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本系列意在记录Windwos线程的相关知识点,包括线程基础、线程调度、线程同步、TLS、线程池等

 

信号量内核对象

信号量内核对象用来进行资源计数,它包含一个使用计数、最大资源数、当前资源计数。最大资源数表示信号量可以控制的最大资源数量,当前资源数表示信号当前可用的资源数量。

设想一个场景:需要开发一个服务器进程,最多同时运行5个线程来响应客户端请求,应该设计一个“线程池”。最开始的时候,5个线程都应该在等待状 态,如果有一个客户端请求到来,那么唤醒其中的一个线程以处理客户端请求,如果同时的请求数量为5,那么5个线程将全部投入使用,再多的请求应该被放弃。 也就是说,随着客户端请求的增加,当前资源计数随之递减。

我们可能需要这样的一个内核对象来实现这个功能:初始化5个线程并同时等待一个内核对象触发,当一个客户端请求到来时,试图触发内核对象,这样5个 线程中随机一个被唤醒,并且自动使内核对象变为未触发。外部判断上限是否到达5。表面看来似乎用“自动重置的事件对象”即可实现这个功能啊,为什么要涉及 到信号量呢?因为信号量还可以控制一次唤醒多少个线程!!而且这个例子只是信号量的一个用途,后面我们会看到一个更实际的用途。

总结一下,信号量内核对象是这样的一种对象:它维护一个资源计数,当资源计数大于0,处于触发状态;资源计数等于0时,处于未触发状态;资源计数不可能小于0,也绝不可能大于资源计数上限。下图展示了这种内核对象的特点:

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如上图,只有资源计数>0时才是触发状态,资源=0时为未触发状态,而WaitForSingleObject成功将递减资源计数,调用ReleaseSemaphore将增加资源计数。

下面两个函数CreateSemaphoreCreateSemaphoreEx用于创建信号量对象:

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HANDLE WINAPI CreateSemaphore(
  __in_opt  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,//内核对象安全描述符
  __in      LONG lInitialCount,//资源计数的初始值
  __in      LONG lMaximumCount,//资源计数的最大值
  __in_opt  LPCTSTR lpName //内核对象命名
);
 
HANDLE WINAPI CreateSemaphoreEx(
  __in_opt    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,
  __in        LONG lInitialCount,
  __in        LONG lMaximumCount,
  __in_opt    LPCTSTR lpName,
  __reserved  DWORD dwFlags,
  __in        DWORD dwDesiredAccess
);

任何进程可以用OpenSemaphore来得到一个命名的信号量:

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HANDLE WINAPI OpenSemaphore(
  __in  DWORD dwDesiredAccess,
  __in  BOOL bInheritHandle,
  __in  LPCTSTR lpName
);

线程通过调用ReleaseSemaphore来递增资源计数,不一定每次只递增1,可以设置递增任意值。当将要超过资源上限值的时候,ReleaseSemaphore会返回FALSE。

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BOOL WINAPI ReleaseSemaphore(
  __in       HANDLE hSemaphore,
  __in       LONG lReleaseCount,//可以设置递增的值
  __out_opt  LPLONG lpPreviousCount//返回先前的资源计数
);

 

互斥量内核对象

互斥量(mutex)用来确保一个线程独占对一个资源的访问。互斥量包含一个使用计数、线程ID和一个递归计数,互斥量与关键段的行为几乎相同(因 为它记录了线程ID和递归计数,使得互斥量可以支持递归调用的情况)。互斥量的规则十分简单:如果线程ID为0(即没有线程独占它),那么它处于触发状 态,任何试图等待该对象的线程都将获得资源的独占访问;如果线程ID不为0,那么它处于未触发状态,任何试图等待该对象的线程都将等待。

可以使用CreateMutex或者CreateMutexEx创建互斥对象:

