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转多线程编程之一——问题提出2007-09-16 10:54:00

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多线程编程之一——问题提出

作者:韩耀旭

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一、问题的提出

编写一个耗时的单线程程序:

  新建一个基于对话框的应用程序SingleThread,在主对话框IDD_SINGLETHREAD_DIALOG添加一个按钮,ID为IDC_SLEEP_SIX_SECOND,标题为“延时6秒”,添加按钮的响应函数,代码如下:

void CSingleThreadDlg::OnSleepSixSecond() 
{
	Sleep(6000); //延时6秒
}
  编译并运行应用程序,单击“延时6秒”按钮,你就会发现在这6秒期间程序就象“死机”一样,不在响应其它消息。为了更好地处理这种耗时的操作,我们有必要学习——多线程编程。

二、多线程概述

  进程和线程都是操作系统的概念。进程是应用程序的执行实例,每个进程是由私有的虚拟地址空间、代码、数据和其它各种系统资源组成,进程在运行过程中创建的资源随着进程的终止而被销毁,所使用的系统资源在进程终止时被释放或关闭。
  线程是进程内部的一个执行单元。系统创建好进程后,实际上就启动执行了该进程的主执行线程,主执行线程以函数地址形式,比如说main或WinMain函数,将程序的启动点提供给Windows系统。主执行线程终止了,进程也就随之终止。
  每一个进程至少有一个主执行线程,它无需由用户去主动创建,是由系统自动创建的。用户根据需要在应用程序中创建其它线程,多个线程并发地运行于同一个进程中。一个进程中的所有线程都在该进程的虚拟地址空间中,共同使用这些虚拟地址空间、全局变量和系统资源,所以线程间的通讯非常方便,多线程技术的应用也较为广泛。
  多线程可以实现并行处理,避免了某项任务长时间占用CPU时间。要说明的一点是,目前大多数的计算机都是单处理器(CPU)的,为了运行所有这些线程,操作系统为每个独立线程安排一些CPU时间,操作系统以轮换方式向线程提供时间片,这就给人一种假象,好象这些线程都在同时运行。由此可见,如果两个非常活跃的线程为了抢夺对CPU的控制权,在线程切换时会消耗很多的CPU资源,反而会降低系统的性能。这一点在多线程编程时应该注意。
  Win32 SDK函数支持进行多线程的程序设计,并提供了操作系统原理中的各种同步、互斥和临界区等操作。Visual C++ 6.0中,使用MFC类库也实现了多线程的程序设计,使得多线程编程更加方便。

三、Win32 API对多线程编程的支持

  Win32 提供了一系列的API函数来完成线程的创建、挂起、恢复、终结以及通信等工作。下面将选取其中的一些重要函数进行说明。

1、HANDLE CreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,
                 DWORD dwStackSize,
                 LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,
                 LPVOID lpParameter,
                 DWORD dwCreationFlags,
                 LPDWORD lpThreadId);
该函数在其调用进程的进程空间里创建一个新的线程,并返回已建线程的句柄,其中各参数说明如下:
  • lpThreadAttributes:指向一个 SECURITY_ATTRIBUTES 结构的指针,该结构决定了线程的安全属性,一般置为 NULL;
  • dwStackSize:指定了线程的堆栈深度,一般都设置为0;
  • lpStartAddress:表示新线程开始执行时代码所在函数的地址,即线程的起始地址。一般情况为(LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadFunc,ThreadFunc 是线程函数名;
  • lpParameter:指定了线程执行时传送给线程的32位参数,即线程函数的参数;
  • dwCreationFlags:控制线程创建的附加标志,可以取两种值。如果该参数为0,线程在被创建后就会立即开始执行;如果该参数为CREATE_SUSPENDED,则系统产生线程后,该线程处于挂起状态,并不马上执行,直至函数ResumeThread被调用;
  • lpThreadId:该参数返回所创建线程的ID;

