線程

一、簡介

1.定義

線程，有時被稱為輕量級程序(Lightweight Process，LWP），是程式執行流的最小單元。一個标準的線程由線程ID，目前指令指針(PC），寄存器集合和堆棧組成。

另外，線程是程序中的一個實體，是被系統獨立排程和分派的基本機關，線程自己不擁有系統資源，隻擁有一點兒在運作中必不可少的資源，但它可與同屬一個程序的其它線程共享程序所擁有的全部資源。一個線程可以建立和撤消另一個線程，同一程序中的多個線程之間可以并發執行。由于線程之間的互相制約，緻使線程在運作中呈現出間斷性。

線程也有就緒、阻塞和運作三種基本狀态。每一個程式都至少有一個線程，若程式隻有一個線程，那就是程式本身。線程是程式中一個單一的順序控制流程。在單個程式中同時運作多個線程完成不同的工作，稱為多線程。

2.特點

在多線程OS中，通常是在一個程序中包括多個線程，每個線程都是作為利用CPU的基本機關，是花費最小開銷的實體。線程具有以下屬性。

1）輕型實體

線程中的實體基本上不擁有系統資源，隻是有一點必不可少的、能保證獨立運作的資源，比如，在每個線程中都應具有一個用于控制線程運作的線程控制塊TCB，用于訓示被執行指令序列的程式計數器、保留局部變量、少數狀态參數和傳回位址等的一組寄存器和堆棧。

2）獨立排程和分派的基本機關

在多線程OS中，線程是能獨立運作的基本機關，因而也是獨立排程和分派的基本機關。由于線程很“輕”，故線程的切換非常迅速且開銷小（在同一程序中的）。

3）可并發執行

在一個程序中的多個線程之間，可以并發執行，甚至允許在一個程序中所有線程都能并發執行；同樣，不同程序中的線程也能并發執行，充分利用和發揮了處理機與外圍裝置并行工作的能力。

4）共享程序資源

在同一程序中的各個線程，都可以共享該程序所擁有的資源，這首先表現在：所有線程都具有相同的位址空間（程序的位址空間），這意味着，線程可以通路該位址空間的每一個虛位址；此外，還可以通路程序所擁有的已打開檔案、定時器、信号量機構等。由于同一個程序内的線程共享記憶體和檔案，是以線程之間互相通信不必調用核心。

3.線程與程序的比較

程序是資源配置設定的基本機關。所有與該程序有關的資源，都被記錄在程序控制塊PCB中。以表示該程序擁有這些資源或正在使用它們。另外，程序也是搶占處理機的排程機關，它擁有一個完整的虛拟位址空間。當程序發生排程時，不同的程序擁有不同的虛拟位址空間，而同一程序内的不同線程共享同一位址空間。與程序相對應，線程與資源配置設定無關，它屬于某一個程序，并與程序内的其他線程一起共享程序的資源。

線程隻由相關堆棧（系統棧或使用者棧）寄存器和線程控制表TCB組成。寄存器可被用來存儲線程内的局部變量，但不能存儲其他線程的相關變量。

通常在一個程序中可以包含若幹個線程，它們可以利用程序所擁有的資源。在引入線程的作業系統中，通常都是把程序作為配置設定資源的基本機關，而把線程作為獨立運作和獨立排程的基本機關。由于線程比程序更小，基本上不擁有系統資源，故對它的排程所付出的開銷就會小得多，能更高效的提高系統内多個程式間并發執行的程度，進而顯著提高系統資源的使用率和吞吐量。因而近年來推出的通用作業系統都引入了線程，以便進一步提高系統的并發性，并把它視為現代作業系統的一個重要名額。

線程與程序的差別可以歸納為以下4點：

1）位址空間和其它資源（如打開檔案）：程序間互相獨立，同一程序的各線程間共享。某程序内的線程在其它程序不可見。

2）通信：程序間通信IPC，線程間可以直接讀寫程序資料段（如全局變量）來進行通信——需要程序同步和互斥手段的輔助，以保證資料的一緻性。

3）排程和切換：線程上下文切換比程序上下文切換要快得多。

4）在多線程OS中，程序不是一個可執行的實體。

二、線程建立函數

微軟在Windows API中提供了建立新的線程的函數CreateThread，當使用CreateProcess調用時，系統将建立一個程序和一個主線程。

CreateThread将在主線程的基礎上建立一個新線程，大緻做如下步驟： 

1在核心對象中配置設定一個線程辨別/句柄，可供管理，由CreateThread傳回 

2把線程退出碼置為STILL_ACTIVE，把線程挂起計數置1 

3配置設定context結構 

4配置設定兩頁的實體存儲以準備棧，保護頁設定為PAGE_READWRITE，第2頁設為PAGE_GUARD 

5 lpStartAddr和lpvThread值被放在棧頂，使它們成為傳送給StartOfThread的參數 

6把context結構的棧指針指向棧頂（第5步）指令指針指向startOfThread函數 

MSDN中CreateThread原型： 

HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, 
　　DWORD dwStackSize, 
　　LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, 
　　LPVOID lpParameter, 
　　DWORD dwCreationFlags, 
　　LPDWORD lpThreadId); 
           

