多线程（转）

  在当今的程序设计中，经常看到进程、线程这样的名词，其实它们属于一个更广大的范畴——多任务，现在让我们先从进程和线程切入，来领略一下这个领域的广阔风光。

　　我了解不多，只能说说80x86上的Windows环境，其他如lpha，Mac或者Linux，我就一窍不通了，见笑见笑……

　　现代操作系统都是多任务的操作系统，在这里要澄清一个概念，Windows 3.x时代也有所谓的多任务，但是，那并不是现代意义的多任务--"抢占式多任务"。Windows 3.x的多任务是非抢占式的，即，一个应用程序，甚至系统，要等现在正在运行的程序主动放弃CPU（程序员把这个礼貌的行为写到程序中），才能获得执行时间片。可以看出，在这种环境中，操作系统的主动性是很小的，只要某个已经获得CPU的程序不主动放弃CPU，操作系统就得不到时间运行，亦无法实行其管理调度功能。如果一个应用程序因崩溃而挂起，将导致整个系统挂起。

　　而抢占式的多任务是指，将CPU时间片分配最需要它的应用程序，即便一个应用程序永远不打算放弃CPU，操作系统也能保证随时"抢占"CPU时间，然后对当前所有的任务进行合理的调度。

　　要实现多任务，首先要有CPU的支持，80x86 (Alpha？我不懂，别问我……) 支持多任务，通过一个TSS--任务描述符，80x86能够描述一个任务。详细我就不说了，和本文关系不大，只要说明抢占式多任务不是操作系统在单干就行了。

　　作为操作系统，要能够利用CPU提供的功能才能实现多任务，Windows做到了这点(当然，Linux也做到了，只是我不懂……)。系统有一个核心调度程序，负责为每一个任务分配CPU时间，允许其执行指定的一段时间，当这段时间用完后，控制权会重新交回到操作系统，操作系统可在此时重新分配CPU时间。至于CPU时间是如何分配的，就又不是本文的范围了。Microsoft给出的文档是说"系统保证CPU时间的分配是公平的"，仅此而已……。

　　在Windows中，一个任务就是一个线程，以前曾经说过，线程不能没有存储而存在，而其所依赖存在的存储对象就是进程。而一个进程--以前也说过了--对应一个映象（可执行文件）。也就是说，在一个可执行文件运行时，可以有多个线程。

　　好了，基本的概念大概说明了，来讨论一下它们的用途。要这些多出来（除了原始线程外）的线程有什么用？MSDN给出的答案是"等"。但我个人认为稍微笼统了一点（偏激一点？）。不过，至少，有一点是肯定的--绝不要使多个线程同时进行繁重的操作--除非你是建立了CPU数目个线程（32路对等处理器系统?）。无论如何，实际工作的还是CPU，在这种情况下，CPU不仅不会少执行指令，还要执行很多的排班程序指令以及任务的切换指令--反而降低效率。

　　在需要等待的地方，多线程确实能够发挥很高的效能。（注意，并不一定是最高，以后将说到经常是更好的实现方法，这里只是说明线程的用法）举一个例子：一个网络程序向远程主机发送了一个请求，正在等待回应，而在此期间，它还希望能够与用户进行交互。一种实现方法是：程序继续与用户交互，在交互的间歇检查一下回应是否到达。而更好的方法是建立一个新的线程（称为工作线程）来等待回应，原始线程继续照常与用户交互。如果您已经感觉到后一种方法确实比前一种方法好很多，那么，您可以不读下一段，不用听我罗嗦了。

　　后一种方法比前一种方法好在后者执行的指令更少，因而效率更高。如果您对Windows编程熟悉：在实现前者时，必须保证能够及时检测到回应到达，因而就不能使用GetMessage()而要使用PeekMessage()。如果使用GetMessage()，而恰巧在很长的一段时间内都没有消息到达，原始线程就不会从GetMessage()返回，也就不能检测回应是否到达。使用PeekMessage()，可以令其在没有消息时也立即返回，因而可以检测回应是否到达。网络部分的情况也一样--程序不能等回应一直等下去否则就无法与用户交互。无论如何，在即没
有消息、也没有回应到达的情况下，原始线程没有有效的进入等待状态，而是不停地"空转"，检测二者中是否有到达的，这对系统资源显然是极大的浪费。而对于后者，原始线程通过GetMessage()有效的进入了等待，工作线程也可以通过类似的方法进入等待，例如使用Socket的select()。

　　但是，新的问题又出现了，工作线程发现回应已经到达了，它可能要通知原始线程才行--它与原始线程是并发执行的。这就涉及到线程简通信了，有一种最简单的方法：Windows消息。工作线程通过向原始线程的窗口发送一个消息，然后终止；当原始线程的消息循环发现这个消息时，就知道回应已经到达了。线程间通信的方法还有很多，将在以后专门介绍。

　　最后要说明的是--很重要的一点：多线程经常不是程序员主动来使用的，而是在依赖操作系统时，已然是多线程了。即使用，也很有节制，滥用线程将适得其反。究竟什么地方应该使用多线程，并没有什么规则，将多线程用在该用的地方而已，当然不会刻意的使用它。当综合各种条件和各种可能的方案后，如发现多线程是最好的，就是使用多线程的最佳时机。我是否说的是废话？呵呵，其实就像这篇文章一样，我也很头疼，线程是在遇到实际需要时才想起用的，硬要设计一种情况来使用实在不易。有备无患。多线程不是杀手锏，但是掌握它是向较高级编程迈进的必经之路。

