《C++多线程编程实战》——2.9　在用户空间实现线程

本节书摘来自异步社区出版社《C++多线程编程实战》一书中的第2章，第2.9节，作者：【黑山共和国】Milos Ljumovic（米洛斯留莫维奇），更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。

2.9　在用户空间实现线程

既可以在用户空间也可以在内核中实现线程包。具体选择在哪里实现还存在一些争议，在一些实现中可能会混合使用内核线程和用户线程。

我们将讨论在不同地方实现线程包的方法及优缺点。第1种方法是，把整个线程包放进用户空间，内核完全不知道。就内核而言，它管理着普通的单线程进程。这种方法的优点和最显着的优势是，可以在不支持线程的操作系统中实现用户级线程包。

过去，传统的操作系统就采用这种方法，甚至沿用至今。用这种方法，线程可以通过库来实现。所有这些实现都具有相同的通用结构。线程运行在运行时系统的顶部，该系统是专门管理线程的过程集合。我们在前面见过一些例子（CreateThread、TerminateThread等），以后还会见到更多。

下面的程序示例演示了在用户空间中的线程用法。我们要复制大型文件，但是不想一开始就读取整个文件的内容，或者更优化地一部分一部分地读取，而且不用在文件中写入数据。这就涉及2.5节中提到的生产者-消费者问题。

准备就绪
确定安装并运行了Visual Studio。

操作步骤
1．创建一个新的Win32应用程序项目，并命名为ConcurrentFileCopy。

2．打开【解决方案资源管理器】，添加一个新的头文件，命名为ConcurrentFileCopy.h。打开ConcurrentFileCopy.h，并输入下面的代码：

#pragma once

#include <windows.h>
#include <commctrl.h>
#include <memory.h>
#include <tchar.h>
#include <math.h>

#pragma comment ( lib, "comctl32.lib" )
#pragma comment ( linker, "\"/manifestdependency:type='win32' \
name='Microsoft.Windows.Common-Controls' \
version='6.0.0.0' processorArchitecture='*' \
publicKeyToken='6595b64144ccf1df' language='*'\"" )

ATOM RegisterWndClass(HINSTANCE hInstance);
HWND InitializeInstance(HINSTANCE hInstance, int nCmdShow, HWND& hWndPB);
LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT uMsg, WPARAM wParam, LPARAM lParam);
DWORD WINAPI ReadRoutine(LPVOID lpParameter);
DWORD WINAPI WriteRoutine(LPVOID lpParameter);
BOOL FileDialog(HWND hWnd, LPTSTR szFileName, DWORD
　　dwFileOperation);
DWORD GetBlockSize(DWORD dwFileSize);

#define BUTTON_CLOSE 100
#define FILE_SAVE 0x0001
#define FILE_OPEN 0x0002
#define MUTEX_NAME _T("__RW_MUTEX__")

typedef struct _tagCOPYDETAILS
{
　　HINSTANCE hInstance;
　　HWND hWndPB;
　　LPTSTR szReadFileName;
　　LPTSTR szWriteFileName;
} COPYDETAILS, *PCOPYDETAILS;```
3．现在，打开【解决方案资源管理器】，并添加一个新的源文件，命名为`ConcurrentFileCopy.cpp`。打开`ConcurrentFileCopy.c`，并输入下面的代码：

include "ConcurrentFileCopy.h"

TCHAR* szTitle = T("Concurrent file copy");
TCHAR* szWindowClass = _T(" CFC_WND_CLASS _");

DWORD dwReadBytes = 0;
DWORD dwWriteBytes = 0;

DWORD dwBlockSize = 0;
DWORD dwFileSize = 0;

HLOCAL pMemory = NULL;

int WINAPI _tWinMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrev, LPTSTR
　　szCmdLine, int iCmdShow)
{
　　UNREFERENCED_PARAMETER(hPrev);
　　UNREFERENCED_PARAMETER(szCmdLine);

　　RegisterWndClass(hInstance);

　　HWND hWnd = NULL;
　　HWND hWndPB = NULL;

　　if (!(hWnd = InitializeInstance(hInstance, iCmdShow, hWndPB)))
　　{
　　　　return 1;
　　}

