WIN32核心編程 - 線程操作(二) 同步互斥

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競態條件

CriticalSection

Mutex

CriticalSection & Mutex

Semaphore

Event

競態條件

多線程環境下，當多個線程同時訪問或者修改同一個數據時，最終結果為線程執行的時許。
如果沒有同步機制，會發生競態條件，可能導致數據不準確，或者程序發生異常等。

#include <iostream>
#include <windows.h>DWORD g_Num = 0;DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
{for (size_t i = 0; i < 10000000; i++){//g_Num++;__asm LOCK INC [g_Num] }return 0;
}int main()
{HANDLE hThread[2] = { 0 };hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, -1);std::cout << g_Num << std::endl;return 0;
}

CriticalSection

#include <iostream>
#include <windows.h>DWORD g_Num = 0;
CRITICAL_SECTION cs = { 0 };DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
{for (size_t i = 0; i < 1000000; i++){// 進入臨界區EnterCriticalSection(&cs);// TODOg_Num++;// 退出臨界區LeaveCriticalSection(&cs);}return 0;
}int main()
{HANDLE hThread[2] = { 0 };// 初始臨界區InitializeCriticalSection(&cs);hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, -1);std::cout << g_Num << std::endl;// 清理臨界區DeleteCriticalSection(&cs);return 0;
}

Mutex

互斥體(Mutex)，用于防止多個線程同時訪問或修改共享資源。
同一時刻下只有一個線程可以擁有互斥體的所有權，如果一個線程擁有了互斥體的所有權，則其他請求該互斥體的線程將會被阻塞，直到互斥體權限釋放。
創建互斥體 - CreateMutex
請求互斥體 - WaitForSingleObject
釋放互斥體 - ReleaseMutex

#include <iostream>
#include <windows.h>HANDLE hMutex = 0;
DWORD g_Num = 0;DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
{for (size_t i = 0; i < 100000; i++){WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);g_Num++;ReleaseMutex(hMutex);}return 0;
}int main()
{hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL); HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);WaitForSingleObject(hThread1, INFINITE);WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);CloseHandle(hThread1);CloseHandle(hThread2);CloseHandle(hMutex);std::cout << g_Num << std::endl;return 0;
}

CriticalSection & Mutex

臨界區
- 共享資源的線程同步機制，臨界區在同一進程的線程之間提供了互斥訪問。
- 每個線程在訪問共享資源之前必須先能夠進入臨界區，在訪問結束后離開臨界區，完成線程同步。

互斥體

線程同步機制，用來限制多個線程同時訪問共享資源。
互斥體可以同步進程或者線程，且可以跨進程同步。

#include <iostream>
#include <Windows.h>int main()
{HANDLE hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, L"0xCC_Mutex");if (hMutex == NULL) return 0;if (GetLastError() == ERROR_ALREADY_EXISTS){MessageBox(NULL, L"禁止多開", L"錯誤", MB_OKCANCEL);return 0;}std::cout << "Game Start..." << std::endl;system("pause");CloseHandle(hMutex);return 0;
}

性能
- 臨界區在同一進程的線程中比互斥體更快。

功能
- 互斥體可以跨進程同步，但臨界區只能夠在同一個進程下的線程之間進行同步。

所有權
- 互斥體有嚴格的所有權要求，只有擁有互斥體權限的線程才能夠釋放它。

死鎖

當線程在持有鎖的情況下意外死亡(異常)
如果線程在持有臨界區鎖的情況下意外終結，這個鎖不會被釋放，導致其他等待該臨界區的線程無法正常執行，造成死鎖。

#include <iostream>
#include <Windows.h>CRITICAL_SECTION CriticalSection = { 0 };DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
{EnterCriticalSection(&CriticalSection);printf("TID -> %d \r\n", GetCurrentThreadId());Sleep(5000);LeaveCriticalSection(&CriticalSection);return 0;
}int main()
{InitializeCriticalSection(&CriticalSection);HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);Sleep(1000);TerminateThread(hThread1, 1);HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);DeleteCriticalSection(&CriticalSection);return 0;
}