如果创建成功则返回线程的句柄,否则返回NULL。

2、DWORD SuspendThread(HANDLE hThread);
该函数用于挂起指定的线程,如果函数执行成功,则线程的执行被终止。
3、DWORD ResumeThread(HANDLE hThread);
该函数用于结束线程的挂起状态,执行线程。
4、VOID ExitThread(DWORD dwExitCode);
该函数用于线程终结自身的执行,主要在线程的执行函数中被调用。其中参数dwExitCode用来设置线程的退出码。
5、BOOL TerminateThread(HANDLE hThread,DWORD dwExitCode);
  一般情况下,线程运行结束之后,线程函数正常返回,但是应用程序可以调用TerminateThread强行终止某一线程的执行。各参数含义如下:
  • hThread:将被终结的线程的句柄;
  • dwExitCode:用于指定线程的退出码。

  使用TerminateThread()终止某个线程的执行是不安全的,可能会引起系统不稳定;虽然该函数立即终止线程的执行,但并不释放线程所占用的资源。因此,一般不建议使用该函数。

6、BOOL PostThreadMessage(DWORD idThread,
			UINT Msg,
			WPARAM wParam,
			LPARAM lParam);
该函数将一条消息放入到指定线程的消息队列中,并且不等到消息被该线程处理时便返回。
  • idThread:将接收消息的线程的ID;
  • Msg:指定用来发送的消息;
  • wParam:同消息有关的字参数;
  • lParam:同消息有关的长参数;

调用该函数时,如果即将接收消息的线程没有创建消息循环,则该函数执行失败。

四、Win32 API多线程编程例程

例程1 MultiThread1

  1. 建立一个基于对话框的工程MultiThread1,在对话框IDD_MULTITHREAD1_DIALOG中加入两个按钮和一个编辑框,两个按钮的ID分别是IDC_START,IDC_STOP ,标题分别为“启动”,“停止”,IDC_STOP的属性选中Disabled;编辑框的ID为IDC_TIME ,属性选中Read-only;
     
  2. 在MultiThread1Dlg.h文件中添加线程函数声明:
    void ThreadFunc();
    
    注意,线程函数的声明应在类CMultiThread1Dlg的外部。 在类CMultiThread1Dlg内部添加protected型变量:
    	HANDLE hThread;
    	DWORD ThreadID;
    
    分别代表线程的句柄和ID。
     
  3. 在MultiThread1Dlg.cpp文件中添加全局变量m_bRun :
    volatile BOOL m_bRun;
    
    m_bRun 代表线程是否正在运行。

    你要留意到全局变量 m_bRun 是使用 volatile 修饰符的,volatile 修饰符的作用是告诉编译器无需对该变量作任何的优化,即无需将它放到一个寄存器中,并且该值可被外部改变。对于多线程引用的全局变量来说, volatile 是一个非常重要的修饰符。

    编写线程函数:
    void ThreadFunc()
    {
    	CTime time;
    	CString strTime;
    	m_bRun=TRUE;
    	while(m_bRun)
    	{
    		time=CTime::GetCurrentTime();
    		strTime=time.Format("%H:%M:%S");
    		::SetDlgItemText(AfxGetMainWnd()->m_hWnd,IDC_TIME,strTime);
    		Sleep(1000);
    	}
    }
    
    该线程函数没有参数,也不返回函数值。只要m_bRun为TRUE,线程一直运行。

    双击IDC_START按钮,完成该按钮的消息函数:
    void CMultiThread1Dlg::OnStart() 
    {
    	// TODO: Add your control notification handler code here
    	hThread=CreateThread(NULL,
    		0,
    		(LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadFunc,
    		NULL,
    		0,
    		&ThreadID);
    	GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(FALSE);
    	GetDlgItem(IDC_STOP)->EnableWindow(TRUE);
    
    }
    
    双击IDC_STOP按钮,完成该按钮的消息函数:
    void CMultiThread1Dlg::OnStop() 
    {
    	// TODO: Add your control notification handler code here
    	m_bRun=FALSE;
    	GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(TRUE);
    	GetDlgItem(IDC_STOP)->EnableWindow(FALSE);
    }
    
