線程同步機製的區別與比較及進程通信方法

有關多線程的一些技術問題：

1、   何時使用多線程？

2、   線程如何同步？

3、   線程之間如何通訊？

4、   進程之間如何通訊？



先來回答第一個問題，線程實際主要應用於四個主要領域，當然各個領域之間不是絕對孤立的，他們有可能是重疊的，但是每個程序應該都可以歸於某個領域：

1、   offloading time-consuming task。由輔助線程來執行耗時計算，而使GUI有更好的反應。我想這應該是我們考慮使用線程最多的一種情況吧。

2、   Scalability。服務器軟件最常考慮的問題，在程序中產生多個線程，每個線程做一份小的工作，使每個CPU都忙碌，使CPU（一般是多個）有最佳的使用率，達到負載的均衡，這比較複雜，我想以後再討論這個問題。

3、   Fair-share resource allocation。當你向一個負荷沉重的服務器發出請求，多少時間才能獲得服務。一個服務器不能同時為太多的請求服務，必須有一個請求的最大個數，而且有時候對某些請求要優先處理，這是線程優先級幹的活了。

4、   Simulations。線程用於仿真測試。

我把主要的目光放在第一個領域，因為它正是我想要的。第二和第三個領域比較有意思，但是目前不在我的研究時間表中。



線程的同步機製：

1、   Event
用事件（Event）來同步線程是最具彈性的了。一個事件有兩種狀態：激發狀態和未激發狀態。也稱有信號狀態和無信號狀態。事件又分兩種類型：手動重置事件和自動重置事件。手動重置事件被設置為激發狀態後，會喚醒所有等待的線程，而且一直保持為激發狀態，直到程序重新把它設置為未激發狀態。自動重置事件被設置為激發狀態後，會喚醒“一個”等待中的線程，然後自動恢複為未激發狀態。所以用自動重置事件來同步兩個線程比較理想。MFC中對應的類為CEvent.。CEvent的構造函數默認創建一個自動重置的事件，而且處於未激發狀態。共有三個函數來改變事件的狀態:SetEvent,ResetEvent和PulseEvent。用事件來同步線程是一種比較理想的做法，但在實際的使用過程中要注意的是，對自動重置事件調用SetEvent和PulseEvent有可能會引起死鎖，必須小心。

2、   Critical Section
使用臨界區域的第一個忠告就是不要長時間鎖住一份資源。這裏的長時間是相對的，視不同程序而定。對一些控製軟件來說，可能是數毫秒，但是對另外一些程序來說，可以長達數分鍾。但進入臨界區後必須盡快地離開，釋放資源。如果不釋放的話，會如何？答案是不會怎樣。如果是主線程（GUI線程）要進入一個沒有被釋放的臨界區，嗬嗬，程序就會掛了！臨界區域的一個缺點就是：Critical Section不是一個核心對象，無法獲知進入臨界區的線程是生是死，如果進入臨界區的線程掛了，沒有釋放臨界資源，係統無法獲知，而且沒有辦法釋放該臨界資源。這個缺點在互斥器(Mutex)中得到了彌補。Critical Section在MFC中的相應實現類是CcriticalSection。CcriticalSection：：Lock()進入臨界區，CcriticalSection：：UnLock()離開臨界區。

3、   Mutex
互斥器的功能和臨界區域很相似。區別是：Mutex所花費的時間比Critical Section多的多，但是Mutex是核心對象(Event、Semaphore也是)，可以跨進程使用，而且等待一個被鎖住的Mutex可以設定TIMEOUT，不會像Critical Section那樣無法得知臨界區域的情況，而一直死等。MFC中的對應類為CMutex。Win32函數有：創建互斥體CreateMutex() ，打開互斥體OpenMutex()，釋放互斥體ReleaseMutex()。Mutex的擁有權並非屬於那個產生它的線程，而是最後那個對此Mutex進行等待操作（WaitForSingleObject等等）並且尚未進行ReleaseMutex()操作的線程。線程擁有Mutex就好像進入Critical Section一樣，一次隻能有一個線程擁有該Mutex。如果一個擁有Mutex的線程在返回之前沒有調用ReleaseMutex()，那麼這個Mutex就被舍棄了，但是當其他線程等待(WaitForSingleObject等)這個Mutex時，仍能返回，並得到一個WAIT_ABANDONED_0返回值。能夠知道一個Mutex被舍棄是Mutex特有的。

