windows多线程 原子操作

Posted 2020-10-30 ay-a

一、分析上一篇程序的现象

我们先从上一篇文章中的最后一个程序开始分析。

#include <stdio.h>
#include <windows.h>

const unsigned int THREAD_NUM = 10;
DWORD WINAPI  ThreadFunc(LPVOID);

int main()
{
	printf("我是主线程， pid = %d\\n", GetCurrentThreadId());  //输出主线程pid
	HANDLE hThread[THREAD_NUM];
	for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
	{
		hThread[i] = CreateThread(NULL, 0, ThreadFunc, &i, 0, NULL); // 创建线程
	}
	
	WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM,hThread,true, INFINITE);	//一直等待，知道所有子线程全部返回
	return 0;
}

DWORD WINAPI  ThreadFunc(LPVOID p)
{
	int n = *(int*)p;
	Sleep(1000*n);  //第 n 个线程睡眠 n 秒
	printf("我是， pid = %d 的子线程\\n", GetCurrentThreadId());   //输出子线程pid
	printf(" pid = %d 的子线程退出\\n\\n", GetCurrentThreadId());   //延时10s后输出

	return 0;
}

看程序的输出：

按照正常情况来看应该是每一行输出两列，但是中间有一行多出了一列，看图中圈出来的地方，pid = 208 的线程输出线程pid后并没有马上退出，而是等到了最后才退出。（可能每次运行的情况不一样，这里只说明这一种情况），这是为什么的。 这里涉及到了线程调度的问题， 说明pid = 208 的线程输出线程pid后操作系统进行了线程调度，cpu资源被其它线程抢占，这个线程直到最后才又重新分配到cpu资源，重新往下执行。

二、原子操作

这里明明是要写原子操作，但是到目前为止，并没有任何地方提及什么是原子操作，不要着急，接下来就慢慢来说。那么什么是原子操作呢？一个操作如果能够不受中断地完成，我们称之为原子操作

我们来看这个程序

#include <stdio.h>
#include <windows.h>

const unsigned int THREAD_NUM = 50;
unsigned int g_Count = 0;
DWORD WINAPI  ThreadFunc(LPVOID);


int main()
{
	HANDLE hThread[THREAD_NUM];
	for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
	{
		hThread[i] = CreateThread(NULL, 0, ThreadFunc, 0, 0, NULL); // 创建线程
	}
	WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, hThread, true, INFINITE);	//一直等待，直到所有子线程全部返回
	printf(" 总共 %d 个线程给 g_Count 的值加一，现在 g_Count = %d\\n", THREAD_NUM, g_Count);
	return 0;
}

DWORD WINAPI  ThreadFunc(LPVOID p)
{
	Sleep(50);
	g_Count++;
	Sleep(50);
	
	return 0;
}

有一个全局变量 g_Count ，每个线程给这个全局变量加一，照这么来看最后应该输出 50 ，我们看一下程序的输出（每次都可能不一样的结果）

为什么会这样呢？？？ 明明有 50 个线程都给 g_Count 加一了，为什么输出 46，根源在于 g_Count++; 这条语句上，这里就只有一条c++语句，按理说不应该有问题，其实不然，现在，在这里打下断点，开始调试，打开反汇编窗口（Vs编译器快捷键 Alt+8），如下图

可以看到，这一条c++语句，被分成了三条汇编语句，先是把 g_Count 的值给寄存器 eax，然后寄存器 eax 的值加一，再把 eax 的值给 g_Count ，这样就完成一次 g_Count++ 操作。出问题的原因就在于，在这几条汇编语句执行的过程中发送了线程切换，比如，A线程刚执行完 add eax，1 还没有把 eax的值给 g_Count，这时B线程开始执行，把 g_Count 原先的值又存入 eax，这就修改了 eax 中A线程计算好的值。

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——即这个操作不可以被打断性，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。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。这里只是介绍原子操作的概念，这和线程同步息息相关，但是这些以 以Interlocked 开头的函数我们基本不用，就不一一介绍了，感兴趣的可以自己去了解。