Win32多线程编程(4) — JTHREAD剖析

1．JTHREAD介绍

实际项目中经常会涉及到多线程架构。为了给WINUX（Windows+Linux）平台提供一套相同的操作线程的接口，需要将平台上对线程操作的API封装成一个的通用类。JTHREAD即是这样的一个开源类库。

JTHREAD是很简单的，主要包含JThread类和JMutex类，它们分别代表一个线程和一个互斥体，互斥体是为了同步多线程通信。该开发包作了简单的跨平台实现，对于*NIX平台调用pthread库，对于Windows平台调用Win32 Theads库。

本文基于JTHREAD库源码做简单剖析，以对前面线程控制、线程同步等议题实做演练。

按照惯例，对于返回int类型值的函数，若返回大于等于0的值表示成功，负值表示出错。

2．JMutex

2.1 JMutex

下面是类JMutex的定义。

class JMutex { public: JMutex(); ~JMutex(); int Init(); int Lock(); int Unlock(); bool IsInitialized() { return initialized; } private: #if (defined(WIN32) || defined(_WIN32_WCE)) #ifdef JMUTEX_CRITICALSECTION CRITICAL_SECTION mutex; // 临界区对象 #else // Use standard mutex HANDLE mutex; // 互斥内核对象 #endif // JMUTEX_CRITICALSECTION #else // pthread mutex pthread_mutex_t mutex; #endif // WIN32 bool initialized; };

其数据成员根据平台区分。对于Windows系统（Win32或WinCE），若定义JMUTEX_CRITICALSECTION宏，则使用临界区对象CRITICAL_SECTION作为互斥体；否则，使用互斥内核对象（Mutex）作为互斥体。对于*NIX系统使用pthread_mutex_t作为互斥体。后面主要针对Windows系统解说，鉴于临界区旋转锁的高效性，建议使用JMUTEX_CRITICALSECTION。

int Init()完成互斥体的初始化；bool initialized跟踪初始化记录，确保只初始化一次。可调用bool IsInitialized()获取initialized的值，以判断是否已经初始化。

在int Init()中，如果定义了JMUTEX_CRITICALSECTION宏，则调用InitializeCriticalSection(&mutex)初始化临界区；否则mutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL)，创建互斥内核对象。

Lock()/Unlock()为同步加解锁操作。Lock()内部体现为EnterCriticalSection(&mutex)进入临界区，或WaitForSingleObject(mutex,INFINITE)返回，可拥有互斥对象。Unlock()内部体现为LeaveCriticalSection(&mutex)离开临界区，或ReleaseMutex(mutex)释放拥有的互斥对象。

构造函数JMutex()中初始化initialized = false;析构函数~JMutex()中DeleteCriticalSection(&mutex)删除临界区或CloseHandle(mutex)关闭互斥内核对象，释放互斥体资源。

在你使用一个JMutex类的实例对象之前，你首先必须调用Init()函数执行初始化。通过检测IsInitialized()的返回值可以检测互斥体是否已经初始化。初始化之后，通过调用Lock()和Unlock()封闭需要同步的共享资源操作代码段。

2.2 JMutexAutoLock

下面是类JMutexAutoLock的定义。

class JMutexAutoLock { public: JMutexAutoLock(JMutex &m) : mutex(m) { mutex.Lock(); } ~JMutexAutoLock() { mutex.Unlock(); } private: JMutex &mutex; };

JMutexAutoLock需要传入一个JMutex对象的引用来构造，当然，要求该JMutex对象已经初始化。在构造函数中调用mutex.Lock()，在析构函数中mutex.Unlock()。

JMutexAutoLock即所谓的自动锁，是对JMutex的自动管理，保护在对象声明和对象生命末期之间的代码段。它更容易实现线程安全，不用去担心什么时候为互斥体解锁。

2.3 JMutex示例

JMutex mutex; mutex.Init(); void DoSomeWork(); void fun1() { mutex.Lock(); mutex.Unlock(); DoSomeWork(); return; } void fun2() { mutex.Lock(); DoSomeWork(); mutex.Unlock(); return; } void fun3() { JMutexAutoLock AutoLock(mutex); DoSomeWork(); return; }