　　MSG msg = { 0 };
　　TCHAR szReadFile[MAX_PATH];
　　TCHAR szWriteFile[MAX_PATH];

　　if (FileDialog(hWnd, szReadFile, FILE_OPEN) && FileDialog(hWnd,
　　　　szWriteFile, FILE_SAVE))
　　{
　　　　COPYDETAILS copyDetails = { hInstance, hWndPB, szReadFile,
　　　　　　szWriteFile };
　　　　HANDLE hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, MUTEX_NAME);
　　　　HANDLE hReadThread = CreateThread(NULL, 0,
　　　　　　(LPTHREAD_START_ROUTINE)ReadRoutine, &copyDetails, 0, NULL);
　　　　while (GetMessage(&msg, NULL, 0, 0))
　　　　{
　　　　　　TranslateMessage(&msg);
　　　　　　DispatchMessage(&msg);
　　　　}
　　　　CloseHandle(hReadThread);
　　　　CloseHandle(hMutex);
　　}
　　else
　　{
　　　　MessageBox(hWnd, _T("Cannot open file!"),
　　　　　　_T("Error!"), MB_OK);
　　}
　　LocalFree(pMemory);
　　UnregisterClass(szWindowClass, hInstance);
　　return (int)msg.wParam;
}

ATOM RegisterWndClass(HINSTANCE hInstance)
{
　　WNDCLASSEX wndEx;

　　wndEx.cbSize = sizeof(WNDCLASSEX);
　　wndEx.style = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW;
　　wndEx.lpfnWndProc = WndProc;
　　wndEx.cbClsExtra = 0;
　　wndEx.cbWndExtra = 0;
　　wndEx.hInstance = hInstance;
　　wndEx.hIcon = LoadIcon(hInstance, MAKEINTRESOURCE(IDI_APPLICATION));
　　wndEx.hCursor = LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);
　　wndEx.hbrBackground = (HBRUSH)(COLOR_WINDOW + 1);
　　wndEx.lpszMenuName = NULL;
　　wndEx.lpszClassName = szWindowClass;
　　wndEx.hIconSm = LoadIcon(wndEx.hInstance, MAKEINTRESOURCE(IDI_APPLICATION));

　　return RegisterClassEx(&wndEx);
}

HWND InitializeInstance(HINSTANCE hInstance, int iCmdShow, HWND& hWndPB)
{
　　HWND hWnd = CreateWindow(szWindowClass, szTitle, WS_OVERLAPPED
　　　　| WS_CAPTION | WS_SYSMENU | WS_MINIMIZEBOX, 200, 200, 440, 290,
　　　　NULL, NULL, hInstance, NULL);
　　RECT rcClient = { 0 };
　　int cyVScroll = 0;

　　if (!hWnd)
　　{
　　　　return NULL;
　　}

　　HFONT hFont = CreateFont(14, 0, 0, 0, FW_NORMAL, FALSE, FALSE,
　　　　FALSE, BALTIC_CHARSET, OUT_DEFAULT_PRECIS, CLIP_DEFAULT_PRECIS,
　　　　DEFAULT_QUALITY, DEFAULT_PITCH | FF_MODERN,
　　　　_T("Microsoft Sans Serif"));
　　HWND hButton = CreateWindow(_T("BUTTON"), _T("Close"), WS_CHILD
　　　　| WS_VISIBLE | BS_PUSHBUTTON | WS_TABSTOP, 310, 200, 100, 25,
　　　　hWnd, (HMENU)BUTTON_CLOSE, hInstance, NULL);
　　SendMessage(hButton, WM_SETFONT, (WPARAM)hFont, TRUE);

　　GetClientRect(hWnd, &rcClient);
　　cyVScroll = GetSystemMetrics(SM_CYVSCROLL);

　　hWndPB = CreateWindow(PROGRESS_CLASS, (LPTSTR)NULL, WS_CHILD |
　　　　WS_VISIBLE, rcClient.left, rcClient.bottom - cyVScroll,
　　　　rcClient.right, cyVScroll, hWnd, (HMENU)0, hInstance, NULL);
　　SendMessage(hWndPB, PBM_SETSTEP, (WPARAM)1, 0);

