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 線程是進(jìn)程中的一個執(zhí)行單位（每個進(jìn)程都必須有一個主線程），一個進(jìn)程可以有多個線程，而一個線程只存在于一個進(jìn)程中。在數(shù)據(jù)關(guān)系上，進(jìn)程與線程是一對多的關(guān)系。線程不擁有系統(tǒng)資源，線程所使用的資源全部由進(jìn)程向系統(tǒng)申請，線程擁有的是CPU的時間片。

在單處理器上（或單核處理器上），同一個進(jìn)程中的不同線程交替得到CPU的時間片。在多處理器上（或多核處理器上），不同的線程可以同時運行在不同的CPU上，這樣可以提高程序運行的效率。除此之外，在有些方面必須使用多線程。比如，如果在掃描磁盤并同時在程序界面上同步顯示當(dāng)前掃描的位置時，必須使用多線程。因為在程序界面上顯示和磁盤的掃描工作在同一個線程中，而且界面也在不停進(jìn)行重新顯示，這樣就會導(dǎo)致軟件看起來像是卡死一樣。在這種情況下，分為兩個線程就可以解決該問題，界面的顯示由主線程完成，而掃描磁盤的工作由另外一個線程完成，兩個線程協(xié)同工作，這樣就可以達(dá)到實時顯示當(dāng)前掃描狀態(tài)的效果了。

首先了解一下線程的創(chuàng)建。線程的創(chuàng)建使用CreateThread()函數(shù)，該函數(shù)的原型如下： 

HANDLE CreateThread(  
 LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, // SD  
 DWORD dwStackSize, // initial stack size  
 LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, // thread function  
 LPVOID lpParameter, // thread argument  
 DWORD dwCreationFlags, // creation option  
 LPDWORD lpThreadId // thread identifier  
); 

參數(shù)說明如下。

lpThreadAttributes：指明創(chuàng)建線程的安全屬性，為指向 SECURITY_ATTRIBUTES 結(jié)構(gòu)的指針，該參數(shù)一般設(shè)置為 NULL。

dwStackSize：指定線程使用缺省的堆棧大小，如果為 NULL，則與進(jìn)程主線程棧相同。

lpStartAddress：指定線程函數(shù)，線程即從該函數(shù)的入口處開始運行，函數(shù)返回時就意味著線程終止運行，該函數(shù)屬于一個回調(diào)函數(shù)。線程函數(shù)的定義形式如下： 

DWORD WINAPI ThreadProc(  
 LPVOID lpParameter // thread data  
); 

線程函數(shù)的返回值為DWORD類型，線程函數(shù)只有一個參數(shù)，該參數(shù)在CreateThread()函數(shù)中給出。該函數(shù)的函數(shù)名稱可以任意給定。很多時候并不能保證執(zhí)行了CreateThread()函數(shù)后線程就會立即啟動，線程的啟動需要等待CPU的調(diào)度，CPU將時間片給該線程時，該線程才會執(zhí)行，當(dāng)然這個時間短到可以忽略它。

lpParameter：該參數(shù)表示傳遞給線程函數(shù)的一個參數(shù)，可以是指向任意數(shù)據(jù)類型的指針。這里是一個指針，可以方便的將多個參數(shù)通過結(jié)構(gòu)體等一次性傳到線程函數(shù)中。

dwCreationFlags：該參數(shù)指明創(chuàng)建線程后的線程狀態(tài)，在創(chuàng)建線程后可以讓線程立刻執(zhí)行（這里的立即執(zhí)行的意思是不會受人為的去讓它處于等待狀態(tài)），也可以讓線程處于暫停狀態(tài)。如果需要立刻執(zhí)行，該參數(shù)設(shè)置為 0；如果要讓線程處于暫停狀態(tài)，那么該參數(shù)設(shè)置為 CREATE_SUSPENDED，待需要線程執(zhí)行時調(diào)用ResumeThread()函數(shù)讓線程的狀態(tài)調(diào)整為等待運行的狀態(tài)，然后由 CPU 分配時間片后去執(zhí)行。

lpThreadId：該參數(shù)用于返回新創(chuàng)建線程的線程 ID。

如果線程創(chuàng)建成功，該函數(shù)返回線程的句柄，否則返回NULL。創(chuàng)建新線程后，該線程就開始啟動執(zhí)行了。但如果在dwCreationFlags中使用了CREATE_SUSPENDED參數(shù)，那么線程并不馬上執(zhí)行，而是先掛起，等到調(diào)用ResumeThread后才開始啟動線程。線程的句柄需要通過CloseHandle()進(jìn)行關(guān)閉，以便釋放資源。

