windows下的C++多线程编程学习(二)

上一篇中讲到一个多线程报数功能。为了描述方便和代码简洁起见,我们可以只输出最后的报数结果来观察程序是否运行出错。这也非常类似于统计一个网站每天有多少用户登录,每个用户登录用一个线程模拟,线程运行时会将一个表示计数的变量递增。程序在最后输出计数的值表示有今天多少个用户登录,如果这个值不等于我们启动的线程个数,那显然说明这个程序是有问题的。整个程序代码如下:

#include <stdio.h>  
#include <process.h>  
#include <windows.h>  
volatile long g_nLoginCount; //登录次数  
unsigned int __stdcall Fun(void *pPM); //线程函数  
const int THREAD_NUM = 10; //启动线程数  
unsigned int __stdcall ThreadFun(void *pPM)  
{  
    Sleep(100); //some work should to do  
    g_nLoginCount++;  
    Sleep(50);   
    return 0;  
}  
int main()  
{  
    g_nLoginCount = 0;  

    HANDLE  handle[THREAD_NUM];  
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)  
        handle[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ThreadFun, NULL, 0, NULL);  

    WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);   
    printf("有%d个用户登录后记录结果是%d\n", THREAD_NUM, g_nLoginCount);  
    return 0;  
}

程序中模拟的是10个用户登录,程序将输出结果:

和上一篇的线程报数程序一样,程序输出的结果好象并没什么问题。下面我们增加点用户来试试,现在模拟50个用户登录,为了便于观察结果,在程序中将50个用户登录过程重复20次,代码如下:

#include <stdio.h>  
#include <windows.h>  
volatile long g_nLoginCount; //登录次数  
unsigned int __stdcall Fun(void *pPM); //线程函数  
const DWORD THREAD_NUM = 50;//启动线程数  
DWORD WINAPI ThreadFun(void *pPM)  
{  
    Sleep(100); //some work should to do  
    g_nLoginCount++;  
    Sleep(50);  
    return 0;  
}  
int main()  
{  
    printf("     原子操作 Interlocked系列函数的使用\n");  
    printf(" -- by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) --\n\n");  

    //重复20次以便观察多线程访问同一资源时导致的冲突  
    int num= 20;  
    while (num--)  
    {     
        g_nLoginCount = 0;  
        int i;  
        HANDLE  handle[THREAD_NUM];  
        for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++)  
            handle[i] = CreateThread(NULL, 0, ThreadFun, NULL, 0, NULL);  
        WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);  
        printf("有%d个用户登录后记录结果是%d\n", THREAD_NUM, g_nLoginCount);  
    }  
    return 0;  
}  

运行结果如下图:

现在结果水落石出,明明有50个线程执行了g_nLoginCount++;操作,但结果输出是不确定的,有可能为50,但也有可能小于50。

要解决这个问题,我们就分析下g_nLoginCount++;操作。在VS2013编译器对g_nLoginCount++;这一语句打个断点,再按F5进入调试状态,然后按下Debug工具栏的反编汇按钮,这样就出现了汇编代码窗口。可以发现在C/C++语言中一条简单的自增语句其实是由三条汇编代码组成的,如下图所示。

讲解下这三条汇编意思:

第一条汇编将g_nLoginCount的值从内存中读取到寄存器eax中。

第二条汇编将寄存器eax中的值与1相加,计算结果仍存入寄存器eax中。

第三条汇编将寄存器eax中的值写回内存中。

这样由于线程执行的并发性,很可能线程A执行到第二句时,线程B开始执行,线程B将原来的值又写入寄存器eax中,这样线程A所主要计算的值就被线程B修改了。这样执行下来,结果是不可预知的——可能会出现50,可能小于50。

因此在多线程环境中对一个变量进行读写时,我们需要有一种方法能够保证对一个值的递增操作是原子操作——即不可打断性,一个线程在执行原子操作时,其它线程必须等待它完成之后才能开始执行该原子操作。这种涉及到硬件的操作会不会很复杂了,幸运的是,Windows系统为我们提供了一些以Interlocked开头的函数来完成这一任务(下文将这些函数称为Interlocked系列函数)。

1.增减操作

LONG__cdecl InterlockedIncrement(LONG volatile* Addend);

LONG__cdecl InterlockedDecrement(LONG volatile* Addend);

返回变量执行增减操作之后的值。

LONG__cdec InterlockedExchangeAdd(LONG volatile* Addend, LONGValue);

返回运算后的值,注意!加个负数就是减。

2.赋值操作

LONG__cdecl InterlockedExchange(LONG volatile* Target, LONGValue);

Value就是新值,函数会返回原先的值。

在本例中只要使用InterlockedIncrement()函数就可以了。将线程函数代码改成:

DWORD WINAPI ThreadFun(void *pPM)  
{  
    Sleep(100);//some work should to do  
    //g_nLoginCount++;  
    InterlockedIncrement((LPLONG)&g_nLoginCount);  
    Sleep(50);  
    return 0;  
} 


程序中是用50个线程模拟用户登录,有兴趣的同学可以试下用100个线程来模拟一下(上机试试绝对会有意外发现^_^)。

改成100后,问题出在WaitForMultipleObjects函数,最大等待数为64
若需实现大于64的情况需要做一些改变。