參數說明： 

lpThreadAttributes：指向 SECURITY_ATTRIBUTES 型态的結構的指針。在 Windows 98 中忽略該參數。在 Windows NT 中，它被設為 NULL ，表示使用預設值。 

dwStackSize：線程堆棧大小，一般 =0 ，在任何情況下， Windows 根據需要動态延長堆棧的大小。 

lpStartAddress：指向線程函數的指針，形式： @ 函數名，函數名稱沒有限制，但是必須以下列形式聲明： 

　　 DWORD WINAPI ThreadProc (LPVOID pParam) ，格式不正确将無法調用成功。 

lpParameter：向線程函數傳遞的參數，是一個指向結構的指針，不需傳遞參數時，為 NULL 。 

dwCreationFlags ：線程标志 , 可取值如下 

CREATE_SUSPENDED： 建立一個挂起的線程 

　　0 ：建立後立即激活。 

lpThreadId:儲存新線程的id。 

傳回值：

函數成功，傳回線程句柄；函數失敗傳回false。 

函數說明：

建立一個線程。文法： 

hThread = CreateThread (&security_attributes, dwStackSize, ThreadProc,pParam, dwFlags, &idThread) ; 

　　一般并不推薦使用 CreateTheard函數，而推薦使用RTL 庫裡的System單元中定義的 BeginTheard函數，因為這除了能建立一個線程和一個入口函數以外，還增加了幾項保護措施。 

三、多線程示例

#include "stdafx.h"
#include<windows.h>//需要通路Windows API函數CreateThread
#include <iostream>
using namespace std;
DWORD WINAPI Fun1Proc(//注意線程函數的聲明形式
LPVOID pParam //thread data
);
DWORD WINAPI Fun2Proc(LPVOID pParam);
int index=0;
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
HANDLE hThread1;
HANDLE hThread2;
hThread1 = CreateThread(NULL,//讓新線程使用預設的安全性
0,//讓新線程采用與調用線程一樣的棧大小
Fun1Proc,//指定線程1入口函數的位址
NULL,//傳遞給線程1的參數 可以是結構體（包含多個資料），此處不需要使用這個參數 設為NULL
0,//線程建立标記 設為0 讓線程一旦建立就立即運作
NULL);//新線程的ID 這裡不需要使用該ID 設為NULL
CloseHandle(hThread1);//關閉新線程的句柄
hThread2 = CreateThread(NULL,0,Fun2Proc,NULL,0,NULL);
CloseHandle(hThread2);//關閉新線程的句柄
//while (++index < 1000)
cout<<"main thread is running\r\n"<<endl;
//Sleep(10);//延時10ms
system("pause");
return 0;
}
//線程1的入口函數
DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID pParam)
{
//while (++index < 1000)
cout<<"thread1 is running\r\n"<<endl;
return 0;
}
 
//線程1的入口函數
DWORD WINAPI Fun2Proc(LPVOID pParam)
{
//while (++index < 1000)
cout<<"thread2 is running\r\n"<<endl;
return 0;
}
           

運作結果：

四、線程同步

4.1定義

同步就是協同步調，按預定的先後次序進行運作。如：你說完，我再說。“同”字從字面上容易了解為一起動作。其實不是，“同”字應是指協同、協助、互相配合。如程序、線程同步，可了解為程序或線程A和B一塊配合，A執行到一定程度時要依靠B的某個結果，于是停下來，示意B運作；B依言執行，再将結果給A；A再繼續操作。

所謂同步，就是在發出一個功能調用時，在沒有得到結果之前，該調用就不傳回，同時其它線程也不能調用這個方法。按照這個定義，其實絕大多數函數都是同步調用（例如sin, isdigit等）。但是一般而言，我們在說同步、異步的時候，特指那些需要其他部件協作或者需要一定時間完成的任務。例如Window API函數SendMessage。該函數發送一個消息給某個視窗，在對方處理完消息之前，這個函數不傳回。當對方處理完畢以後，該函數才把消息處理函數所傳回的LRESULT值傳回給調用者。

在多線程程式設計裡面，一些敏感資料不允許被多個線程同時通路，此時就使用同步通路技術，保證資料在任何時刻，最多有一個線程通路，以保證資料的完整性。

4.2線程同步的方式和機制

臨界區、互斥區、事件、信号量四種方式

臨界區（Critical Section）、互斥量（Mutex）、信号量（Semaphore）、事件（Event）的差別

1、臨界區：通過對多線程的串行化來通路公共資源或一段代碼，速度快，适合控制資料通路。在任意時刻隻允許一個線程對共享資源進行通路，如果有多個線程試圖通路公共資源，那麼在有一個線程進入後，其他試圖通路公共資源的線程将被挂起，并一直等到進入臨界區的線程離開，臨界區在被釋放後，其他線程才可以搶占；