4、   Semaphore
信號量是最具曆史的同步機製。信號量是解決producer/consumer問題的關鍵要素。對應的MFC類是Csemaphore。Win32函數CreateSemaphore（）用來產生信號量。ReleaseSemaphore（）用來解除鎖定。Semaphore的現值代表的意義是目前可用的資源數，如果Semaphore的現值為1，表示還有一個鎖定動作可以成功。如果現值為5，就表示還有五個鎖定動作可以成功。當調用Wait…等函數要求鎖定，如果Semaphore現值不為0，Wait…馬上返回，資源數減1。當調用ReleaseSemaphore（）資源數加1，當時不會超過初始設定的資源總數。



線程之間的通訊：
線程常常要將數據傳遞給另外一個線程。Worker線程可能需要告訴別人說它的工作完成了，GUI線程則可能需要交給Worker線程一件新的工作。
通過PostThreadMessage（），可以將消息傳遞給目標線程，當然目標線程必須有消息隊列。以消息當作通訊方式，比起標準技術如使用全局變量等，有很大的好處。如果對象是同一進程中的線程，可以發送自定義消息，傳遞數據給目標線程，如果是線程在不同的進程中，就涉及進程之間的通訊了。下麵將會講到。



進程之間的通訊：

當線程分屬於不同進程，也就是分駐在不同的地址空間時，它們之間的通訊需要跨越地址空間的邊界，便得采取一些與同一進程中不同線程間通訊不同的方法。

1、   Windows專門定義了一個消息：WM_COPYDATA,用來在線程之間搬移數據，――不管兩個線程是否同屬於一個進程。同時接受這個消息的線程必須有一個窗口，即必須是UI線程。WM_COPYDATA必須由SendMessage（）來發送，不能由PostMessage（）等來發送，這是由待發送數據緩衝區的生命期決定的，出於安全的需要。

2、   WM_COPYDATA效率上麵不是太高，如果要求高效率，可以考慮使用共享內存（Shared Memory）。使用共享內存要做的是：設定一塊內存共享區域；使用共享內存；同步處理共享內存。
第一步：設定一塊內存共享區域。首先，CreateFileMapping（）產生一個file-mapping核心對象，並指定共享區域的大小。MapViewOfFile（）獲得一個指針指向可用的內存。如果是C/S模式，由Server端來產生file-mapping，那麼Client端使用OpenFileMapping（），然後調用MapViewOfFile（）。
第二步：使用共享內存。共享內存指針的使用是一件比較麻煩的事，我們需要借助_based屬性，允許指針被定義為從某一點開始起算的32位偏移值。
第三步：清理。UnmapViewOfFile（）交出由MapViewOfFile（）獲得的指針，CloseHandle（）交出file-mapping核心對象的handle。
第四步：同步處理。可以借助Mutex來進行同步處理。

3、   IPC
1）Anonymous Pipes。Anonymous Pipes隻被使用於點對點通訊。當一個進程產生另一個進程時，這是最有用的一種通訊方式。
2）Named Pipes。Named Pipes可以是單向，也可以是雙向，並且可以跨越網絡，步局限於單機。
3）Mailslots。Mailslots為廣播式通訊。Server進程可以產生Mailslots,任何Client進程可以寫數據進去，但是隻有Server進程可以取數據。
4）OLE Automation。OLE Automation和UDP都是更高階的機製，允許通訊發生於不同進程間，甚至不同機器間。
5）DDE。DDE動態數據交換，使用於16位Windows，目前這一方式應盡量避免使用。