《TCP/IP網絡編程》學習筆記 | Chapter 19：Windows 平臺下線程的使用

《TCP/IP網絡編程》學習筆記 | Chapter 19：Windows 平臺下線程的使用
- 內核對象
- - 內核對象的定義
  - 內核對象歸操作系統所有
- 基于 Windows 的線程創建
- - 進程與線程的關系
  - Windows 中線程的創建方法
  - Windows 線程的銷毀時間點
  - 編寫多線程程序的環境設置
  - 創建“使用線程安全標準 C 函數”的線程
  - 句柄、內核對象和 ID 間的關系
- 內核對象的 2 種狀態
- - 內核對象狀態及狀態查看
  - 驗證內核對象狀態的 2 個函數
- 習題
- - （1）下列關于內核對象的說法錯誤的是？
  - （2）現代操作系統大部分都在操作系統級別支持線程。根據該情況判斷下列描述中錯誤的是？
  - （3）請比較從內存中完全銷毀 Windows 線程和 Linux 線程的方法。
  - （4）通過線程創建過程解釋內核對象、線程、句柄之間的關系。
  - （5）判斷下列關于內核對象描述的正誤。
  - （6）請解釋“auto-reset模式”和manual-reset模式”的內核對象。區分二者的內核對象特征是什么？

《TCP/IP網絡編程》學習筆記 | Chapter 19：Windows 平臺下線程的使用

內核對象

要想掌握 Windows 平臺下的線程，應首先理解內核對象（Kernel Objects）的概念。

內核對象的定義

操作系統創建的資源有很多種，如進程、線程、文件及即將介紹的信號量、互斥量等。其中大部分都是通過程序員的請求創建的，而且請求方式各不相同。雖然存在一些差異，但它們之間也有如下共同點：都是由 Windows 操作系統創建并管理的資源。

不同資源類型在管理方式也有差異。例如，文件管理中應注冊并更新文件相關的數據I/O位置、文件的打開模式（rcad or write）等。如果是線程，則應注冊并維護線程ID、線程所屬進程等信息。操作系統為了以記錄相關信息的方式管理各種資源，在其內部生成數據塊（結構體變量）。當然，每種資源需要維護的信息不同，所以每種資源擁有的數據塊格式也有差異。這類數據塊稱為“內核對象”。

假設在 Windows 下創建了 mydata.txt 文件，此時 Windows 操作系統將生成 1 個數據塊以便管理，該數據塊就是內核對象。同理，Windows 在創建進程、線程、線程同步信號量時也會生成相應的內核對象，用于管理操作系統資源。

內核對象歸操作系統所有

線程、文件等資源的創建請求均在進程內部完成，因此，很容易產生“此時創建的內核對象所有者就是進程”的錯覺。其實，內核對象所有者是內核（操作系統），內核對象的創建、管理、銷毀時機的決定等工作均由操作系統完成。

基于 Windows 的線程創建

進程與線程的關系

現代操作系統都支持線程，因此，非顯式創建線程的程序可描述為“單一線程模型的應用程序”，顯式創建單獨線程的程序可描述為“多線程模型的應用程序”。這就意味著 main 函數的運行同樣基于線程完成，此時進程可以比喻為裝有線程的籃子，實際的運行主體是線程。

Windows 中線程的創建方法

#include <windows.h>HANDLE CreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,SIZE_T dwStackSize,LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,LPVOID lpParameter,DWORD dwCreationFlags,LPDWORD lpThreadId
);

參數：

IpThreadAttributes：線程安全相關信息，使用默認設置時傳遞 NULL。
dwStackSize：要分配給線程的棧大小，傳遞 0 時生成默認大小的棧。
IpStartAddress：傳遞線程的 main 函數信息。
lpParameter：調用 main 函數時傳遞的參數信息。
dwCreationFlags：用于指定線程創建后的行為，傳遞 0 時，線程創建后立即進入可執行狀態。
IpThreadld：用于保存線程 ID 的變量地址值。

成功時返回線程句柄，失敗時返回 NULL。

調用該函數將創建線程，操作系統為了管理這些資源也將同時創建內核對象。最后返回用于區分內核對象的整數型“句柄”（Handle）。

第 1 章已介紹過，句柄相當于 Linux的文件描述符。

上述定義看起來有些復雜，其實只需要考慮 IpStartAddress 和 lpParameter 這 2 個參數，剩下的只需傳遞 0 或 NULL 即可。

Windows 線程的銷毀時間點

Windows 線程在首次調用的線程 main 函數返回時銷毀（銷毀時間點和銷毀方法與 Linux 不同）。

還有其他方法可以終止線程，但最好的方法就是讓線程main函數終止（返回）。

編寫多線程程序的環境設置

舊的 VC++6.0版默認只包含支持單線程的庫，需要自行配置。

在項目的屬性-代碼生成界面，可以檢查運行庫：

在這里插入圖片描述

創建“使用線程安全標準 C 函數”的線程

通過 CreateThread 函數調用創建出的線程在使用 C/C++ 標準函數時并不穩定。

如果線程要調用 C/C++ 標準函數，需要通過如下方法創建線程：

#include <process.h>unitptr_t _beginthreadex(void *security,unsigned stack_size,unsigned (*start_address)(void *),void *arglist,unsigned initflag,unsigned *thrdaddr
);

上述函數與之前的 CreateThread 函數相比，參數個數及各參數的含義和順序的相同，只是變量名和參數類型有所不同。因此，用上述函數替換 CreateThread 函數時，只需適當更改數據類型。上述函數的返回值類型 uintptr_t 是 64 位 unsigned 整數型。

