Windwos下的线程互斥和同步
关键字： Windows 、线程、互斥、同步
摘要 ：分析了“互斥”与“同步”在概念上的差异，简单介绍了 Windows 平台下的互斥、同步机制，详细讨论了生产者－消费者模型及其变形，以及容易出错的方面。
概述
网 络多媒体应用系统同时包括网络传输、媒体采集和显示、媒体数据编解码、人机接口等多个紧密联系而又相对独立的组成部分，各部分之间需要并行协作才能正常运 行，因此大量采用了多线程的运行模式。多线程模式对资源的访问提出了特殊要求。本文分析了线程“互斥”与“同步”在概念上的差异，简单介绍了 Windows 平台下的互斥、同步机制，详细讨论了生产者－消费者模型及其变形，以及容易出错的方面。
互斥与同步
互斥和同步是两个紧密相关而又容易混淆的概念。
互斥 ：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。
同步 ：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源，如“ 第一类读写者模型 ”。
Windows 下的互斥同步机制
Windows 下提供了多种内核对象实现线程、进程间的同步和互斥，常用的有：
关键节 （ Critical Section ）：关键节不是内核对象，在用户态实现了同一进程中线程的互斥。由于使用时不需要从用户态切换到核心态，所以速度很快（ X86 系统上约为 20 个指令周期），但其缺点是不能跨进程同步，同时不能指定阻塞时的等待时间，只能无限等待。
互斥体 ：（ Mutex ）：互斥体实现了和关键节类似的互斥功能，但区别在于：互斥体是内核对象，可以实现跨进程互斥，但需要在用户态和核心态之间切换，速度比关键节慢得多（ X86 系统上约为 600 个指令周期），同时可以指定阻塞时的等待时间。
事件 （ Event ）：事件也是内核对象，具有“信号态”和“无信号态”两种状态。当某一线程等待一个事件时，如果事件为信号态，将继续执行，如果事件为无信号态，那么线程被阻塞。线程能够指定阻塞时的等待时间。
信号量 （ Semaphore ）：信号量是一个资源计数器，当某线程获取某信号量时，信号量计数首先减 1 ，如果计数小于 0 ，那么该线程被阻塞；当某县城释放某信号量时，信号量计数首先加 1 ，如果计数小于或等与 0 ，那么唤醒某被阻塞的线程并执行之。对信号量的总结如下：
1． 如果计数器 m 大于 0 ，表示还有 m 个资源可以访问，此时信号量线程等待队列中没有线程被阻塞，新的线程访问资源也不会被阻塞；
2． 如果计数器 m 等与 0 ，表示没有资源可以访问，此时信号量线程等待队列中没有线程被阻塞，但新的线程访问资源会被阻塞；
3． 如果计数器 m 小于 0 ，表示没有资源可以访问，此时信号量线程等待队列中有 abs （ m ）个线程被阻塞，新的线程访问资源会被阻塞；
信号量常被用于保证对多个资源进行同步访问。
生产者－消费者模型
生产者－消费者模型是指：
1． 生产者进行生产将物品放入仓库，同一时间只能有一个生产者将物品放入仓库，如果仓库满，生产者等待。
2． 消费者从仓库中取出物品，同一时间只能有一个消费者取出物品，如果仓库空，消费者等待；
3． 生产者将物品放入仓库时消费者不能同时取；
4． 消费者取物品时生产者不能放入物品；
总之，就是生产者群体或消费者群体内部是互斥的，两个群体之间是同步的。
当只有一个生产者、消费者时，由于同一群体内部不需要互斥，所以只需在群体之间实 现同步即可。例如可以使用两个 Event ／ CriticalSection ／ Mutex ／ Semaphore 实现同步；
如果有多个生产者和消费者，那么情况会复杂些，需要一个 Event ／ CriticalSection ／ Mutex 实现线程之间的互斥，需要两个 Semaphore 实现两个线程群体间的同步。一个例子如下：
HANDLE m_S_Producer ; // Semaphore
HANDLE m_S_Consumer ; // Semaphore
HANDLE m_E_Queue ; // Event
// 假设仓库最多容纳 M 个物品，开始仓库为空
m_S_Producer = CreateSemaphore ( NULL , M , M , NULL ); // 初始计数为 M
m_S_Consumer = CreateSemaphore ( NULL , 0, M , NULL ); // 初始计数为 0
m_E_Queue = CreateEvent ( NULL , FALSE , TRUE , NULL ); // 自动类型，初始状态为信号态
生产者
if ( WaitForSingleObject ( m_S_Producer , WaitTime ) == WAIT_OBJECT_0 )
{
if ( WaitForSingleObject ( m_E_Queue , WaitTime ) == WAIT_OBJECT_0 )
{
// OK now, put product
// relase comsumer’s semaphore
ReleaseSemaphore ( m_S_Consumer , 1, NULL );
// set event to signal
SetEvent ( m_E_Queue );
return TRUE ;
}
else // wait event time out
{
// not put product so release producer
ReleaseSemaphore ( m_S_Producer , 1, NULL );
SetEvent ( m_E_Queue );
return FALSE ;
}
}
else // wait semaphore time out
{
return FALSE ;
}
消费者
if ( WaitForSingleObject ( m_S_Consumer , WaitTime ) == WAIT_OBJECT_0 )
{
if ( WaitForSingleObject ( m_E_Queue , WaitTime ) == WAIT_OBJECT_0 )
{
// OK now, Get product then
// releasee productor’s semaphore
ReleaseSemaphore ( m_S_Producer , 1, NULL );
// set event to signal
SetEvent ( m_E_Queue );
return TRUE ;
}
else // wait event time out
{
// not get product so release Consumer
ReleaseSemaphore ( m_S_Consumer , 1, NULL );
SetEvent ( m_E_Queue );
return FALSE ;
}
}
else // wait semaphore time out
{
return FALSE ;
}
特别需要注意的是 ，在该模型中，对互斥量（本例为 m_E_Queue ）的等待必须放在第二个等待位置，否则可能将造成线程死锁。考虑这样的情况：仓库已满，没有任何线程访问。某一时刻，生产者放入物品，首先等待 m_E_Queue 并通过，且将 m_E_Queue 置于无信号态，然后等待 m_S_Produce 时被阻塞。 这时某一消费者欲取物品，无论在什么情况下，都将在等待m_E_Queue时被阻塞，从而相互等待造成死锁。在释放同步对象时则位置不受限制。
多个生产者一个消费者
这时一种常用的变形。如果仓库是一个 队列 （先进先出） ， 此时消费者内部将不需要互斥。
消费者
if ( WaitForSingleObject ( m_S_Consumer , WaitTime ) == WAIT_OBJECT_0 )
{
// OK now, Get product then
// releasee productor’s semaphore
ReleaseSemaphore ( m_S_Producer , 1, NULL );
return TRUE ;
}
else // wait semaphore time out
{
return FALSE ;
}
此时可能出现消费者、生产者同时访问资源的情况，但生产者群体和消费者群体之间的同步机制，以及队列的先进先出机制将保证即使消费者、生产者同时访问资源，也不会发生冲突。
多个消费者一个生产者 的情况类似。