForSingleObject(hThread[i],INFINITE);
// 检查结果
if (g == ACCESS_TIMES*THREAD_COUNT)
printf("Correct Result!\n");
else
printf("Error Result!\n");
}
总结：这里介绍了用户态和内核态的同步对象和基本函数的使用。这里只是为了演示其使用和理解其概念，针对实际应用，需要根据实际的case选择合适的方法进行同步。
相关文章：
http://archive.cnblogs.com/a/2223856/
http://www.cnblogs.com/TravelingLight/archive/2011/10/07/2200912.html