寫一個簡單的多線程的例子，代碼如下： 

#include <windows.h>  
#include <stdio.h>  
DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParam)  
{  
  printf("ThreadProc \r\n");  
  return 0;  
}  
int main()  
{  
  HANDLE hThread = CreateThread(NULL,0,ThreadProc,NULL,0,NULL);  
  printf("main \r\n");  
  CloseHandle(hThread);  
  return 0;  
} 

代碼在主線程中打印一行“main”，在創(chuàng)建的新線程中會打印一行“ThreadProc”。編譯運行，查看其運行結(jié)果，如圖1所示。

圖1  多線程程序輸出結(jié)果

從圖1中看出，程序的輸出跟預(yù)期的結(jié)果并不相同。程序的問題出在了哪里呢？每個線程都有屬于自己的CPU時間片，當(dāng)主線程創(chuàng)建新線程后，主線程的CPU時間片并未結(jié)束，它會向下繼續(xù)執(zhí)行。由于主線程的代碼非常少，因此主線程在CPU分配的時間片中就執(zhí)行完成并退出了。由于主線程的結(jié)束，意味著進(jìn)程也就結(jié)束并退出了。因此，在代碼中創(chuàng)建的線程雖然被創(chuàng)建了，但是根本就沒有執(zhí)行的機(jī)會。那么在這么短的代碼中，如何保證新創(chuàng)建的線程在主線程結(jié)束前就能得到執(zhí)行呢？或者說，主線程的運行需要等待新線程的完成才得以執(zhí)行。這里需要使用WaitForSingleObject()函數(shù)，該函數(shù)的原型如下： 

DWORD WaitForSingleObject(  
 HANDLE hHandle, // handle to object  
 DWORD dwMilliseconds // time-out interval  
); 

參數(shù)說明如下。

hHandle：該參數(shù)為要等待的對象句柄。

dwMilliseconds：該參數(shù)指定等待超時的毫秒數(shù)，如果設(shè)為 0，則立即返回，如果設(shè)為 INFINITE，則表示一直等待線程函數(shù)的返回。INFINITE 是系統(tǒng)定義的一個宏，其定義如下。

#define INFINITE 0xFFFFFFFF 

如果該函數(shù)失敗，則返回WAIT_FAILED；如果等待的對象編程激發(fā)狀態(tài)，則返回WAIT_ OBJECT_0；如果等待對象變成激發(fā)狀態(tài)之前，等待時間結(jié)束了，將返回WAIT_TIMEOUT。

修改上面的代碼，在CreateThread()函數(shù)后面加入如下代碼： 

WaitForSingleObject(hThread, INFINITE); 

添加WaitForSingleObject()函數(shù)以后，主線程會等待新創(chuàng)建的線程結(jié)束再繼續(xù)向下執(zhí)行主線程后續(xù)的代碼。這樣在控制臺上的輸出如圖2所示。

圖2  主線程等待子線程的執(zhí)行

WaitForSingleObject()只能等待一個線程，可是在程序中往往要創(chuàng)建多個線程來執(zhí)行，那么如果需要等待若干個線程的完成狀態(tài)的話，WaitForSingleObject()函數(shù)就無能為力了。不過，系統(tǒng)除了提供WaitForSingleObject()函數(shù)外，還提供了另外一個可以等待多個線程的完成狀態(tài)的函數(shù)WaitForMultipleObjects()，該函數(shù)的定義如下： 

