经典线程同步 关键段CS

本文参考http://blog.csdn.net/morewindows/article/details/7442639

 

关键段CRITICAL_SECTION一共就四个函数，使用很是方便。下面是这四个函数的原型和使用说明。

 

函数功能：初始化

函数原型：

void InitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);

函数说明：定义关键段变量后必须先初始化。

 

函数功能：销毁

函数原型：

void DeleteCriticalSection(LPCRITICAL_SECTIONlpCriticalSection);

函数说明：用完之后记得销毁。

 

函数功能：进入关键区域

函数原型：

void EnterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);

函数说明：系统保证各线程互斥的进入关键区域。

 

函数功能：离开关关键区域

函数原型：

void LeaveCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);

 

然后在经典多线程问题中设置二个关键区域。一个是主线程在递增子线程序号时，另一个是各子线程互斥的访问输出全局资源时。代码如下：

 

#include <windows.h>
#include <process.h>
#include <iostream>

using namespace std;

const int THREADNUM = 30;
volatile long number = 0;

CRITICAL_SECTION threadPM,threadCode;

unsigned int __stdcall threadFunc(PVOID pM) {
        int nThreadNum = *(int *)pPM;
	LeaveCriticalSection(&threadPM);
	Sleep(100);
	EnterCriticalSection(&threadCode);
	cout << nThreadNum  << endl;
	number++;
	Sleep(0);
	LeaveCriticalSection(&threadCode);
	return 0;
}

int main() {
	int num = 20;
	
	HANDLE handle[THREADNUM];

	InitializeCriticalSection(&threadCode);
	InitializeCriticalSection(&threadPM);

	number = 0;
	for(int i=0; i< THREADNUM; i++) {
		EnterCriticalSection(&threadPM);
		handle[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, threadFunc, (PVOID) &i, 0, NULL);
	}
	
	WaitForMultipleObjects(THREADNUM, handle, TRUE ,INFINITE); //安全数量为64
	Sleep(500);
	cout << "计数个数为" << number << endl;
	
	DeleteCriticalSection(&threadCode);
	DeleteCriticalSection(&threadPM);
	getchar();
	return 0;
}

 

 

输出结果为：

我们发现，各个子线程之间已经可以互斥的访问全局变量了，但是主线程和子线程之间的同步关系出现了问题

 

       这是为什么呢？

要解开这个迷，最直接的方法就是先在程序中加上断点来查看程序的运行流程。断点处置示意如下：

 

 

 

然后按F5进行调试，正常来说这两个断点应该是依次轮流执行，但实际调试时却发现不是如此，主线程可以多次通过第一个断点即

       EnterCriticalSection(&g_csThreadParameter);//进入子线程序号关键区域

这一语句。这说明主线程能多次进入这个关键区域！

 

 

关键段的本质是保证线程之间的互斥访问，对于同步访问是不能用关键段的。

 

 

先找到关键段CRITICAL_SECTION的定义吧，它在WinBase.h中被定义成RTL_CRITICAL_SECTION。而RTL_CRITICAL_SECTION在WinNT.h中声明，它其实是个结构体：

typedef struct _RTL_CRITICAL_SECTION {

    PRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUGDebugInfo;

    LONGLockCount;

    LONGRecursionCount;

    HANDLEOwningThread; // from the thread's ClientId->UniqueThread

    HANDLELockSemaphore;

    DWORDSpinCount;

} RTL_CRITICAL_SECTION, *PRTL_CRITICAL_SECTION;

各个参数的解释如下：

第一个参数：PRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUGDebugInfo;

调试用的。

 

第二个参数：LONGLockCount;

初始化为-1，n表示有n个线程在等待。

 

第三个参数：LONGRecursionCount;  

表示该关键段的拥有线程对此资源获得关键段次数，初为0。

 

第四个参数：HANDLEOwningThread;  

即拥有该关键段的线程句柄，微软对其注释为——from the thread's ClientId->UniqueThread

 

第五个参数：HANDLELockSemaphore;

实际上是一个自复位事件。

 

第六个参数：DWORDSpinCount;    

旋转锁的设置，单CPU下忽略

 

 

 

由这个结构可以知道关键段会记录拥有该关键段的线程句柄即关键段是有“线程所有权”概念的。事实上它会用第四个参数OwningThread来记录获准进入关键区域的线程句柄，如果这个线程再次进入，EnterCriticalSection()会更新第三个参数RecursionCount以记录该线程进入的次数并立即返回让该线程进入。

即同一个线程可以重复进入，而其他线程必须等到关键区全部释放后才能轮到自己执行。

其它线程调用EnterCriticalSection()则会被切换到等待状态，一旦拥有线程所有权的线程调用LeaveCriticalSection()使其进入的次数为0时，系统会自动更新关键段并将等待中的线程换回可调度状态。

因此可以将关键段比作旅馆的房卡，调用EnterCriticalSection()即申请房卡，得到房卡后自己当然是可以多次进出房间的，在你调用LeaveCriticalSection()交出房卡之前，别人自然是无法进入该房间。

回到这个经典线程同步问题上，主线程正是由于拥有“线程所有权”即房卡，所以它可以重复进入关键代码区域从而导致子线程在接收参数之前主线程就已经修改了这个参数。所以关键段可以用于线程间的互斥，但不可以用于同步。

 

 

 

另外，由于将线程切换到等待状态的开销较大，因此为了提高关键段的性能，Microsoft将旋转锁合并到关键段中，这样EnterCriticalSection()会先用一个旋转锁不断循环，尝试一段时间才会将线程切换到等待状态。下面是配合了旋转锁的关键段初始化函数

函数功能：初始化关键段并设置旋转次数

函数原型：

BOOLInitializeCriticalSectionAndSpinCount(

  LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection,

  DWORD dwSpinCount);

函数说明：旋转次数一般设置为4000。

 

函数功能：修改关键段的旋转次数

函数原型：

DWORDSetCriticalSectionSpinCount(

  LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection,

  DWORD dwSpinCount);

 

《Windows核心编程》第五版的第八章推荐在使用关键段的时候同时使用旋转锁，这样有助于提高性能。

值得注意的是如果主机只有一个处理器，那么设置旋转锁是无效的。如果在单线程的机器上调用这个函数，那么函数会忽略dwSpinCount参数，因此次数总是为0。因为在单处理器的机器上设置循环次数毫无用处：如果一个线程正在循环，那么占用资源的线程将没有机会放弃对资源的访问权限。

难点在于如何确定传给dwSpinCount参数的值。为了得到最佳的性能，最简单的方法就是尝试各种数值，直到对性能感到满意为止。用来保护进程堆的关键段所使用的旋转次数大约是4000，这可以作为我们的一个参考值。旋转锁的原理和定义请参考《旋转锁的解释》

 

无法进入关键区域的线程总会被系统将其切换到等待状态。

 

最后总结下关键段：

1．关键段共初始化化、销毁、进入和离开关键区域四个函数。

2．关键段可以解决线程的互斥问题，但因为具有“线程所有权”，所以无法解决同步问题。

3．推荐关键段与旋转锁配合使用。