Windows程序设计__孙鑫C++Lesson16《线程同步与异步套接字编程》

时间：2021-10-17 10:19:23

Windows程序设计__孙鑫C++Lesson16《线程同步与异步套接字编程》

本节要点:
1.事件对象
2.利用命名的事件对象只允许程序的一个实例运行
3.关键代码段(Critical Section)
4.线程死锁
5.基于消息的异步套接字编程--聊天室程序2
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1.事件对象
(1) 事件对象也属于内核对象，包含一个使用计数，一个用于指明该事件是一个自动重置的事件还是一个人工重置的事件的布尔值，
另一个用于指明该事件处于已通知状态还是未通知状态的布尔值。
二种不同类型的事件对象，一种是人工重置的事件，另一种是自动重置的事件。
当人工重置的事件得到通知时，等待该事件的所有线程均变为可调度线程。
当一个自动重置的事件得到通知时，等待该事件的线程中只有一个线程变为可调度线程。
(2)创建事件对象
CreateEvent函数完成事件对象的创建。其函数原型为：
HANDLE CreateEvent(
  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes, // SD
  BOOL bManualReset,    // reset ype TRUE为人工重置事件，FALSE为自动重置事件对象
  BOOL bInitialState,    // initial state 出事状态，TRUE为有信号状态，反之无
  LPCTSTR lpName                 // object name
);
SetEvent置为有信号状态；ResetEvent置为无信号状态。
(3)人工重置事件对象
//***************************************************************************

#include <Windows.h>
#include <iostream.h>
DWORD WINAPI Fun1(
  LPVOID lpParameter   // thread data
);
DWORD WINAPI Fun2(
  LPVOID lpParameter   // thread data
);
int index=0;
int tickets=100;
HANDLE g_hEvent;
void main()
{
   HANDLE thread1,thread2;
   thread1=CreateThread(NULL,0,Fun1,NULL,0,0);
   thread2=CreateThread(NULL,0,Fun2,NULL,0,0);
   CloseHandle(thread1);
   CloseHandle(thread2);
   g_hEvent=CreateEvent(NULL,TRUE,TRUE,NULL);//创建人工重置事件对象 初始化为有信号状态
   Sleep(4000);
   CloseHandle(g_hEvent);
}
DWORD WINAPI Fun1(
  LPVOID lpParameter   // thread data
)
{  
 while(true)
 {   
             WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);
  if(tickets>0)
  {
   Sleep(10);
   cout<<"thread1 sell tickets:"<<tickets--<<endl;//
  }
  else
   break;
 }
 return 0;

}
DWORD WINAPI Fun2(
  LPVOID lpParameter   // thread data
)
{   
 while(true)
 {   
   WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);
  if(tickets>0)
  {
   Sleep(10);
   cout<<"thread2 sell tickets:"<<tickets--<<endl;
  }
  else
   break;
 }
 return 0;
}

//****************************************************************************
运行结果:
...
thread1 sell tickets:5
thread2 sell tickets:4
thread1 sell tickets:3
thread2 sell tickets:2
thread1 sell tickets:1
thread2 sell tickets:0
//*********************************************************************************
验证了,人工重置的事件对象，所有等待事件的线程均启动。尝试以下解决方法:
//********************************************************************************

#include <Windows.h>
#include <iostream.h>
DWORD WINAPI Fun1(
  LPVOID lpParameter   // thread data
);
DWORD WINAPI Fun2(
 LPVOID lpParameter   // thread data
);
int tickets=100;
HANDLE g_hEvent;
void main()
{
   HANDLE thread1,thread2;
   thread1=CreateThread(NULL,0,Fun1,NULL,0,0);
   thread2=CreateThread(NULL,0,Fun2,NULL,0,0);
   CloseHandle(thread1);
   CloseHandle(thread2);
   g_hEvent=CreateEvent(NULL,TRUE,TRUE,NULL);
   Sleep(4000);
   CloseHandle(g_hEvent);
}
DWORD WINAPI Fun1(
  LPVOID lpParameter   // thread data
)
{  
 while(true)
 {   
  WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);
  ResetEvent(g_hEvent);//人工重置为非信号状态
  if(tickets>0)
  {
   Sleep(10);
   cout<<"thread1 sell tickets:"<<tickets--<<endl;//
  }
  else
   break;
  SetEvent(g_hEvent);
 }
 return 0;