DWORD WaitForMultipleObjects(  
 DWORD nCount, // number of handles in array  
 CONST HANDLE *lpHandles, // object-handle array  
 BOOL fWaitAll, // wait option  
 DWORD dwMilliseconds // time-out interval  
); 

該函數(shù)的參數(shù)比WaitForSingleObject()函數(shù)多2個參數(shù)，下面介紹這些參數(shù)。

nCount：該參數(shù)用于指明想要讓函數(shù)等待的線程的數(shù)量。該參數(shù)的取值范圍在 1 到 MAXIMUM_WAIT _OBJECTS 之間。

lpHandles：該參數(shù)是指向等待線程句柄的數(shù)組指針。

fWaitAll：該參數(shù)表示是否等待全部線程的狀態(tài)完成，如果設(shè)置為 TRUE，則等待全部。

dwMilliseconds：該參數(shù)與 WaitForSingleObject()函數(shù)中的 dwMilliseconds 用法相同。

WaitForSingleObject()和WaitForMultipleObjects()兩個函數(shù)除了可以等待線程外，還可以等待用于多線程同步和互斥的內(nèi)核對象。

在使用多線程的時候常常需要考慮和注意的問題很多。比如多線程同時對一個共享資源進(jìn)行操作，通過線程需要按照一定的順序執(zhí)行等?？匆粋€簡單的多線程例子： 

int g_Num_One = 0;  
DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParam)  
{  
  int nTmp = 0;  
  for ( int i = 0; i < 10; i ++ )  
  {  
    nTmp = g_Num_One;  
    nTmp ++;  
    // Sleep(1)的作用是讓出 CPU  
    // 使其他線程被調(diào)度運行  
    Sleep(1); 
    g_Num_One = nTmp;  
  }  
  return 0;  
} 

每個線程都有一個CPU時間片，當(dāng)自己的時間片運行完成后，CPU會停止該線程的運行，并切換到其他線程去運行。當(dāng)多線程同時操作一個共享資源時，這樣的切換會帶來隱形的問題。這里的代碼比較短，在一個CPU時間片內(nèi)肯定會完成，無法體現(xiàn)出因線程切換而產(chǎn)生的錯誤。為了達(dá)到能夠因線程切換導(dǎo)致的錯誤，在代碼中加入了Sleep(1)，使得線程主動讓出CPU，讓CPU進(jìn)行線程切換。在代碼中，線程處理的共享資源是全局變量g_Num_One變量。主函數(shù)創(chuàng)建線程的代碼如下： 

int main()  
{  
  HANDLE hThread[10] = { 0 };  
  int i;  
  for ( i = 0; i < 10; i ++ )  
  {  
    hThread[i] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, NULL, 0, NULL);  
  }  
  WaitForMultipleObjects(10, hThread, TRUE, INFINITE);  
  for ( i = 0; i < 10; i ++ )  
  {  
    CloseHandle(hThread[i]);  
  }  
  printf("g_Num_One = %d \r\n", g_Num_One);  
  return 0;  
} 

在主函數(shù)中，通過CreateThread()創(chuàng)建了10個線程，每個線程都讓g_Num_One自增10次，每次的增量為1。那么10個線程會使得g_Num_One的結(jié)果變成100。編譯運行上面的代碼，查看輸出結(jié)果，如圖3所示。

圖3  多線程操作共享資源的錯誤結(jié)果

這個結(jié)果和預(yù)測的結(jié)果并不相同。為什么會產(chǎn)生這種不同呢？這里進(jìn)行一次模擬分析。為了方便分析，把線程的數(shù)量縮小為兩個線程，分別是A線程和B線程。

① g_Num_One的初始值為0。

② 當(dāng)A線程中執(zhí)行nTmp = g_Num_One和nTmp++后（此時nTmp的值為1），因為Sleep(1)的原因發(fā)生了線程切換，此時g_Num_One的初始值仍然為0。

③ 當(dāng)B線程中執(zhí)行nTmp = g_Num_One和nTmp++后（此時nTmp的值也為1），因為Sleep(1)的原因又發(fā)生了線程切換。

