利用信号量实现线程同步

时间：2022-10-31 15:13:48

本篇使用信号量机制实现对全局资源的正确使用，包括以下两点：

  • 各个子线程对全局资源的互斥使用
  • 主线程对子线程的同步

信号量

简单的说，信号量内核对象，也是多线程同步的一种机制，它可以对资源访问进行计数，包括最大资源计数和当前资源计数，是两个32位的值；另外，计数是以原子访问的方式进行，由操作系统维护；

  • 最大资源计数，表示可以控件的最大资源数量
  • 当前资源计数，表示当前可用资源的数量

信号量的规则：

  • 如果当前资源计数器大于0，那么信号量处于触发状态
  • 如果当前资源计数器等于0，那么信号量处于未触发状态
  • 系统绝对不会让当前资源计数器变为负数
  • 当前资源计数器决定不会大于最大资源计数

信号量机制：

以一个停车场的运作为例。假设停车场只有三个车位，一开始三个车位都是空的。这时如果同时来了五辆车，看门人允许其中三辆直接进入，然后放下车拦，剩下的车则必须在入口等待，此后来的车也都不得不在入口处等待。这时，有一辆车离开停车场，看门人得知后，打开车拦，放入外面的一辆进去，如果又离开两辆，则又可以放入两辆，如此往复。

在这个停车场系统中，车位是公共资源，每辆车好比一个线程，看门人起的就是信号量的作用，当当前资源计数大于0，信号量处于触发状态，线程编程可调度；

相关API

  • 创建信号量
HANDLE WINAPI CreateSemaphore(
    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,//more设置为NULL
    LONG lInitialCount,   //当前可用资源的数量
    LONG lMaximumCount,   //最大资源数量
    LPCTSTR lpName        //信号量名字，可以设置为NULL
);
  • 释放信号量
BOOL WINAPI ReleaseSemaphore(
    HANDLE hSemaphore,      //信号量句柄
    LONG lReleaseCount,     //该函数返回时，当前可用资源的数增加lReleaseCount个
    LPLONG lpPreviousCount  
);
  • 打开已经存在的信号量
HANDLE WINAPI OpenSemaphore(
    DWORD dwDesiredAccess,
BOOL bInheritHandle,
    LPCTSTR lpName //打开信号量的名字
);
  • wait函数
DWORD WINAPI WaitForSingleObject(
HANDLE hHandle,      //当等待成功时，当前可用信号量递减
    DWORD dwMilliseconds //等待时间
);

线程同步举例

线程同步包含两层含义：

  1. 对全局资源互斥访问
  2. 线程间的有序、协同执行（比如：线程A执行完后，再进行线程B的操作）

例子1 互斥访问 

#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <afxmt.h>
using namespace std;

int g_nIndex = 0;
const int nMaxCnt = 20;

#define MAX_SEM_COUNT 1
#define THREADCOUNT 12

HANDLE ghSemaphore;

DWORD WINAPI ThreadProcBySEM( LPVOID );

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    HANDLE aThread[THREADCOUNT];
int i;

// Create a semaphore with initial and max counts of MAX_SEM_COUNT
// 备注：实现多个子线程资源互斥范围，最大信号量需要设置为1
    ghSemaphore = CreateSemaphore( 
NULL,   // default security attributes
1,      // initial count
1,      // maximum count
NULL);  // unnamed semaphore
if (ghSemaphore == NULL) 
    {
        printf("CreateSemaphore error: %d\n", GetLastError());
return 0;
    }

// Create worker threads
for( i=0; i < THREADCOUNT; i++ )
    {
        aThread[i] = CreateThread( 
NULL,       // default security attributes
0,          // default stack size
            (LPTHREAD_START_ROUTINE) ThreadProcBySEM, 
NULL,       // no thread function arguments
0,          // default creation flags
NULL); // receive thread identifier

if( aThread[i] == NULL )
        {
            printf("CreateThread error: %d\n", GetLastError());
return 0;
        }
    }

//Wait for all threads to terminate
    WaitForMultipleObjects(THREADCOUNT, aThread, TRUE, INFINITE);

//Close thread and semaphore handles
for( i=0; i < THREADCOUNT; i++ )
        CloseHandle(aThread[i]);

    CloseHandle(ghSemaphore);

return 0;
}


DWORD WINAPI ThreadProcBySEM(LPVOID lpParam)
{
    DWORD dwWaitResult;
BOOL bContinue = TRUE;
while(bContinue)
    {
//Try to enter the semaphore gate.
        dwWaitResult = WaitForSingleObject(ghSemaphore,INFINITE);
if (WAIT_OBJECT_0 == dwWaitResult)
        {
if (g_nIndex++ < nMaxCnt)
            {
//Simulate thread spending time on task
                Sleep(5);
                printf("Thread %d: Index = %d\n", GetCurrentThreadId(), g_nIndex);
            }
else
            {
                bContinue = FALSE;
            }