程序示例：

在這里插入代碼片

運行結果：

在這里插入圖片描述

與 Linux 相同，Windows 同樣在 main 函數返回后終止進程，也同時終止其中包含的所有線程。另外，如果對上述代碼進行運行的話，最后輸出的內容并非字符串"end of main"，而是"running thread"。但這是在 main 函數返回后，完全銷毀進程前輸出的字符串。

句柄、內核對象和 ID 間的關系

線程屬于操作系統管理資源，伴隨內核對象的創建，為了引用內核對象而返回句柄。

可以通過句柄區分內核對象，通過內核對象可以區分線程，最終，線程句柄成為區分線程的工具。

句柄的整數值在不同進程中可能重復。通過 CreateThread/_beginthreadex 函數可以得到線程 ID，它用于區分操作系統創建的所有線程，在跨進程范圍內不會重復。

內核對象的 2 種狀態

應用程序實現過程中需要特別關注的信息被賦予某種“狀態”。

線程終止狀態又稱 signaled 狀態，未終止狀態稱為 non-signaled 狀態。

內核對象狀態及狀態查看

進程或線程終止時，操作系統會把相應的內核對象改為 signaled 狀態。

這也意味著，進程和線程的內核對象初始狀態是 non-signaled 狀態。

內核對象帶有 1 個 boolean 變量，其初始值為 FALSE，此時的狀態就是 non-signaled 狀態。如果發生約定的情況，把該變量改為 TRUE，此時的狀態就是 signaled 狀態。內核對象類型不同，進入 signaled 狀態的情況也有所區別（即對應事件也有區別）。

驗證內核對象狀態的 2 個函數

首先介紹 WaitForSingleObject 函數，該函數針對單個內核對象驗證 signaled 狀態。

#include<windows.h>DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle,DWORD dwMilliseconds
);

參數：

hHandle：查看狀態的內核對象句柄。
dwMilliseconds：以 1ms 為單位指定超時，傳遞 INFINITE 時函數不會返回，直到內核對象變成 signaled狀態。

進入 signaled 狀態返回 WAIT_OBJECT_0，超時返回 WAIT_TIMEOUT，失敗時返回 WAIT_FAILED。

該函數由于發生事件（變為 signaled 狀態）返回時，有時會把相應內核對象再次改為 non-signaled 狀態。這種可以再次進入 non-signaled 狀態的內核對象稱為“auto-reset模式”的內核對象，而不會自動跳轉到 non-signaled 狀態的內核對象稱為“manual-reset模式”的內核對象。

WaitForMultipleObjects 函數與 WaitForSingleObject 函數不同，可以驗證多個內核對象狀態。

#include <windows.h>DWORD WaitForMultipleObjects(DWORD nCount,const HANDLE *lphHandles,BOOL bWaitAll,DWORD dwMilliseconds
);

參數：

nCount：需驗證的內核對象數。
IpHandles：存有內核對象句柄的數組地址值。
bWaitAll：如果為 TRUE，則所有內核對象全部變為 signaled 時返回；如果為 FALSE，則只要有 1 個對象的狀態變為 signaled 就會返回。
dwMilliseconds：以 1ms 為單指定超時，傳遞 INFINITE 時函數不會返回，直到內核對象變為 signaled 狀態。

成功時返回事件信息，失敗時返回 WAIT_FAILED。

下面利用 WaitForSingleObject 函數嘗試解決示例的問題。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <windows.h>
#include <process.h>unsigned WINAPI ThreadFunc(void *arg); // WINAPI 是 Windows 固有的關鍵字，表示遵守 _beginthreadex 函數的調用規定int main(int argc, char *argv[])
{HANDLE hThread;DWORD wr;unsigned threadID;int param = 5;hThread = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ThreadFunc, (void *)&param, 0, &threadID);if (hThread == 0){puts("_beginthreadex() error");return -1;}if ((wr = WaitForSingleObject(hThread, INFINITE)) == WAIT_FAILED){puts("thread wait error");return -1;}printf("wait result: %s \n", (wr == WAIT_OBJECT_0) ? "signaled" : "time-out");puts("end of main");system("pause");return 0;
}unsigned WINAPI ThreadFunc(void *arg)
{int cnt = *((int *)arg);for (int i = 0; i < cnt; i++){Sleep(1000);puts("runnning thread");}return 0;
}

運行結果：

在這里插入圖片描述

可以看出，thread1_win.c 中的問題得到解決。

第 18 章在 Linux 平臺下分析了臨界區問題，本章最后的內容將留給 Windows 平臺下的臨界區問題。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <windows.h>
#include <process.h>#define NUM_THREAD 50
unsigned WINAPI threadInc(void *arg);
unsigned WINAPI threadDes(void *arg);
long long num = 0;int main(int argc, char *argv[])
{HANDLE tHandles[NUM_THREAD];int i;printf("sizeof long long: %d \n", sizeof(long long));for (i = 0; i < NUM_THREAD; i++){if (i % 2)tHandles[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, threadInc, NULL, 0, NULL);elsetHandles[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, threadDes, NULL, 0, NULL);}WaitForMultipleObjects(NUM_THREAD, tHandles, TRUE, INFINITE);printf("result: %lld \n", num);system("pause");return 0;
}unsigned WINAPI threadInc(void *arg)
{int i;for (i = 0; i < 50000000; i++)num += 1;return 0;
}unsigned WINAPI threadDes(void *arg)
{int i;for (i = 0; i < 50000000; i++)num -= 1;return 0;
}