}
DWORD WINAPI Fun2(
  LPVOID lpParameter   // thread data
)
{   
 while(true)
 {   
  WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);
  ResetEvent(g_hEvent);
  if(tickets>0)
  {
   Sleep(10);
   cout<<"thread2 sell tickets:"<<tickets--<<endl;
  }
  else
   break;
  SetEvent(g_hEvent);
 }
 return 0;
}

//*********************************************************************************
运行结果:
...
thread1 sell tickets:5
thread2 sell tickets:4
thread1 sell tickets:3
thread2 sell tickets:2
thread1 sell tickets:1
thread2 sell tickets:0
说明人工重置的事件对象使用上述方法并不能解决问题。
//**********************************************************************************
自动重置的事件对象，只有一个等待该事件对象的线程可调度运行。
使用自动重置的事件对象，实验代码如下:
//**********************************************************************************

#include <Windows.h>
#include <iostream.h>
DWORD WINAPI Fun1(
  LPVOID lpParameter   // thread data
);
DWORD WINAPI Fun2(
  LPVOID lpParameter   // thread data
);
int tickets=100;
HANDLE g_hEvent;
void main()
{
   HANDLE thread1,thread2;
   thread1=CreateThread(NULL,0,Fun1,NULL,0,0);
   thread2=CreateThread(NULL,0,Fun2,NULL,0,0);
   CloseHandle(thread1);
   CloseHandle(thread2);
   g_hEvent=CreateEvent(NULL,FALSE,TRUE,NULL);//自动重置事件对象   
   Sleep(4000);   CloseHandle(g_hEvent);}DWORD WINAPI Fun1(  LPVOID lpParameter   // thread data){   while(true) {     WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);//得到事件对象后自动重置为无信号状态  if(tickets>0)  {   Sleep(10);   cout<<"thread1 sell tickets:"<<tickets--<<endl;//  }  else   break;  SetEvent(g_hEvent);//自动重置的事件 只能有一个线程变为可以运行    //系统会将事件对象设置为非信号状态 调用完毕后需要重置事件对象 } return 0;}DWORD WINAPI Fun2(  LPVOID lpParameter   // thread data){    while(true) {     WaitForSingleObject(g_hEvent, INFINITE);  if(tickets>0)  {   Sleep(10);   cout<<"thread2 sell tickets:"<<tickets--<<endl;  }  else   break;  SetEvent(g_hEvent); } return 0;}

//*****************************************************************
运行结果:
...
thread2 sell tickets:6
thread1 sell tickets:5
thread2 sell tickets:4
thread1 sell tickets:3
thread2 sell tickets:2
thread1 sell tickets:1
//*****************************************************************
2.利用命名的事件对象只允许程序的一个实例运行
//*****************************************************************

#include <Windows.h>
#include <iostream.h>
HANDLE g_hEvent;
//只允许一个程序实例运行
void main()
{
   g_hEvent=CreateEvent(NULL,FALSE,FALSE,"Tickets");//自动重置事件对象 初始状态不影响程序功能
   if(g_hEvent)
   {
    if(ERROR_ALREADY_EXISTS==GetLastError())
    {
     cout<<"only one instance can run!"<<endl;//重新启动另一个程序运行 将失败
        return;
    }
   }
   cout<<"running!"<<endl;
   Sleep(4000);
   CloseHandle(g_hEvent);
}

 

//****************************************************************
运行效果如下图所示:

 Windows程序设计__孙鑫C++Lesson16《线程同步与异步套接字编程》

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3.关键代码段(Critical Section)
关键代码段即临界区(Critical Section)，工作在用户方式下；关键代码段是指一个小代码段，在代
码能够执行前，他必须能够独占对某些资源的访问权。关于临界区详细内容可参考孙仲秀《操作系统教程》。
(1)EnterCriticalSection函数，等待临界区对象的所有权，当调用线程获得所有权时函数返回。
(2)InitializeCriticalSection函数初始一个临界区对象。函数原型为:
VOID InitializeCriticalSection(
  LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection  // critical section);
(3)LeaveCriticalSection函数释放临界区资源，函数原型为:
VOID LeaveCriticalSection(
  LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection   // critical section
);
(4)DeleteCriticalSection释放一个不被占用的临界区对象的所有资源。
//*************************************************************************

