在進(jìn)行多線程編程時(shí)，難免還要碰到兩個(gè)問題，那就線程間的互斥與同步：
線程同步是指線程之間所具有的一種制約關(guān)系，一個(gè)線程的執(zhí)行依賴另一個(gè)線程的消息，當(dāng)它沒有得到另一個(gè)線程的消息時(shí)應(yīng)等待，直到消息到達(dá)時(shí)才被喚醒。
線程互斥是指對于共享的進(jìn)程系統(tǒng)資源，在各單個(gè)線程訪問時(shí)的排它性。當(dāng)有若干個(gè)線程都要使用某一共享資源時(shí)，任何時(shí)刻最多只允許一個(gè)線程去使用，其它要使用該資源的線程必須等待，直到占用資源者釋放該資源。線程互斥可以看成是一種特殊的線程同步（下文統(tǒng)稱為同步）。
線程間的同步方法大體可分為兩類：用戶模式和內(nèi)核模式。顧名思義，內(nèi)核模式就是指利用系統(tǒng)內(nèi)核對象的單一性來進(jìn)行同步，使用時(shí)需要切換內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)，而用戶模式就是不需要切換到內(nèi)核態(tài)，只在用戶態(tài)完成操作。
用戶模式下的方法有：原子操作（例如一個(gè)單一的全局變量），臨界區(qū)。內(nèi)核模式下的方法有：事件，信號(hào)量，互斥量。
下面我們來分別看一下這些方法：
原子操作（全局變量）：
#include "stdafx.h"
#include "windows.h"
#include "stdio.h"
volatile int ThreadData = 1;
void ThreadProcess()
{
for(int i=0; i<6; i++)
{
Sleep(1000);
printf("Sub Thread Tick %5d!\n",(i+1)*1000);
}
ThreadData = 0;
printf("Exit Sub Thread!\n");
}
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
HANDLE hThread;
DWORD ThreadID;
hThread=CreateThread(NULL,
0,
(LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadProcess,
NULL,
0,
&ThreadID);
while (ThreadData)
{
printf("Main Thread is waiting for Sub Thread!\n");
Sleep(600);
}
printf("Main Thread Finished! \n");
system("pause");
return 0;
} 在上面的程序中，我利用了全局變量ThreadData來進(jìn)行線程間的同步，當(dāng)子線程結(jié)束時(shí)改變該值，而父線程則循環(huán)判斷該值來確認(rèn)子線程是否已經(jīng)結(jié)束，當(dāng)子線程結(jié)束時(shí)，父線程才繼續(xù)進(jìn)行下面的操作。
臨界區(qū)（Critical Section）
保證在某一時(shí)刻只有一個(gè)線程能訪問數(shù)據(jù)的簡便辦法。在任意時(shí)刻只允許一個(gè)線程對共享資源進(jìn)行訪問。如果有多個(gè)線程試圖同時(shí)訪問臨界區(qū)，那么在有一個(gè)線程進(jìn)入后其他所有試圖訪問此臨界區(qū)的線程將被掛起，并一直持續(xù)到進(jìn)入臨界區(qū)的線程離開。臨界區(qū)在被釋放后，其他線程可以繼續(xù)搶占，并以此達(dá)到用原子方式操作共享資源的目的。
臨界區(qū)包含兩個(gè)操作原語：
EnterCriticalSection（） 進(jìn)入臨界區(qū)
LeaveCriticalSection（） 離開臨界區(qū)
EnterCriticalSection（）語句執(zhí)行后代碼將進(jìn)入臨界區(qū)以后無論發(fā)生什么，必須確保與之匹配的LeaveCriticalSection（）都能夠被執(zhí)行到。否則臨界區(qū)保護(hù)的共享資源將永遠(yuǎn)不會(huì)被釋放。雖然臨界區(qū)同步速度很快，但卻只能用來同步本進(jìn)程內(nèi)的線程，而不可用來同步多個(gè)進(jìn)程中的線程。
事件（Event）
事件對象也可以通過通知操作的方式來保持線程的同步。并且可以實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)程中的線程同步操作。
信號(hào)量包含的幾個(gè)操作原語：
CreateEvent（） 創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量
OpenEvent（） 打開一個(gè)事件
SetEvent（） 回置事件
WaitForSingleObject（） 等待一個(gè)事件
WaitForMultipleObjects（） 等待多個(gè)事件
WaitForMultipleObjects 函數(shù)原型：
WaitForMultipleObjects（
IN DWORD nCount, // 等待句柄數(shù)
IN CONST HANDLE *lpHandles, //指向句柄數(shù)組
IN BOOL bWaitAll, //是否完全等待標(biāo)志