（1）在fun1()中，mutex.Lock();和mutex.Unlock();之间没有任何代码，则此处只是等待外部使用mutex保护的代码块运行完毕。如果外部占用该mutex，则此处等待；如果外部已释放该mutex，则此处继续执行DoSomeWork()。这里纯粹是等待外部事件发生。

（2）fun2()和fun3()是等价的，都是为了保护DoSomeWork()过程中涉及到的共享资源操作。

（3）在fun3()中，如果DoSomeWork()中途异常exit，则AutoLock不能正确析构，永远不会解锁。在此等待的后续线程（如果没有当掉）死锁。

3．JThread

下面是JThread类的定义。

class JThread { public: JThread(); virtual ~JThread(); int Start(); int Kill(); virtual void *Thread() = 0; bool IsRunning(); void *GetReturnValue(); protected: void ThreadStarted(); private: #if (defined(WIN32) || defined(_WIN32_WCE)) #ifdef _WIN32_WCE DWORD threadid; static DWORD WINAPI TheThread(void *param); #else UINT threadid; static UINT __stdcall TheThread(void *param); #endif // _WIN32_WCE HANDLE threadhandle; // #else // pthread type threads pthread_t threadid; static void *TheThread(void *param); #endif // WIN32 void *retval; bool running; JMutex runningmutex; JMutex continuemutex, continuemutex2; bool mutexinit; };

3.1 JThread成员

threadid为线程ID号，threadhandle为线程内核对象句柄。

JThread类拥有三个JMutex对象成员，runningmutex、continuemutex和continuemutex2。bool mutexinit为三个对象初始化状态记录，只有三个互斥对象都成功初始化，才能协作完成后期对线程流程的正确控制。

TheThread(void *param)为通常意义上的线程入口函数，传递一个void*指针作为线程参数。TheThread中调用Thread()完成特定的任务。我们姑且称TheThread()为线程壳，Thread()为线程核。

bool running为线程运行状态；bool IsRunning()为对该状态属性的访问。

void* retval为线程函数运行结果；void *GetReturnValue()为对该属性的访问。

3.2 JThread类剖析

所谓同步是指多线程之间的同步，同一线程内部顺序执行不存在同步问题。JThread类中runningmutex、continuemutex、continuemutex2主要为了与它的创建线程同步。它的创建线程就是MyJThread对象实例声明代码所在的线程，也即Start()调用线程。注意线程壳TheThread()是新线程函数，其中调用MyJThread对象实例的Thread()，故线程核Thread()代码运行于新线程。因此，在Start()和TheThread()/Thread()间存在过程状态控制的同步问题。

更一般的同步问题体现在MyJThread对象实例声明代码所在的线程与新建线程关于running状态及返回值retval的访问。runningmutex互斥体主要用来保护running状态的访问，当然retval的访问与running状态密切相关，只有运行完才有返回值。

下面结合具体代码来分析Start()àTheThread()àThread()的过程控制。

int JThread::Start() { if (!mutexinit) { // 初始化3个JMutex（代码略） } runningmutex.Lock(); if (running) { runningmutex.Unlock(); return ERR_JTHREAD_ALREADYRUNNING; } runningmutex.Unlock(); continuemutex.Lock(); #ifndef _WIN32_WCE threadhandle = (HANDLE)_beginthreadex(NULL,0,TheThread,this,0,&threadid); #else threadhandle = CreateThread(NULL,0,TheThread,this,0,&threadid); #endif // _WIN32_WCE if (threadhandle == NULL) { continuemutex.Unlock(); return ERR_JTHREAD_CANTSTARTTHREAD; } /* Wait until 'running' is set */ runningmutex.Lock(); while (!running) { runningmutex.Unlock(); Sleep(1); runningmutex.Lock(); } runningmutex.Unlock(); continuemutex.Unlock(); continuemutex2.Lock(); continuemutex2.Unlock(); return 0; } #ifndef _WIN32_WCE UINT __stdcall JThread::TheThread(void *param) #else DWORD WINAPI JThread::TheThread(void *param) #endif // _WIN32_WCE { JThread *jthread; void *ret; jthread = (JThread *)param; // this jthread->continuemutex2.Lock(); jthread->runningmutex.Lock(); jthread->running = true; // Thread is ready to run jthread->runningmutex.Unlock(); jthread->continuemutex.Lock(); jthread->continuemutex.Unlock(); ret = jthread->Thread(); jthread->runningmutex.Lock(); jthread->running = false; // Thread run over jthread->retval = ret; CloseHandle(jthread->threadhandle); // Close Handle jthread->runningmutex.Unlock(); return 0; } // Your own Thread implementation should call ThreadStarted immediately void JThread::ThreadStarted() { continuemutex2.Unlock(); }