#include <Windows.h>
#include <iostream.h>
#include <Winbase.h>
DWORD WINAPI Fun1(
  LPVOID lpParameter   // thread data
);
DWORD WINAPI Fun2(
  LPVOID lpParameter   // thread data
);
void ShowLastError();
int tickets=100;
CRITICAL_SECTION  g_CS;
void main()
{
   HANDLE thread1,thread2;
   thread1=CreateThread(NULL,0,Fun1,NULL,0,0);
   thread2=CreateThread(NULL,0,Fun2,NULL,0,0);
    CloseHandle(thread1);
    CloseHandle(thread2);
    InitializeCriticalSection(&g_CS);//初始化临界区对象
    Sleep(3000);
    DeleteCriticalSection(&g_CS);//释放临界区对象资源
}
DWORD WINAPI Fun1(
  LPVOID lpParameter   // thread data
)
{     
 while(true)
 {   
    EnterCriticalSection(&g_CS);
  if(tickets>0)
  {
   Sleep(10);
   cout<<"thread1 sell tickets:"<<tickets--<<endl;//临界区互斥问题
  }
  else
   break;
    LeaveCriticalSection(&g_CS);
 }
 return 0;
}
DWORD WINAPI Fun2(
  LPVOID lpParameter   // thread data
)
{   
 while(true)
 {   
  EnterCriticalSection(&g_CS);//进入临界区 
  if(tickets>0)
  {
   Sleep(10);
   cout<<"thread2 sell tickets:"<<tickets--<<endl;
  }
  else
   break;
  LeaveCriticalSection(&g_CS);
 }
 return 0;
}

//************************************************************************
运行结果:
...
thread2 sell tickets:6
thread1 sell tickets:5
thread2 sell tickets:4
thread1 sell tickets:3
thread2 sell tickets:2
thread1 sell tickets:1
4.线程死锁
哲学家进餐问题 线程之间互相等待对方的资源，而陷入无限互相等待的状态。下面的程序中，当线程1获取临界区A的访问权时进入睡眠，
而后线程2运行获得临界区B的访问权限，但是此后线程2也进入睡眠，操作系统切换线程1执行但是线程1无法获取临界区B的访问权限，
于是操作系统切换线程2执行 但是线程2无法获取临界区A的访问权限 ，因此两个线程互相等待对方的临界区访问权限均等待陷入死锁。
死锁过程演示代码如下:
//**********************************************************************************
#include <Windows.h>
#include <iostream.h>
#include <Winbase.h>
DWORD WINAPI Fun1(
  LPVOID lpParameter   // thread data
);
DWORD WINAPI Fun2(
  LPVOID lpParameter   // thread data
);
int tickets=100;
CRITICAL_SECTION  g_CSA;
CRITICAL_SECTION  g_CSB;
//线程死锁的演示代码
//当线程1获取临界区A的访问权时进入睡眠，而后线程2运行获得临界区B的访问权限
//但是此后线程2也进入睡眠，操作系统切换线程1执行但是线程1无法获取临界区B的访问权限
//于是操作系统切换线程2执行 但是线程2无法获取临界区A的访问权限
//因此两个线程互相等待对方的临界区访问权限均等待陷入死锁
void main()
{
   HANDLE thread1,thread2;
   thread1=CreateThread(NULL,0,Fun1,NULL,0,0);
   thread2=CreateThread(NULL,0,Fun2,NULL,0,0);
    CloseHandle(thread1);
    CloseHandle(thread2);
   InitializeCriticalSection(&g_CSA);//初始化临界区对象
   InitializeCriticalSection(&g_CSB);
   Sleep(4000);
   DeleteCriticalSection(&g_CSA);//释放临界区对象资源 顺序无所谓
   DeleteCriticalSection(&g_CSB);
}
DWORD WINAPI Fun1(
  LPVOID lpParameter   // thread data
)
{    
 while(true)
 {  
  EnterCriticalSection(&g_CSA);
  Sleep(100);
  EnterCriticalSection(&g_CSB);
  //互斥代码段
  if(tickets>0)
  {
   Sleep(10);
   cout<<"thread1 sell tickets:"<<tickets--<<endl;
  }
  else
   break;
  //互斥代码段
  LeaveCriticalSection(&g_CSA);
  LeaveCriticalSection(&g_CSB);
 }
 return 0;
}
DWORD WINAPI Fun2(
  LPVOID lpParameter   // thread data
)
{  
 while(true)
 {  
  EnterCriticalSection(&g_CSB);//进入临界区
  Sleep(100);
  EnterCriticalSection(&g_CSA);
  if(tickets>0)
  {
   Sleep(10);
   cout<<"thread2 sell tickets:"<<tickets--<<endl;
  }
  else
   break;
  LeaveCriticalSection(&g_CSA);
  LeaveCriticalSection(&g_CSB);
 }
 return 0;
}