IN DWORD dwMilliseconds //等待時(shí)間
）
參數(shù)nCount指定了要等待的內(nèi)核對象的數(shù)目，存放這些內(nèi)核對象的數(shù)組由lpHandles來指向。fWaitAll對指定的這nCount個(gè)內(nèi)核對象的兩種等待方式進(jìn)行了指定，為TRUE時(shí)當(dāng)所有對象都被通知時(shí)函數(shù)才會(huì)返回，為FALSE則只要其中任何一個(gè)得到通知就可以返回。dwMilliseconds在這里的作用與在WaitForSingleObject（）中的作用是完全一致的。如果等待超時(shí)，函數(shù)將返回WAIT_TIMEOUT。
事件可以實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)程中的線程同步操作，并且可以方便的實(shí)現(xiàn)多個(gè)線程的優(yōu)先比較等待操作，例如寫多個(gè)WaitForSingleObject來代替WaitForMultipleObjects從而使編程更加靈活。
互斥量（Mutex）
互斥量跟臨界區(qū)很相似，只有擁有互斥對象的線程才具有訪問資源的權(quán)限，由于互斥對象只有一個(gè)，因此就決定了任何情況下此共享資源都不會(huì)同時(shí)被多個(gè)線程所訪問。當(dāng)前占據(jù)資源的線程在任務(wù)處理完后應(yīng)將擁有的互斥對象交出，以便其他線程在獲得后得以訪問資源。互斥量比臨界區(qū)復(fù)雜。因?yàn)槭褂没コ獠粌H僅能夠在同一應(yīng)用程序不同線程中實(shí)現(xiàn)資源的安全共享，而且可以在不同應(yīng)用程序的線程之間實(shí)現(xiàn)對資源的安全共享。
互斥量包含的幾個(gè)操作原語：
CreateMutex（） 創(chuàng)建一個(gè)互斥量
OpenMutex（） 打開一個(gè)互斥量
ReleaseMutex（） 釋放互斥量
WaitForMultipleObjects（） 等待互斥量對象
信號(hào)量（Semaphores）
信號(hào)量對象對線程的同步方式與前面幾種方法不同，信號(hào)允許多個(gè)線程同時(shí)使用共享資源，這與操作系統(tǒng)中的PV操作相同。它指出了同時(shí)訪問共享資源的線程最大數(shù)目。它允許多個(gè)線程在同一時(shí)刻訪問同一資源，但是需要限制在同一時(shí)刻訪問此資源的最大線程數(shù)目。在用CreateSemaphore（）創(chuàng)建信號(hào)量時(shí)即要同時(shí)指出允許的最大資源計(jì)數(shù)和當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)。一般是將當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)設(shè)置為最大資源計(jì)數(shù)，每增加一個(gè)線程對共享資源的訪問，當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)就會(huì)減1，只要當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)是大于0的，就可以發(fā)出信號(hào)量信號(hào)。但是當(dāng)前可用計(jì)數(shù)減小到0時(shí)則說明當(dāng)前占用資源的線程數(shù)已經(jīng)達(dá)到了所允許的最大數(shù)目，不能在允許其他線程的進(jìn)入，此時(shí)的信號(hào)量信號(hào)將無法發(fā)出。線程在處理完共享資源后，應(yīng)在離開的同時(shí)通過ReleaseSemaphore（）函數(shù)將當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)加1。在任何時(shí)候當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)決不可能大于最大資源計(jì)數(shù)。
PV操作及信號(hào)量的概念都是由荷蘭科學(xué)家E.W.Dijkstra提出的。信號(hào)量S是一個(gè)整數(shù)，S大于等于零時(shí)代表可供并發(fā)進(jìn)程使用的資源實(shí)體數(shù)，但S小于零時(shí)則表示正在等待使用共享資源的進(jìn)程數(shù)。
P操作申請資源：
（1）S減1；
（2）若S減1后仍大于等于零，則進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；
（3）若S減1后小于零，則該進(jìn)程被阻塞后進(jìn)入與該信號(hào)相對應(yīng)的隊(duì)列中，然后轉(zhuǎn)入進(jìn)程調(diào)度。
V操作釋放資源：
（1）S加1；
（2）若相加結(jié)果大于零，則進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；
（3）若相加結(jié)果小于等于零，則從該信號(hào)的等待隊(duì)列中喚醒一個(gè)等待進(jìn)程，然后再返回原進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行或轉(zhuǎn)入進(jìn)程調(diào)度。