2、互斥量：采用互斥對象機制。 隻有擁有互斥對象的線程才有通路公共資源的權限，因為互斥對象隻有一個，是以能保證公共資源不會同時被多個線程通路。互斥不僅能實作同一應用程式的公共資源安全共享，還能實作不同應用程式的公共資源安全共享；

3、信号量：它允許多個線程在同一時刻通路同一資源，但是需要限制在同一時刻通路此資源的最大線程數目；

4、事 件： 通過通知操作的方式來保持線程的同步，還可以友善實作對多個線程的優先級比較的操作。 

五、利用互斥對象實作線程同步

5.1互斥對象

互斥對象（mutex）屬于核心對象，它能確定線程擁有對單個資源的互斥通路權。互斥對象包含一個使用數量，一個線程ID和一個計數器。其中ID用于辨別系統中哪個線程目前擁有互斥對象，計數器用于指明該線程擁有互斥對象的次數。

為了建立互斥對象，需要調用函數：CreateMutex,該函數可以建立或打開一個命名的或匿名的互斥對象，然後程式就可以利用互斥對象完成線程間的同步。CreateMutex函數原型聲明如下：

HANDLE CreateMutex(
LPSECURITY_ATTRIBUTESlpMutexAttributes, // 指向安全屬性的指針
BOOLbInitialOwner, // 初始化互斥對象的所有者
LPCTSTRlpName // 指向互斥對象名的指針
);
           

參數 類型及說明

lpMutexAttributes SECURITY_ATTRIBUTES，指定一個SECURITY_ATTRIBUTES結構，或傳遞零值（将參數聲明為ByVal As Long，并傳遞零值），表示使用不允許繼承的預設描述符

bInitialOwner Long，如建立程序希望立即擁有互斥體，則設為TRUE。一個互斥體同時隻能由一個線程擁有

lpName String，指定互斥體對象的名字。用vbNullString建立一個未命名的互斥體對象。如已經存在擁有這個名字的一個事件，則打開現有的已命名互斥體。這個名字可能不與現有的事件、信号機、可等待計時器或檔案映射相符

傳回值

Long，如執行成功，就傳回互斥體對象的句柄；零表示出錯。會設定GetLastError。即使傳回的是一個有效句柄，但倘若指定的名字已經存在，GetLastError也會設為ERROR_ALREADY_EXISTS 

5.2示例

#include "stdafx.h"
#include<windows.h>//需要通路Windows API函數CreateThread
#include <iostream>
using namespace std;
DWORD WINAPI Fun1Proc(//注意線程函數的聲明形式
LPVOID pParam //thread data
);
DWORD WINAPI Fun2Proc(LPVOID pParam);
int index=0;
int tickets=100;
HANDLE hMutex;
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
HANDLE hThread1;
HANDLE hThread2;
hThread1 = CreateThread(NULL,//讓新線程使用預設的安全性
0,//讓新線程采用與調用線程一樣的棧大小
Fun1Proc,//指定線程1入口函數的位址
NULL,//傳遞給線程1的參數 可以是結構體（包含多個資料），此處不需要使用這個參數 設為NULL
0,//線程建立标記 設為0 讓線程一旦建立就立即運作
NULL);//新線程的ID 這裡不需要使用該ID 設為NULL
hThread2 = CreateThread(NULL,0,Fun2Proc,NULL,0,NULL);
CloseHandle(hThread1);//關閉新線程的句柄
CloseHandle(hThread2);//關閉新線程的句柄
//建立互斥對象
hMutex=CreateMutex(NULL,//讓互斥對象擁有預設的安全性
FALSE,//該線程将不會獲得所建立的互斥對象的所有權 true 相反
NULL);//建立一個匿名的互斥對象
Sleep(4000);//延時4s
system("pause");
return 0;
}
 
//線程1的入口函數
DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID pParam)
{
while (true)
{
WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);
if (tickets>0)
{
Sleep(1);
cout<<"thread1 sell tickets:\r\n"<<tickets--<<endl;
} 
else
{
break;
}
ReleaseMutex(hMutex);//釋放互斥對象
}
return 0;
}
 
//線程2的入口函數
DWORD WINAPI Fun2Proc(LPVOID pParam)
{
while (true)
{
//實作線程必須主動請求共享對象的使用權才有可能獲得該所有權
WaitForSingleObject(hMutex,//所請求對象的句柄
INFINITE);//指定等待的時間間隔，以毫秒為機關
if (tickets>0)
{
Sleep(1);
cout<<"thread2 sell tickets:\r\n"<<tickets--<<endl;
} 
else
{
break;
}
ReleaseMutex(hMutex);
}
return 0;
} 
           

運作結果：