//***********************************************************************************
程序执行过程中线程1和线程2均没有得到执行机会，因此程序运行结果就是空耗时间。
//***********************************************************************************
互斥信号量使用的总结:
利用互斥对象和事件对象属于内核对象，利用内核对象进行线程同步，速度较慢，但利用互斥对象和事件对象这样的内核对象，
可以在多个进程中的各个线程间进行同步。关键代码段工作在用户方式下，同步速度较快，但在使用关键代码段时，容易进入死锁状态，
因为等待进入关键代码段时无法设定超时值。
5.基于消息的异步套接字编程--聊天室程序2
(1)Windows套接字在两种模式下执行I/O操作，阻塞和非阻塞。在阻塞模式下，在I/O操作完成之前，执行操作的Winsocket函数会一直等待下去，不会立即返回程序；而在非阻塞模式下，

Winsock函数无论如何都会立即返回。Windows Sockets为了支持Windows消息驱动机制，是应用程序开发者能够方便地处理网络通信，它对网络事件采用了基于消息的异步存取策略。异步套接

字方式能提高程序的运行效率。
(2)Windows Sockets的异步选择函数WSAAsyncSelect()提供了消息机制的网络事件选择，当使用它等级的网络事件发生时，Windows应用程序相应的窗口函数将收到一个消息，消息中指示了发

生的网络事件，以及与事件相关的一些信息。
(3)WSAAsyncSelect 函数请求网络事件的基于Windows 消息机制的通告。这个函数将自动将套接字变为非阻塞模式。
(4)WSAEnumProtocols 函数返回网络协议信息。
(5)程序套接字初始化及析构函数中资源释放代码如下:
//***********************************************************************************
//初始加载套接字库文件
//#include <Winsock2.h>头文件包含到#include "stdafx.h"
//同时添加Ws2_32.lib 库文件引用
BOOL CChat2App::InitInstance()
{  
 WORD wVersionRequested;
 WSADATA wsaData;
 int err;
 
 wVersionRequested = MAKEWORD( 2, 2 );//版本协商 2.2版本
 
 err = WSAStartup( wVersionRequested, &wsaData );
 if ( err != 0 ) {
                   
  return false;
 }
 if ( LOBYTE( wsaData.wVersion ) != 2 ||
        HIBYTE( wsaData.wVersion ) != 2 )
 {
  WSACleanup( );
  return false; //失败返回 FALSE
 }
...
}
CChat2App::~CChat2App()
{
 WSACleanup();//终止库文件引用
}
CChat2Dlg::~CChat2Dlg()
{  
 if(m_Socket)
  closesocket(m_Socket);//关闭套接字
}
BOOL CChat2Dlg::OnInitDialog()
{
  ...
 InitSocket();//套接字初始化
 return TRUE;  // return TRUE  unless you set the focus to a control
}
//***********************************************************************************
(6)程序中发送和接受消息对话框类的实现代码:
//***********************************************************************************

//发送数据
void CChat2Dlg::OnBtnSend() 
{
 // TODO: Add your control notification handler code here
 DWORD dwIp;
    SOCKADDR_IN AddrTo;
 CString Sendstr;
 int len;
  WSABUF WsaBuf;
  CString strHostName;
  hostent*  phostent;
  if(GetDlgItemText(IDC_EDIT_HOSTNAME,strHostName),strHostName=="")
  {
  ((CIPAddressCtrl *)GetDlgItem(IDC_IPADDRESS))->GetAddress(dwIp);
   AddrTo.sin_addr.S_un.S_addr =htonl(dwIp);
  }
  else
     {
        phostent=gethostbyname(strHostName);//通过主机名获取主机信息
  if(phostent!=NULL)
   AddrTo.sin_addr.S_un.S_addr=*((DWORD *)phostent->h_addr_list[0]);//指针转换 内存模型的概念
  else
  {
   MessageBox("计算机名称错误!");
   SetDlgItemText(IDC_EDIT_HOSTNAME,"");
   SetDlgItemText(IDC_EDIT_SEND,"");
      return ;
  }
  }
  AddrTo.sin_family=AF_INET;
  AddrTo.sin_port=htons(6000);
  GetDlgItemText(IDC_EDIT_SEND,Sendstr);