信號(hào)量包含的幾個(gè)操作原語：
CreateSemaphore（） 創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量
OpenSemaphore（） 打開一個(gè)信號(hào)量
ReleaseSemaphore（） 釋放信號(hào)量
WaitForSingleObject（） 等待信號(hào)量
信號(hào)量的使用特點(diǎn)使其更適用于對Socket（套接字）程序中線程的同步。例如，網(wǎng)絡(luò)上的HTTP服務(wù)器要對同一時(shí)間內(nèi)訪問同一頁面的用戶數(shù)加以限制，這時(shí)可以為每一個(gè)用戶對服務(wù)器的頁面請求設(shè)置一個(gè)線程，而頁面則是待保護(hù)的共享資源，通過使用信號(hào)量對線程的同步作用可以確保在任一時(shí)刻無論有多少用戶對某一頁面進(jìn)行訪問，只有不大于設(shè)定的最大用戶數(shù)目的線程能夠進(jìn)行訪問，而其他的訪問企圖則被掛起，只有在有用戶退出對此頁面的訪問后才有可能進(jìn)入。
因?yàn)樗鼈兊氖褂梅椒ǘ己茴愃疲旅嫖医Y(jié)合起來給出一個(gè)簡單的示例：
#include "stdafx.h"
#include "windows.h"
#include "stdio.h"
volatile int ThreadData = 1;
CRITICAL_SECTION csPrint; // 臨界區(qū)
//HANDLE evtPrint; // 事件信號(hào),標(biāo)記事件是否已發(fā)生
//HANDLE mtxPrint; // 互斥信號(hào),如有信號(hào)表明已經(jīng)有線程進(jìn)入臨界區(qū)并擁有此信號(hào)
//HANDLE smphPrint; // 信號(hào)量,表示是否已經(jīng)達(dá)到允許的最大線程數(shù)
void Print(char *str)
{
EnterCriticalSection(&csPrint); // 進(jìn)入臨界區(qū)
//WaitForSingleObject(evtPrint, INFINITE); // 等待事件有信號(hào)
//WaitForSingleObject(mtxPrint, INFINITE); // 等待互斥量空置（沒有線程擁有它）
//WaitForSingleObject(smphPrint, INFINITE); // 等待對共享資源請求被通過 等于 P操作
for (;*str != '\0';str++)
{
Sleep(50);
printf("%c",*str);
}
printf("\n");
LeaveCriticalSection(&csPrint); // 退出臨界區(qū)
//SetEvent(evtPrint); // 把事件信號(hào)量恢復(fù),變?yōu)橛行盘?hào)
//ReleaseMutex(mtxPrint); // 釋放對互斥量的占有
//ReleaseSemaphore(smphPrint, 1, NULL); // 釋放共享資源 等于 V操作
}
void ThreadProcess()
{
for(int i=0; i<6; i++)
{
Sleep(1000);
Print("Sub Thread is running!");
}
ThreadData = 0;
}
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
HANDLE hThread;
DWORD ThreadID;
InitializeCriticalSection(&csPrint); // 初始化臨界區(qū)
//evtPrint = CreateEvent(NULL, FALSE, TRUE, L"PrintEvent"); // 初始化事件
//mtxPrint = CreateMutex(NULL, FALSE, L"PrintMutex"); // 初始化互斥量
//smphPrint= CreateSemaphore(NULL, 1, 1, L"PrintSemaphore"); // 設(shè)置信號(hào)量1個(gè)資源,因此同時(shí)只可以有一個(gè)線程訪問
hThread=CreateThread(NULL,
0,
(LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadProcess,
NULL,
0,
&ThreadID);
while (ThreadData)
{
Print("Main Thread is waiting for Sub Thread!");
Sleep(600);
}
printf("Main Thread Finished!");
system("pause");
return 0;
}
綜上所述：當(dāng)在同一進(jìn)程中的多線程同步時(shí)，臨界區(qū)是效率最最高，基本不需要什么開銷。而內(nèi)核對象由于要進(jìn)行用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，開銷較大，但是內(nèi)核對象由于可以命名，因此它們同時(shí)可以用于進(jìn)程間的同步。另外，值得一提的是，信號(hào)量可以設(shè)置允許訪問資源的線程或進(jìn)程個(gè)數(shù)，而不僅僅是只允許單個(gè)線程或進(jìn)程訪問資源。