原子操作 Interlocked系列函数

Posted 2020-08-15 蒲公英110

上一篇《多线程第一次亲密接触 CreateThread与_beginthreadex本质区别》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：

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1. #include <stdio.h>  
2. #include <process.h>  
3. #include <windows.h>  
4. volatile long g_nLoginCount; //登录次数  
5. unsigned int __stdcall Fun(void *pPM); //线程函数  
6. const int THREAD_NUM = 10; //启动线程数  
7. unsigned int __stdcall ThreadFun(void *pPM)  
8. {  
9.     Sleep(100); //some work should to do  
10.     g_nLoginCount++;  
11.     Sleep(50);   
12.     return 0;  
13. }  
14. int main()  
15. {  
16.     g_nLoginCount = 0;  
17.   
18.     HANDLE  handle[THREAD_NUM];  
19.     for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)  
20.         handle[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ThreadFun, NULL, 0, NULL);  
21.       
22.     WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);   
23.     printf("有%d个用户登录后记录结果是%d\n", THREAD_NUM, g_nLoginCount);  
24.     return 0;  
25. }  

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：

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1. #include <stdio.h>  
2. #include <windows.h>  
3. volatile long g_nLoginCount; //登录次数  
4. unsigned int __stdcall Fun(void *pPM); //线程函数  
5. const DWORD THREAD_NUM = 50;//启动线程数  
6. DWORD WINAPI ThreadFun(void *pPM)  
7. {  
8.     Sleep(100); //some work should to do  
9.     g_nLoginCount++;  
10.     Sleep(50);  
11.     return 0;  
12. }  
13. int main()  
14. {  
15.     printf("     原子操作 Interlocked系列函数的使用\n");  
16.     printf(" -- by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) --\n\n");  
17.       
18.     //重复20次以便观察多线程访问同一资源时导致的冲突  
19.     int num= 20;  
20.     while (num--)  
21.     {     
22.         g_nLoginCount = 0;  
23.         int i;  
24.         HANDLE  handle[THREAD_NUM];  
25.         for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++)  
26.             handle[i] = CreateThread(NULL, 0, ThreadFun, NULL, 0, NULL);  
27.         WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);  
28.         printf("有%d个用户登录后记录结果是%d\n", THREAD_NUM, g_nLoginCount);  
29.     }  
30.     return 0;  
31. }  

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VC6.0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Disassembly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）。

下面列出一些常用的Interlocked系列函数：

1.增减操作

LONG__cdeclInterlockedIncrement(LONG volatile* Addend);

LONG__cdeclInterlockedDecrement(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__cdeclInterlockedExchange(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：

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1. DWORD WINAPI ThreadFun(void *pPM)  
2. {  
3.     Sleep(100);//some work should to do  
4.     //g_nLoginCount++;  
5.     InterlockedIncrement((LPLONG)&g_nLoginCount);  
6.     Sleep(50);  
7.     return 0;  
8. }  

再次运行，可以发现结果会是唯一的。

       因此，在多线程环境下，我们对变量的自增自减这些简单的语句也要慎重思考，防止多个线程导致的数据访问出错。更多介绍，请访问MSDN上Synchronization Functions这一章节，地址为 http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/aa909196.aspx

 

看到这里，相信本系列首篇《秒杀多线程第一篇 多线程笔试面试题汇总》中选择题第一题（百度笔试题）应该可以秒杀掉了吧（知其然也知其所以然），正确答案是D。另外给个附加问题，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^_^）。

 

下一篇《秒杀多线程第四篇 一个经典多线程同步问题》将提出一个稍为复杂点但却非常经典的多线程同步互斥问题，这个问题会采用不同的方法来解答，从而让你充分熟练多线程同步互斥的“招式”。更多精彩，欢迎继续参阅。