④ A線程執(zhí)行g(shù)_Num_One = nTmp，此時g_Num_One的值為1，接著執(zhí)行下一次循環(huán)中的nTmp = g_Num_One和nTmp++的操作，又進(jìn)行切換。

⑤ B線程執(zhí)行g(shù)_Num_One = nTmp，此時g_Num_One的值為1。

到第⑤步時，不繼續(xù)往下分析了，已經(jīng)可以看出原因。g_Num_One的值是最后一次nTmp進(jìn)行賦值后的值（線程中的局部變量屬于線程內(nèi)私有的，雖然是同一個線程函數(shù)，但是nTmp在每個線程中是私有的）。

解決該問題，這里使用的是臨界區(qū)。臨界區(qū)對象是一個CRITICAL_SECTION的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，Windows操作系統(tǒng)使用該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對關(guān)鍵代碼進(jìn)行保護(hù)，以確保多線程下的共享資源。在同一時間內(nèi)，Windows只允許一個線程進(jìn)入臨界區(qū)。

臨界區(qū)的函數(shù)有4個，分別是初始化臨界區(qū)對象（InitializeCriticalSection()）、進(jìn)入臨界區(qū)（EnterCriticalSection()）、離開臨界區(qū)（LeaveCriticalSection()）和刪除臨界區(qū)對象（DeleteCriticalSection()）。臨界區(qū)很好的保護(hù)了共享資源，臨界區(qū)在現(xiàn)實生活中有很多類似的例子。比如，在進(jìn)行體檢的時候，一個體檢室內(nèi)只有一個體檢醫(yī)生，體檢醫(yī)生會叫一個患者進(jìn)去體檢，這時其他人是不能進(jìn)入的，當(dāng)這個患者離開后，下一個患者才可以進(jìn)入。這里體檢醫(yī)生就是一個共享的資源，而每個體檢的患者是多個不同的線程。臨界區(qū)就是以類似的方式保護(hù)了共享資源不被破壞的。下面依次來看一下這四個函數(shù)關(guān)于臨界區(qū)的函數(shù)的定義，分別如下： 

VOID InitializeCriticalSection(  
 LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection // critical section  
);  
VOID EnterCriticalSection(  
 LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection // critical section  
);  
VOID LeaveCriticalSection(  
 LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection // critical section  
);  
VOID DeleteCriticalSection(  
 LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection // critical section  
); 

這4個API函數(shù)的參數(shù)都是指向CRITICAL_SECTION結(jié)構(gòu)體的指針。修改上面有問題的代碼，修改后的代碼如下： 

#include <windows.h>  
#include <stdio.h>  
int g_Num_One = 0;  
CRITICAL_SECTION g_cs;  
DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParam)  
{  
  int nTmp = 0;  
  for ( int i = 0; i < 10; i ++ )  
  {  
    // 進(jìn)入臨界區(qū)  
    EnterCriticalSection(&g_cs);  
    nTmp = g_Num_One;  
    nTmp ++;  
    Sleep(1);  
    g_Num_One = nTmp;  
    // 離開臨界區(qū)  
    LeaveCriticalSection(&g_cs);  
  }  
  return 0;  
}  
int main()  
{  
  InitializeCriticalSection(&g_cs);  
  HANDLE hThread[10] = { 0 };  
  int i;  
  for ( i = 0; i < 10; i ++ )  
  {  
    hThread[i] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, NULL, 0, NULL);  
  }  
  WaitForMultipleObjects(10, hThread, TRUE, INFINITE);  
  printf("g_Num_One = %d \r\n", g_Num_One);  
  for ( i = 0; i < 10; i ++ )  
  {  
    CloseHandle(hThread[i]);  
  }  
  DeleteCriticalSection(&g_cs);  
  return 0;  
} 

編譯以上代碼并運行，輸出結(jié)果為想要的正確結(jié)果，即g_Num_One的值為100。除了使用臨界區(qū)以外，對于線程的同步與互斥還有其他方法，這里就不一一進(jìn)行介紹了。在開發(fā)多線程程序時，要注意多線程的同步與互斥問題。臨界區(qū)對象只能用于多線程的互斥。