如果線程在持有互斥體鎖的情況下意外終結，Windows會自動釋放其所有權，使得其他線程可以繼續正常執行。

#include <iostream>
#include <Windows.h>HANDLE hMutex = NULL;DWORD WINAPI WorkThread1(LPVOID lp)
{WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);printf("TID -> %d \r\n", GetCurrentThreadId());Sleep(5000);TerminateThread(GetCurrentThread(), -1);//todoreturn 0;
}DWORD WINAPI WorkThread2(LPVOID lp)
{printf("Wait For Thread1 Leave\r\n");WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);printf("TID -> %d \r\n", GetCurrentThreadId());ReleaseMutex(hMutex);return 0;
}int main()
{hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread1, NULL, 0, NULL);Sleep(1000);HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread2, NULL, 0, NULL);WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);CloseHandle(hMutex);CloseHandle(hThread1);CloseHandle(hThread2);return 0;
}

Semaphore

信號量是一種同步對象，用于控制多個線程對共享資源的訪問。它是一個計數器，用來表示可用資源的數量。當信號量的值大于0，它表示有資源可用；當值為0，表示沒有可用資源。
- 等待：試圖減少信號量的值。如果信號量的值大于0，減1并繼續執行。如果信號量的值為0，則線程阻塞，直到信號量的值變為大于0。
- 釋放：增加信號量的值。如果有其他線程因等待這個信號量而阻塞，它們中的一個將被喚醒。

創建信號量
- 在 Windows 系統中，使用 CreateSemaphore 或 CreateSemaphoreEx 函數創建信號量。

等待（Wait）和釋放（Release）信號量
- 等待信號量通常使用 WaitForSingleObject 或 WaitForMultipleObjects 函數。
- 釋放信號量使用 ReleaseSemaphore 函數。

#include <iostream>
#include <Windows.h>#define MAX_COUNT_SEMAPHORE 3HANDLE g_SemapHore = NULL;
HANDLE g_hThreadArr[10] = { 0 };DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
{WaitForSingleObject(g_SemapHore, INFINITE);for (size_t i = 0; i < 10; i++){std::cout << "COUNT -> " << (int)lp << std::endl;Sleep(500);}ReleaseSemaphore(g_SemapHore, 1, NULL);return 0;
}int main()
{g_SemapHore = CreateSemaphore(NULL,						//安全屬性MAX_COUNT_SEMAPHORE,		//初始計數MAX_COUNT_SEMAPHORE,		//最大計數NULL						//信號名稱);if (g_SemapHore == NULL){std::cout << GetLastError() << std::endl;return 1;}for (size_t i = 0; i < 10; i++){g_hThreadArr[i] = CreateThread(NULL,0,WorkThread,(LPVOID)i,0,NULL);}WaitForMultipleObjects(10, g_hThreadArr, TRUE, INFINITE);//closehandlereturn 0;
}

Event

在Windows編程中，事件是一種同步機制，用于在多個線程之間發送信號。事件對象可以是手動重置或自動重置。
- 手動重置事件（Manual Reset Event）：當事件被設置（signaled）后，它將保持這個狀態直到顯式地被重置。這意味著多個等待該事件的線程都可以在事件被重置之前被喚醒。
- 自動重置事件（Auto Reset Event）：當事件被一個等待的線程接收（signaled）后，系統會自動將事件狀態重置為非信號狀態（non-signaled）。這意味著每次只允許一個線程被喚醒。

創建事件
- 使用Windows API函數CreateEvent可以創建一個事件對象
- lpEventAttributes：指向安全屬性的指針，如果設置為NULL，則使用默認安全性。
- bManualReset：如果為TRUE，則創建一個手動重置事件，否則創建自動重置事件。
- bInitialState：如果為TRUE，則初始狀態為信號狀態；如果為FALSE，則為非信號狀態。
- lpName：事件的名稱。

設置事件（將事件狀態設置為信號狀態）使用SetEvent函數
重置事件（將事件狀態設置為非信號狀態）使用ResetEvent函數
等待事件等待一個事件對象變為信號狀態使用WaitForSingleObject函數

#include <iostream>
#include <Windows.h>DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
{HANDLE hEvent = *(HANDLE*)lp;std::cout << "Thread - " << GetCurrentThreadId() << " Waiting For Event" << std::endl;WaitForSingleObject(hEvent, INFINITE);std::cout << "Thread - " << GetCurrentThreadId() << " actived" << std::endl;return 0;
}int main()
{HANDLE hThreads[3] = { 0 };HANDLE hEvent = NULL;hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);if (hEvent == NULL) return 0;for (size_t i = 0; i < 3; i++){hThreads[i] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, &hEvent, 0, NULL);}Sleep(2000);SetEvent(hEvent);WaitForMultipleObjects(3, hThreads, TRUE, INFINITE);CloseHandle(hEvent);return 0;
}