C++基础学习之16 - 多线程与互斥锁

熟悉Linux的童鞋都对多进程比较熟，Linux下的 fork也有很多教程介绍，但这不是我们本节的重点，我们在这里主要讲的是多线程。

相对于进程来讲，线程是一个轻量级的概念，一个进程包含多个线程（至少1个）。

线程有自己的堆栈和局部变量，但没有内存空间，而是共享进程的内存空间。

这种共享内存机制优点在于通过数据共享的快速访问，同样这种机制也会导致一个线程死掉的时候可能导致整个程序崩溃。

那么多线程之间如何有效共享一段数据呢？

一. 临界区（Critical Section）

临界区 是Windows下专用的一种同步机制，一次只允许一个线程使用的共享资源，如果已经有线程进入了临界区，则其它线程必须等待。临界区类似一种原子操作。

void thread_func()  
{
    // 进入临界区  
    EnterCriticalSection();  
    
    // do something

    // 离开临界区
    LeaveCriticalSection();  
}

临界区通过代码段的方式来控制内存或数据的共享，其实现较为简单。

二. 互斥锁（Mutex）

互斥锁 与临界区类似，也是确保同一时刻只能由一个线程进行访问，其区别在于：

1. Mutex可以跨进程，临界区只能在同一进程中使用；

2. Mutex是内核对象（核心态操作），速度慢；临界区是非内核对象（用户态操作），速度快；

3. Mutex和临界区在Windows平台都下可用，Linux下只能用 Mutex。

对比一下在Linux和Windows平台下的Mutex使用代码：

/** Linux*/
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t m_mutex;
pthread_mutex_init(&m_Mutex, NULL);

int nRet = pthread_mutex_lock(&m_Mutex);
…… // do something
nRet = pthread_mutex_unlock(&m_Mutex);

pthread_mutex_destroy(&m_Mutex); // 销毁

/** Windows*/
#include "windows.h"
HANDLE m_Mutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
if( WAIT_OBJECT_0 == WaitForSingleObject(m_Mutex, INFINITE) )
{
    …… // do something
    ReleaseMutex(m_Mutex);
}
CloseHandle(m_Mutex); // 销毁

三. 信号量（Semaphore）

信号量 是Mutex的一种扩展形式，信号量可以看作是一个资源池，当值大于0时，使用者可以锁定并使用，当小于0时，必须等待有新的资源释放才能去访问。

当设置信号量最大值为1时，信号量退化为Mutex。

/** Linux*/
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

void *thread_func() // 线程函数
{
    for(int i=0;i<50;i++)
    {
        sem_wait(&sem); //V操作，信号量-1
        printf("num %d: Now i come!",i);
        sem_post(&sem); //P操作，信号量+1
        printf("num %d: Now i leave!",i);
    }
}

void main()
{
    sem_t sem;
    sem_init(&sem,0,5); // 信号量值为5 - 理解为保证每个时刻最多5个人进入房间

    pthread_t th[5];
    for(int i=0;i<5;i++)
        pthread_create(&th[i], NULL, thread_func, NULL);
    // 销毁 pthread_join(&th[i], NULL);

    sem_destroy(&sem); // 关闭unnamed信号量（对应named信号量用sem_close）
}

/** Windows*/
#include "windows.h"
HANDLE hSemp = CreateSemaphore(NULL, 2, 2, NULL); // 创建信号量对象  

WaitForSingleObject(hSemp, INFINITE); // V操作，进入信号量
ReleaseSemaphore(hSemp, 1, NULL); // P操作，释放信号量
CloseHandle(hSemp); // 关闭信号量对象

四. 事件（Event）

事件与临界区一样，也是 Windows下独有的一种概念，事件是内核对象，多用于线程间通信，可以跨进程同步，主要用到三个函数：CreateEvent，OpenEvent，SetEvent，ResetEvent。

OpenEvent与CreateEvent（创建）类似，是打开一个有名事件，我们重点说明另外两个函数：

SetEvent：每次触发后，必有一个或多个处于等待状态下的线程变成可调度状态；

ResetEvent：事件重置，回到未触发状态（注：bManualReset可以设置触发后自动重置）。

#include <windows.h>

HANDLE g_Event = CreateEvent(NULL,false,false,NULL); // HANDLE CreateEvent(LPSECURITY_ATTRIBUTE SlpEventAttributes, BOOL bManualReset, BOOL bInitialState, LPCTSTR lpName);
SetEvent(g_Event);

// 线程绑定的函数返回值和参数是确定的，而且一定要__stdcall
int __stdcall threadFun()
{
    WaitForSingleObject(g_Event, INFINITE); // 等待事件触发
    SetEvent(g_Event); // 设置事件为触发状态，后面的线程再用
    return 0;
}

int main()
{
    HANDLE th1 = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, threadFun, NULL, 0, NULL); // _beginthreadex可以调用__stdcall
    HANDLE th2 = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, threadFun, NULL, 0, NULL); // 与CreateThread不同

    WaitForSingleObject(hth1, INFINITE); // - key point 
    WaitForSingleObject(hth2, INFINITE);

    CloseHandle(g_Event); // 关闭事件
    return 0;
}

这样，整个逻辑变成，哪个线程触发事件，就可以执行自己的代码段，而其他线程必须等待该事件释放，从而达到同步的效果。