continuemutex互斥体用来保护新线程的创建，具体来说Start()中调用_beginthreadex创建新线程之前即上锁。然后，在runningmutex的保护下等待running被置为true，continuemutex才解锁。

新线程一调度，即进入线程壳TheThread()，continuemutex2互斥体即上锁，在runningmutex的保护下将running置为true，线程核Thread()即将运行。此时，Start()中continuemutex解锁，但仍未返回，还需等待continuemutex2解锁。

TheThread()中将running置为true后，即在continuemutex上等待Start()获取running值(true)。Start()获取到running值为true后，解锁continuemutex，TheThread()执行Thread()。在Thread()中调用ThreadStarted()解锁continuemutex2，Start()返回。也即进入线程核Thread()的执行，Start()才返回。

由以上分析，可知continuemutex互斥体同步的是线程的创建到线程被调度（线程壳执行）过程；continuemutex2互斥体同步的是线程被调度（线程壳执行）到线程核执行过程。

3.3 JThread类的使用说明

因为含有未实现的纯虚函数virtual void *Thread() = 0，故JThread为抽象基类，无法直接声明创建JThread对象实例。在使用时，必须编写派生类实现Thread()接口，以完成特定的任务：class MyJThread : public JThread。这样，一个MyJThread类实际上只能完成一种特定的任务。如以上代码所述，往往为线程壳TheThread()传递this指针，以便线程核Thread()能访问派生类实例对象属性。记得在你自己的Thread()实现中调用ThreadStarted()。

一个MyJThread对象管理完成特定任务的一个线程对象，其行为具有不可重入性。意即当MyJThread::Start()中开辟一条线程，mutexinit、runningmutex、continuemutex、continuemutex2、running、retval等都是针对一次线程行为及状态的管理。如果在Start()没有返回之前，或者线程过程没有返回之前，试图再次调用该实例的Start()进行新线程的创建，则上述一套设施服务于两个线程对象，则容易造成管理上错乱。实际上JThread::Start()已经对运行状态作了检测，连续调用Start()，将导致ERR_JTHREAD_ALREADYRUNNING错误。当然Start()后，确保运行结束，可再次Start()开辟新的线程，以完成同类多任务，但此时已经丧失了多线程并发的初衷，因为实际上这里是一个线程跑完，才开另一个线程。

对于同类多任务，往往声明创建多个MyJThread对象实例，然后Start()。理想情况下，让线程核Thread()、线程壳TheThread()自然返回，以使寿终正寝。迫不得已，可调用Kill()杀死线程。Kill()调用的是线程终结者TerminateThread()，如前所述，这种粗暴的行径将导致不良的后果，除非拥有此线程的进程终止运行，否则系统不会销毁这个线程的堆栈。当然，在继承的MyJThread，往往需要改进Kill()操作，以便作更优雅的控制退出。

记住，一个MyJThread对象对应一个线程对象，你每Start一个MyJThread实例，就相当于创建一个线程。当然，只要你的MyJThread扩展到足够强壮，你也可以将同一级别的不同类任务在Thread()中作统一处理，这取决于你的业务分工强度。

Start()理应让Thread()自然返回，通过调用IsRunning()函数可以检测线程是否在运行；通过调用GetReturnValue()函数可以获取返回值。最后，你可以通过Kill()函数中止一个正在运行的线程。对于一个已经返回的线程，Kill()调用返回ERR_JTHREAD_NOTRUNNING。