　　ShowWindow(hWnd, iCmdShow);
　　UpdateWindow(hWnd);

　　return hWnd;
}

LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT uMsg, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
　　switch (uMsg)
　　{
　　　　case WM_COMMAND:
　　　　{
　　　　　　switch (LOWORD(wParam))
　　　　　　{
　　　　　　　　case BUTTON_CLOSE:
　　　　　　　　{
　　　　　　　　　　DestroyWindow(hWnd);
　　　　　　　　　　break;
　　　　　　　　}
　　　　　　}
　　　　　　break;
　　　　}
　　　　case WM_DESTROY:
　　　　{
　　　　　　PostQuitMessage(0);
　　　　　　break;
　　　　}
　　　　default:
　　　　{
　　　　　　return DefWindowProc(hWnd, uMsg, wParam, lParam);
　　　　}
　　}
　　return 0;
}

DWORD WINAPI ReadRoutine(LPVOID lpParameter)
{
　　PCOPYDETAILS pCopyDetails = (PCOPYDETAILS)lpParameter;
　　HANDLE hFile = CreateFile(pCopyDetails->szReadFileName,
　　　　GENERIC_READ, FILE_SHARE_READ, NULL, OPEN_EXISTING,
　　　　FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL);
　　if (hFile == (HANDLE)INVALID_HANDLE_VALUE)
　　{
　　　　return FALSE;
　　}
　　dwFileSize = GetFileSize(hFile, NULL);
　　dwBlockSize = GetBlockSize(dwFileSize);
　　HANDLE hWriteThread = CreateThread(NULL, 0,
　　　　(LPTHREAD_START_ROUTINE)WriteRoutine, pCopyDetails, 0, NULL);
　　size_t uBufferLength = (size_t)ceil((double) dwFileSize / (double)dwBlockSize);
　　SendMessage(pCopyDetails->hWndPB, PBM_SETRANGE, 0,
　　　　MAKELPARAM(0, uBufferLength));
　　pMemory = LocalAlloc(LPTR, dwFileSize);
　　void* pBuffer = LocalAlloc(LPTR, dwBlockSize);

　　int iOffset = 0;
　　DWORD dwBytesRed = 0;

　　do
　　{
　　　　ReadFile(hFile, pBuffer, dwBlockSize, &dwBytesRed, NULL);
　　　　if (!dwBytesRed)
　　　　{
　　　　　　break;
　　　　}
　　　　HANDLE hMutex = OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS, FALSE,
　　　　　　MUTEX_NAME);
　　　　WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
　　　　memcpy((char*)pMemory + iOffset, pBuffer, dwBytesRed);
　　　　dwReadBytes += dwBytesRed;

　　　　ReleaseMutex(hMutex);

　　　　iOffset += (int)dwBlockSize;
　　} while (true);

　　LocalFree(pBuffer);
　　CloseHandle(hFile);
　　CloseHandle(hWriteThread);
　　return 0;
}

DWORD WINAPI WriteRoutine(LPVOID lpParameter)
{
　　PCOPYDETAILS pCopyDetails = (PCOPYDETAILS)lpParameter;
　　HANDLE hFile = CreateFile(pCopyDetails->szWriteFileName,
　　　　GENERIC_WRITE, 0, NULL, CREATE_ALWAYS, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL);
　　if (hFile == (HANDLE)INVALID_HANDLE_VALUE)
　　{
　　　　return FALSE;
　　}

　　DWORD dwBytesWritten = 0;
　　int iOffset = 0;

　　do
　　{
　　　　int iRemainingBytes = (int)dwFileSize - iOffset;
　　　　if (iRemainingBytes <= 0)
　　　　{
　　　　　　break;
　　　　}
　　　　Sleep(10);
　　　　if (dwWriteBytes < dwReadBytes)
　　　　{
　　　　　　DWORD dwBytesToWrite = dwBlockSize;
　　　　　　if (!(dwFileSize / dwBlockSize))
　　　　　　{
　　　　　　　　dwBytesToWrite = (DWORD)iRemainingBytes;
　　　　　　}
　　　　　　HANDLE hMutex = OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS, FALSE, MUTEX_NAME);
　　　　　　WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);

　　　　　　WriteFile(hFile, (char*)pMemory + iOffset, dwBytesToWrite,
　　　　　　　　&dwBytesWritten, NULL);
　　　　　　dwWriteBytes += dwBytesWritten;

　　　　　　ReleaseMutex(hMutex);