在当今的程序设计中，经常看到进程、线程这样的名词，其实它们属于一个更广大的范畴——多任务，现在让我们先从进程和线程切入，来领略一下这个领域的广阔风光。

　　上次说了线程的作用，显然，要使得线程之间能够通讯才能利用好线程，否则，每个线程都各干个的，向一盘散沙，程序就什么也做不了儿了。现在，我们来看看线程间如何通讯。
　　线程间通讯的方法有很多，常用的有：变量、临界段、Windows消息、事件。

　　首先来讨论变量。既然线程都处于同一个进程内，它们的地址空间就是相同的，对于完全依赖地址空间的变量来说，当然可以被同在一个进程中的任意一个线程访问，因而就可以用来通讯。

　　比如，有一个全局变量，两个线程；我们希望第一个线程在工作，而第二个线程等待，当第一个线程检测的某件事发生时，通知第二个线程，使第二个线程开始运行。可以将全局变量置为0，然后让第二个线程进入一个“死循环”，等待全局变量变为1。而第一个线程执行他的任务，当事件发生时，第一个线程将全局变量赋值为1，于是第二个线程便奇妙的结束了他的死循环，开始执行预定的工作。

　　由此可见，变量确实可以进行线程间的通讯；但不是使用上面的方法（该方法被称为“循环锁”），因为它太拙劣了，第二个线程在等待中要消耗大量的CPU时间，却不作任何事。而且，它不能处理复杂的情况，例如：

　　还是上两个线程，第一个线程分发任务，第二个线程执行任务；第一个线程每次给全局变量加上一个需执行的任务的数目，第二个线程每次从全局变量中减掉它完成的任务的数目。两个运算都是“全局变量 op 任务数目 → 全局变量”，假设线程一先读取全局变量，是n，然后加上新任务数目，结果是n+p；而就在同时，线程二也读取了全局变量，由于线程一还没来得及将结果写回，线程二读到的也是n，减去完成的任务数，结果是n-q；现在，两个线程都要将结果写回到全局变量，显然这里有问题，最终结果要么是n+p、要么是n-q，总之不是正确的n+p-q。

　　问题就出在那个“同时”上，如果让线程二等线程一把结果写回全局变量再读取、减去、写回，错误就不会发生。

　　Windows提供了一个专门针对变量通讯的同步方法——互锁函数。这是一组形如Interlocked???()的函数。每个函数都可以对一个变量进行一种特定的操作，在操作进行中，能够自动保持与其它线程同步——每个函数都执行一种“原子操作”——该操作不能与共用同一资源的其它操作同时进行。

　　例如，上面的例子，通过使用InterlockedExchangeAdd()来执行加减操作，便可以保证对全局变量的操作不会同时发生。

　　有时，线程间的通讯过程不像上述的那样简单、仅仅是做一次加减法，而是由许多步组成的。比如，线程一除了加上任务数外，还要填写每个任务的具体参数，线程一进而希望在自己填写完全部所需数据后，线程二再对它们修改，原因类似。这是可以使用临界段。

　　CRITICAL_SECTION类型声明一个临界段结构变量，然后用InitializeCriticalSection()初始化它。EnterCriticalSection()和LeaveCriticalSection()两个API分别指示进入或退出临界段，参数是一个已经定义的临界段。在临界段内的一组操作都是原子的，它们不能与共用同一临界段的另外一组操作同时进行。

　　与互锁函数的不同是，互锁函数仅涉及一个共享资源，执行一个操作，因而没有该保护哪些资源、保护多长时间的问题；临界段涉及多个资源，执行多个操作，因而需要一个变量来代表对一类资源和操作的保护。

　　Windows的消息机制就是用来通讯的，它本身就支持线程间通讯。消息一般是基于窗口的，而窗口是属于创建它的线程的。两个属于不同线程的窗口可以通过Windows消息来通讯。例如上面线程二等待的情况就可以让线程二调用GetMessage()等待消息，当线程一使用PostMessage()将消息发送给线程二时，GetMessage()将返回，线程二可以执行相应的任务。消息的两个参数可以用来携带对任务的描述。即便一个线程没有窗口，其它线程也可以使用PostThreadMessage()将消息直接发给该线程。使用Windows消息来通讯，是一对一的进行的，在某些场合，可能需要一对多、多对一或多对多的通讯，这时，可以借助事件（Event）来完成。CreateEvent()创建一个事件，事件有两种状态——已触发和未触发。SetEvent()用来触发一个事件，ResetEvent()用来恢复事件到未触发状态。一组“等待函数”用来检测事件的状态，例如WaitForSingleObject()等待一个事件，直到事件的状态为已触发时才返回。与上面Windows消息的例子类似，它也可以用于让线程二等待，更方便的是，如果有另外的线程三做与线程二类似的工作，它可以等待同一个事件，线程一的一次SetEvent()将同时通知两个线程执行任务；如果有线程零做与线程一类似的工作，它也可以触发同一个事件，线程零或线程一任意一方触发事件都将使两个线程执行任务。

　　除了上述的几种方法以外，旗语等方法也是用来进行线程间通讯，这里先不作介绍。

　　当设计线程间的通讯时，一定要时刻记得各个线程之间是异步运行的，必须要使用某种机制才能进行通讯，在实际中，情况可能会非常复杂，如果考虑不全面，结果将是难以预料的。