3.4 JThread应用实例：JRTPLIB中的RTPPollThread

JTRPLIB中的RTP会话类RTPSession包含一个RTPPollThread *pollthread成员。RTPPollThread为JRTPLIB中的RTP会话响应线程，继承自JThread类。

class RTPPollThread : private JThread { public: RTPPollThread(RTPSession &session, RTCPScheduler &rtcpsched); ~RTPPollThread(); int Start(RTPTransmitter *trans); void Stop(); private: void *Thread(); bool stop; JMutex stopmutex; RTPTransmitter *transmitter; RTPSession &rtpsession; RTCPScheduler &rtcpsched; }; // 需要覆写实现的线程核 void *RTPPollThread::Thread() { JThread::ThreadStarted(); bool stopthread; stopmutex.Lock(); stopthread = stop; stopmutex.Unlock(); while (!stopthread) { int status; rtpsession.schedmutex.Lock(); rtpsession.sourcesmutex.Lock(); RTPTime rtcpdelay = rtcpsched.GetTransmissionDelay(); rtpsession.sourcesmutex.Unlock(); rtpsession.schedmutex.Unlock(); if ((status = transmitter->WaitForIncomingData(rtcpdelay)) < 0) { stopthread = true; rtpsession.OnPollThreadError(status); } else { if ((status = transmitter->Poll()) < 0) { stopthread = true; rtpsession.OnPollThreadError(status); } else { if ((status = rtpsession.ProcessPolledData()) < 0) { stopthread = true; rtpsession.OnPollThreadError(status); } else { rtpsession.OnPollThreadStep(); stopmutex.Lock(); stopthread = stop; stopmutex.Unlock(); } } } } return 0; }

RTPPollThread::Start()重载了基类的同名函数，作特定的初始化，调用JThread::Start()。RTPPollThread::Stop()对JThread::Kill()进行了安全扩展，如果等5秒后依旧JThread::IsRunning()，才调用JThread::Kill()强制关闭。

如果定义了RTP_SUPPORT_THREAD宏，则RTPSession支持多线程响应会话，usepollthread = true。在RTPSession::Create()中调用RTPSession::InternalCreate()，其中中创建线程（对象）。

int RTPSession::InternalCreate(const RTPSessionParams &sessparams); { // Do thread stuff if necessary if (usingpollthread) { // …… pollthread = RTPNew(GetMemoryManager(),RTPMEM_TYPE_CLASS_RTPPOLLTHREAD) RTPPollThread(*this,rtcpsched); if (pollthread == 0) { // …… } if ((status = pollthread->Start(rtptrans)) < 0) { } } }

RTPPollThread::Thread()线程核处理具体的RTCP/RTP通信会话。在RTPSession::ProcessPolledData中调用RTPSessionSources::ProcessRawPacket。RTPSessionSources::ProcessRawPacket中判断包的类型是RTCP还是RTP，若是RTCP包，则ProcessRTCPCompoundPacketàOnRTCPCompoundPacket处理；若是RTP包，则ProcessRTPPacketàOnRTPPacket处理，从而完成RTCP/RTP通信。

关于JRTPLIB的使用，参考《JRTPLIB@Conference DIY视频会议系统》。

4．CWinThread简介

CWinThread作为MFC的线程管理类，极具参考性，源码参阅Microsoft Visual Studio/VC98/MFC/SRC/THRDCORE.CPP。尽管其采用了面向对象的封装，但在实作时，通常按照_beginthreadex的方式调用AfxBeginThread传入线程函数地址和线程参数。内部对CWinThread对象作了自动化的管理。重点关注_AFX_THREAD_STARTUP结构中的hEvent和hEvent2是怎么样同步实现线程控制的。

实际应用中，如果不需要过于严格的封装需求，仅需对线程参数（ID、HANDLE、THREADPROC、THREADPARAM）等做简单的封装，以期控制。例如Peercast中的class ThreadInfo。

// Peercast/core/common/sys.h #ifdef WIN32 typedef int (WINAPI *THREAD_FUNC)(ThreadInfo*); typedef unsigned int THREAD_HANDLE; #endif class ThreadInfo { public: ThreadInfo() { active = false; id = 0; func = NULL; data = NULL; } void shutdown() { active = false; // sys->waitThread(this); } volatile bool active; // 是否有效 THREAD_FUNC func; // 线程运行函数 int id; // 线程ID THREAD_HANDLE handle; // 线程句柄 void *data; // 线程参数 };