　　　　　　SendMessage(pCopyDetails->hWndPB, PBM_STEPIT, 0, 0);
　　　　　　iOffset += (int)dwBlockSize;
　　　　}
　　} while (true);

　　CloseHandle(hFile);
　　return 0;
}

BOOL FileDialog(HWND hWnd, LPTSTR szFileName, DWORD　　dwFileOperation)
{

ifdef _UNICODE

　　OPENFILENAMEW ofn;

else

　　OPENFILENAMEA ofn;

endif

　　TCHAR szFile[MAX_PATH];

　　ZeroMemory(&ofn, sizeof(ofn));
　　ofn.lStructSize = sizeof(ofn);
　　ofn.hwndOwner = hWnd;
　　ofn.lpstrFile = szFile;
　　ofn.lpstrFile[0] = '\0';
　　ofn.nMaxFile = sizeof(szFile);
　　ofn.lpstrFilter = _T("All\0*.*\0Text\0*.TXT\0");
　　ofn.nFilterIndex = 1;
　　ofn.lpstrFileTitle = NULL;
　　ofn.nMaxFileTitle = 0;
　　ofn.lpstrInitialDir = NULL;
　　ofn.Flags = dwFileOperation == FILE_OPEN ? OFN_PATHMUSTEXIST |
　　OFN_FILEMUSTEXIST : OFN_SHOWHELP | OFN_OVERWRITEPROMPT;

　　if (dwFileOperation == FILE_OPEN)
　　{
　　　　if (GetOpenFileName(&ofn) == TRUE)
　　　　{
　　　　　　_tcscpy_s(szFileName, MAX_PATH - 1, szFile);
　　　　　　return TRUE;
　　　　}
　　}
　　else
　　{
　　　　if (GetSaveFileName(&ofn) == TRUE)
　　　　{
　　　　　　_tcscpy_s(szFileName, MAX_PATH - 1, szFile);
　　　　　　return TRUE;
　　　　}
　　}
　　return FALSE;
}

DWORD GetBlockSize(DWORD dwFileSize)
{
　　return dwFileSize > 4096 ? 4096 : 512;
}``示例分析我们创建了一个和哲学家就餐示例非常像的UI。例程MyRegisterClass、InitInstance和WndProc几乎都一样。我们在程序中添加FileDialog`来询问用户读写文件的路径。为了读和写，分别启动了两个线程。

操作系统的调度十分复杂。我们根本不知道是调度算法还是硬件中断使得某线程被调度在CUP中执行。这意味着写线程可能在读线程之前执行。出现这种情况会导致一个异常，因为写线程没东西可写。

因此，我们在写操作中添加了if条件，如下代码所示：

if ( dwBytesWritten < dwBytesRead ) 
{
　 WriteFile(hFile, pCharTmp, sizeof(TCHAR) * BLOCK_SIZE, &dwFileSize, NULL); 
　 dwBytesWritten += dwFileSize; 
　 SendMessage( hProgress, PBM_STEPIT, 0, 0 ); 
}```
线程在获得互斥量后，才能执行写操作。尽管如此，系统仍然有可能在读线程之前调度写线程，此时缓冲区是空的。因此，每次读线程获得一些内容，就要把读取的字节数加给dwBytesRed变量，只有写线程的字节数小于读线程的字节数，才可以执行写操作。否则，本轮循环将跳过写操作，并释放互斥量供其他线程使用。

更多讨论
生产者-消费者问题也称为有界缓冲问题。两个进程共享一个固定大小的公共缓冲区。生产者把信息放入缓冲区，消费者把信息从缓冲区中取出来。该问题也可扩展为m个生产者和n个消费者的问题。不过，这里我们简化了问题，只考虑一个生产者和一个消费者。当生产者往缓冲区放入新项目时缓冲区满了，就会产生问题。解决的方案是，让生产者睡眠，并在消费者已经移除一个或多个项时唤醒生产者。同理，如果消费者要从缓冲区取项目时缓冲区为空，也会产生问题。解决的方案是，让消费者睡眠，等生产者把项目放入缓冲区后再唤醒它。这种方法看起来很简单，但是会导致竞态条件。读者可以用学过的知识，尝试解决类似的情况。

最后更新：2017-06-01 13:01:17

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2.9　在用户空间实现线程

include "ConcurrentFileCopy.h"

ifdef _UNICODE

else

endif

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