  len=Sendstr.GetLength();
     WsaBuf.buf =Sendstr.GetBuffer(len);
  WsaBuf.len =len+1;
  DWORD dwSend;
  if(SOCKET_ERROR==WSASendTo(m_Socket, &WsaBuf,1, &dwSend,0,(SOCKADDR *)&AddrTo,sizeof(SOCKADDR),NULL,NULL))
  {
   MessageBox("发送数据失败!");
      return ;
  }
  SetDlgItemText(IDC_EDIT_SEND,"");
}
//接受数据
void CChat2Dlg::OnRecvData(WPARAM wparam,LPARAM lparam) 
{
 // TODO: Add your control notification handler code here
 //处理网络读取事件
 //The low word of lParam specifies the network event that has occurred
 switch(LOWORD(lparam))
 {
 case FD_READ:
   WSABUF WsaBuf;
         WsaBuf.buf =new char[200];
   WsaBuf.len =200;
   DWORD dwRead;
   DWORD dwFlag=0;
   SOCKADDR_IN AddrFrom;
   CString Recvstr;
   CString Tempstr;
   int len=sizeof(SOCKADDR);
   HOSTENT *pHost;
   //WSARecvFrom函数中，同时使用不同的缓冲区接受数据好处在于 不用重新调用函数分割字节流来获取信息  
   if(SOCKET_ERROR ==WSARecvFrom(m_Socket, &WsaBuf,1, &dwRead,&dwFlag,(SOCKADDR *)&AddrFrom,&len,NULL,NULL))
   {
     MessageBox("创建套接字失败!");
          return ;
   }
   pHost=gethostbyaddr((char*)(&AddrFrom.sin_addr.S_un.S_addr),sizeof(SOCKADDR),AF_INET);//通过IP地址获取用户主机信息
   if(pHost==NULL)
   Recvstr.Format("Message From %s:%s",inet_ntoa(AddrFrom.sin_addr),WsaBuf.buf);
   else
            Recvstr.Format("Message From %s :%s",pHost->h_name,WsaBuf.buf);
   Recvstr+="\r\n";
   GetDlgItemText(IDC_EDIT_RECV,Tempstr);
   Recvstr+=Tempstr;
   SetDlgItemText(IDC_EDIT_RECV,Recvstr);
   break;
 }
}
//初始化套接字
BOOL CChat2Dlg::InitSocket()
{
 m_Socket=WSASocket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0,NULL,0,0);
    if(INVALID_SOCKET==m_Socket)
 {
  MessageBox("创建套接字失败!");
  return FALSE;
 }
 SOCKADDR_IN AddrSocket;
    AddrSocket.sin_addr .S_un .S_addr =htonl(INADDR_ANY);
 AddrSocket.sin_family =AF_INET;
 AddrSocket.sin_port=htons(6000);
 int RetVal;
 RetVal=bind(m_Socket,(SOCKADDR *)&AddrSocket,sizeof(SOCKADDR));
 if(RetVal==SOCKET_ERROR)
 {
    MessageBox("创建套接字失败!");
  return FALSE;
 }
 //注册网络事件FD_READ 处理消息为UM_SOCK
 if(SOCKET_ERROR==WSAAsyncSelect(m_Socket,m_hWnd,UM_SOCK,FD_READ))
 {
    MessageBox("注册网络读取事件失败!");
  return FALSE;
 }
 return TRUE;
}

//***********************************************************************************
程序运行效果如下图所示:
Windows程序设计__孙鑫C++Lesson16《线程同步与异步套接字编程》

//***********************************************************************************
本节小结:
1.本节介绍了线程同步的方法，包括基于时间对象、基于临界区的两种处理方法，注意其各自特点。
2.了解死锁的原理，注意在以后编程序过程中避免死锁。
3.介绍了基于消息机制的异步套接字编程，实现了聊天室程序。这里注意同之前的多线程聊天室程序比较，注意到异步套接字的优势。

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