    编译并运行该例程,体会使用Win32 API编写的多线程。

例程2 MultiThread2

  该线程演示了如何传送一个一个整型的参数到一个线程中,以及如何等待一个线程完成处理。

  1. 建立一个基于对话框的工程MultiThread2,在对话框IDD_MULTITHREAD2_DIALOG中加入一个编辑框和一个按钮,ID分别是IDC_COUNT,IDC_START ,按钮控件的标题为“开始”;
  2. 在MultiThread2Dlg.h文件中添加线程函数声明:
    void ThreadFunc(int integer);
    
    注意,线程函数的声明应在类CMultiThread2Dlg的外部。

    在类CMultiThread2Dlg内部添加protected型变量:
    	HANDLE hThread;
    	DWORD ThreadID;
    
    分别代表线程的句柄和ID。
     
  3. 打开ClassWizard,为编辑框IDC_COUNT添加int型变量m_nCount。在MultiThread2Dlg.cpp文件中添加:
    void ThreadFunc(int integer)
    {
    	int i;
    	for(i=0;i<integer;i++)
    	{
    		Beep(200,50);
    		Sleep(1000);
    	}
    } 
    
    双击IDC_START按钮,完成该按钮的消息函数:
    void CMultiThread2Dlg::OnStart() 
    {
    	UpdateData(TRUE);
    	int integer=m_nCount;
    	hThread=CreateThread(NULL,
    		0,
    		(LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadFunc,
    		(VOID*)integer,
    		0,
    		&ThreadID);
    	GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(FALSE);
    	WaitForSingleObject(hThread,INFINITE);
    	GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(TRUE);
    }
    
    顺便说一下WaitForSingleObject函数,其函数原型为:
    DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle,DWORD dwMilliseconds);
    
    • hHandle为要监视的对象(一般为同步对象,也可以是线程)的句柄;
    • dwMilliseconds为hHandle对象所设置的超时值,单位为毫秒;

      当在某一线程中调用该函数时,线程暂时挂起,系统监视hHandle所指向的对象的状态。如果在挂起的dwMilliseconds毫秒内,线程所等待的对象变为有信号状态,则该函数立即返回;如果超时时间已经到达dwMilliseconds毫秒,但hHandle所指向的对象还没有变成有信号状态,函数照样返回。参数dwMilliseconds有两个具有特殊意义的值:0和INFINITE。若为0,则该函数立即返回;若为 INFINITE,则线程一直被挂起,直到hHandle所指向的对象变为有信号状态时为止。
      本例程调用该函数的作用是按下IDC_START按钮后,一直等到线程返回,再恢复IDC_START按钮正常状态。编译运行该例程并细心体会。

例程3 MultiThread3

传送一个结构体给一个线程函数也是可能的,可以通过传送一个指向结构体的指针参数来完成。先定义一个结构体:

typedef struct
{
 int firstArgu,
 long secondArgu,
…
}myType,*pMyType;
创建线程时
CreateThread(NULL,0,threadFunc,pMyType,…);

在threadFunc函数内部,可以使用“强制转换”:

int intValue=((pMyType)lpvoid)->firstArgu;
long longValue=((pMyType)lpvoid)->seconddArgu;
……
例程3 MultiThread3将演示如何传送一个指向结构体的指针参数。

  1. 建立一个基于对话框的工程MultiThread3,在对话框IDD_MULTITHREAD3_DIALOG中加入一个编辑框IDC_MILLISECOND,一个按钮IDC_START,标题为“开始” ,一个进度条IDC_PROGRESS1;
  2. 打开ClassWizard,为编辑框IDC_MILLISECOND添加int型变量m_nMilliSecond,为进度条IDC_PROGRESS1添加CProgressCtrl型变量m_ctrlProgress;
  3. 在MultiThread3Dlg.h文件中添加一个结构的定义:
    struct threadInfo
    {
    	UINT nMilliSecond;
    	CProgressCtrl* pctrlProgress;
    };
    
    线程函数的声明:
    UINT ThreadFunc(LPVOID lpParam);
    