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HANDLE WINAPI CreateMutex(
  __in_opt  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,
  __in      BOOL bInitialOwner,//初始化对象的状态,如果传入FALSE则会初始化为触发状态,如果传入TRUE,那么对象的线程ID会被设置成当前调用线程,并初始化为未触发
  __in_opt  LPCTSTR lpName
);
 
HANDLE WINAPI CreateMutexEx(
  __in_opt  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,
  __in_opt  LPCTSTR lpName,
  __in      DWORD dwFlags,
  __in      DWORD dwDesiredAccess
);

一如既往,OpenMutex用于打开一个已经命名的互斥量内核对象:

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HANDLE WINAPI OpenMutex(
  __in  DWORD dwDesiredAccess,
  __in  BOOL bInheritHandle,
  __in  LPCTSTR lpName
);

线程在获得对独占资源的访问权限之后,可以正常执行相关的逻辑,当需要释放互斥对象的时候可以调用ReleaseMutex

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BOOL WINAPI ReleaseMutex(
  __in  HANDLE hMutex
);

互斥量与其他内核对象不同,它会记录究竟是哪个线程占用了共享资源,结合递归计数,同一个线程可以在获得共享资源之后继续访问共享资源,这个行为就像关键段一样。然而互斥量和关键段从本质上是不同的,关键段是用户模式的线程同步方法,而互斥量是内核模式的线程同步方式。

 

介绍完这两个内核对象后,我们思考一下前面在【Windows】线程漫谈——线程同步之Slim读/写锁中 设计的一个场景:有一个共享的队列,2个服务端线程负责读取队列中的条目以处理,2个客户端线程负责写入队列中的条目以使服务先端线程处理,当队列中没有 条目的时候应当挂起服务端线程,直到有条目进入时才被唤醒,另一方面,当队列已满时,客户端线程应当挂起直到服务端至少处理了一个条目,以释放至少一个条 目的空间。

现在我们来用信号量和互斥量来实现同样的功能,下面的流程图分别是客户端写入线程和服务端读取线程的逻辑:

1.首先创建一个互斥量对象m_hmtxQ,并初始化为未触发状态;之后创建一个信号量对象,并设置最大资源计数为队列的长度,初始化资源计数为0,正好表征队列元素的个数。

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m_hmtxQ = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);
m_hsemNumElements = CreateSemaphore(NULL,0,nMaxElements,NULL);

2.设计客户端核心逻辑如下图:

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WatiForSingleObject:试图获得队列的独占访问权限,对于这个队列无论是读还是写都应该是线程独占的。因此,使用互斥量对象来同步;

ReleaseSemaphore:试图增加一个资源计数,表征客户端想要向队列中增加一个元素,当然队列可能现在已经满了,对应的资源计数已达到 计数上限,此时ReleaseSemaphore会返回FALSE,这样客户端就不能像队列中插入元素。反之,如果ReleaseSemaphore返回 TRUE,表示队列没有满,客户端可以向队列中插入元素。

ReleaseMutex:无论客户端是否能够像队列中插入元素,在结束访问后,都应该释放互斥对象,以便其他线程能够进入临界资源。

3.设计服务端核心逻辑如下图:

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WatiForSingleObject:试图获得队列的独占访问权限,对于这个队列无论是读还是写都应该是线程独占的。因此,使用互斥量对象来同步;

WaitForSingleObject(m_hsemNumElements…):试图检查信号量对象是否是触发状态。只有是触发状态的信号量对 象,线程才能进入;也就意味着:队列中只要有元素(资源>0,触发状态),服务端就能读取。反之,如果队列中没有元素(资源=0,未触发状态),服 务端将暂时不能访问队列,这时应该立即释放Mutex。

ReleaseMutex:无论客户端是否能够像队列中插入元素,在结束访问后,都应该释放互斥对象,以便其他线程能够进入临界资源。



原文:http://www.cnblogs.com/P_Chou/archive/2012/07/13/semaphore-and-mutex-in-thread-sync.html

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