    注意,二者应在类CMultiThread3Dlg的外部。

    在类CMultiThread3Dlg内部添加protected型变量:
    HANDLE hThread;
    DWORD ThreadID;
    
    分别代表线程的句柄和ID。
  4. 在MultiThread3Dlg.cpp文件中进行如下操作:

    定义公共变量 threadInfo Info;
    双击按钮IDC_START,添加相应消息处理函数:
    void CMultiThread3Dlg::OnStart() 
    {
    	// TODO: Add your control notification handler code here
    
    	UpdateData(TRUE);
    	Info.nMilliSecond=m_nMilliSecond;
    	Info.pctrlProgress=&m_ctrlProgress;
    
    	hThread=CreateThread(NULL,
    		0,
    		(LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadFunc,
    		&Info,
    		0,
    		&ThreadID);
    /*
    	GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(FALSE);
    	WaitForSingleObject(hThread,INFINITE);
    	GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(TRUE);
    */
    }
    
    在函数BOOL CMultiThread3Dlg::OnInitDialog()中添加语句:
    {
    	……
    	
    	// TODO: Add extra initialization here
    	m_ctrlProgress.SetRange(0,99);
    	m_nMilliSecond=10;
    	UpdateData(FALSE);
    	return TRUE;  // return TRUE  unless you set the focus to a control
    }
    
    添加线程处理函数:UINT ThreadFunc(LPVOID lpParam)
    {
    	threadInfo* pInfo=(threadInfo*)lpParam;
    	for(int i=0;i<100;i++)
    	{
    		int nTemp=pInfo->nMilliSecond;
    
    		pInfo->pctrlProgress->SetPos(i);
    
    		Sleep(nTemp);
    	}
    	return 0;
    }
    
      顺便补充一点,如果你在void CMultiThread3Dlg::OnStart() 函数中添加/* */语句,编译运行你就会发现进度条不进行刷新,主线程也停止了反应。什么原因呢?这是因为WaitForSingleObject函数等待子线程(ThreadFunc)结束时,导致了线程死锁。因为 WaitForSingleObject函数会将主线程挂起(任何消息都得不到处理),而子线程ThreadFunc正在设置进度条,一直在等待主线程将刷新消息处理完毕返回才会检测通知事件。这样两个线程都在互相等待,死锁发生了,编程时应注意避免。
例程4 MultiThread4

该例程测试在Windows下最多可创建线程的数目。

  1. 建立一个基于对话框的工程MultiThread4,在对话框IDD_MULTITHREAD4_DIALOG中加入一个按钮IDC_TEST和一个编辑框IDC_COUNT,按钮标题为“测试” , 编辑框属性选中Read-only;
  2. 在MultiThread4Dlg.cpp文件中进行如下操作:

    添加公共变量
    volatile BOOL m_bRunFlag=TRUE; 

    该变量表示是否还能继续创建线程。

    添加线程函数:

    DWORD WINAPI threadFunc(LPVOID threadNum)
    {
    	while(m_bRunFlag)
    	{
    		Sleep(3000);
    	}
    	return 0;
    }
    
    只要 m_bRunFlag 变量为TRUE,线程一直运行。

    双击按钮IDC_TEST,添加其响应消息函数:
    void CMultiThread4Dlg::OnTest() 
    {
    	DWORD threadID;
    	GetDlgItem(IDC_TEST)->EnableWindow(FALSE);
    	long nCount=0;
    	while(m_bRunFlag)
    	{
    		if(CreateThread(NULL,0,threadFunc,NULL,0,&threadID)==NULL)
    		{
    			m_bRunFlag=FALSE;
    			break;
    		}
    		else
    		{
    			nCount++;
    		}
    	}
       //不断创建线程,直到再不能创建为止
    	m_nCount=nCount;
    	UpdateData(FALSE);
    	Sleep(5000);
       //延时5秒,等待所有创建的线程结束
    	GetDlgItem(IDC_TEST)->EnableWindow(TRUE);
        m_bRunFlag=TRUE;
    }
    
(未完待续)

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