// Relase the semaphore when task is finished
if (!ReleaseSemaphore( 
                ghSemaphore,  // handle to semaphore
1,            // increase count by one
NULL))       // not interested in previous count
            {
                printf("ReleaseSemaphore error: %d\n", GetLastError());
            }
        }
else
        {
break;
        }
    }

return TRUE;
}

运行结果：

利用信号量实现线程同步

例子2 线程同步

下面我们将线程创建时的顺序编号，也打印出来，实现方式是将变量i传递给线程，以实现打印；

错误代码：

我们将编号i的地址作为CreateThread入参，传递给线程函数ThreadProcBySEM；主要修改如下：

 // Create worker threads
for( i=0; i < THREADCOUNT; i++ )
 {
     aThread[i] = CreateThread( 
NULL,       // default security attributes
0,          // default stack size
         (LPTHREAD_START_ROUTINE) ThreadProcBySEM, 
         &i,         //线程编号地址
0,          // default creation flags
NULL);      // receive thread identifier

if( aThread[i] == NULL )
     {
         printf("CreateThread error: %d\n", GetLastError());
return 0;
     }
 }
//线程函数代码：
DWORD WINAPI ThreadProcBySEM(LPVOID lpParam)
{
    DWORD dwWaitResult;
BOOL bContinue = TRUE;
if (NULL == lpParam)
    {
return FALSE;
    }
//获取编号，线程创建有时间开销，当函数执行到，赋值语句时
//lpParam所指向的是变量i，但是主线程已经对i进行++，不再是创建时的值了
int nThreadNum = *(int*)lpParam;

if (WAIT_OBJECT_0 == dwWaitResult)
    {
if (g_nIndex++ < nMaxCnt)
        {
//Simulate thread spending time on task
            Sleep(5);
//打印线程编号
            printf("NO %d = Thread %d: Index = %d\n", nThreadNum, GetCurrentThreadId(), g_nIndex);
        }
    } 
}

运行结果：

从下图中可以看出，不同的线程句柄，却有相同的线程编号，属于异常线程；

利用信号量实现线程同步

原因分析：

线程创建到线程函数执行存在时间开销，线程函数不会第一时间开始执行，而此时主线程还处于非阻塞状态，主线程仍然可以对变量i不断进行++操作，导致当前线程进行访问时，其内容已经不再是当前那个值了；

正确做法：

1.引入关键代码段同步对象，用于各个子线间，访问全局资源g_nIndex，
2.在创建新线程前，需要将当前线程的编号保存到，临时变量；
3.将信号量对象用于主线程和子线程间的同步；

全部代码如下：

#include "stdafx.h"
//#include <windows.h>
#include <iostream>
#include <afxmt.h>
using namespace std;

#define MAX_SEM_COUNT 1
#define THREADCOUNT 12

int g_nIndex = 0;
const int nMaxCnt = 20;

HANDLE ghSemaphore;
CRITICAL_SECTION g_csLockA;

DWORD WINAPI ThreadProcBySEM( LPVOID );

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    HANDLE aThread[THREADCOUNT];
int i;

// Create a semaphore with initial and max counts of MAX_SEM_COUNT
    ghSemaphore = CreateSemaphore( 
NULL,   // default security attributes
0,      // initial count，modify：当前处于非触发状态
1,      // maximum count
NULL);  // unnamed semaphore
if (ghSemaphore == NULL) 
    {
        printf("CreateSemaphore error: %d\n", GetLastError());
return 0;
    }

//初始化关键代码段对象，用于访问全局资源的互斥
    InitializeCriticalSection(&g_csLockA);

// Create worker threads
for( i=0; i < THREADCOUNT; i++ )
    {

        aThread[i] = CreateThread( 
NULL,       // default security attributes
0,          // default stack size
            (LPTHREAD_START_ROUTINE) ThreadProcBySEM, 
            &i,       // no thread function arguments
0,          // default creation flags
NULL); // receive thread identifier

if( aThread[i] == NULL )
        {
            printf("CreateThread error: %d\n", GetLastError());
return 0;
        }
//modify 创建新线程前，需要将编号保存起来，才创建新线程
//用于同步主线程和子线程
        WaitForSingleObject(ghSemaphore,INFINITE);
    }

//Wait for all threads to terminate
    WaitForMultipleObjects(THREADCOUNT, aThread, TRUE, INFINITE);

//Close thread and semaphore handles
for( i=0; i < THREADCOUNT; i++ )
        CloseHandle(aThread[i]);

    CloseHandle(ghSemaphore);

    DeleteCriticalSection(&g_csLockA);

return 0;
}


DWORD WINAPI ThreadProcBySEM(LPVOID lpParam)
{
    DWORD dwWaitResult;
BOOL bContinue = TRUE;
if (NULL == lpParam)
    {
return FALSE;
    }
int nThreadNum = *(int*)lpParam;

// Relase the semaphore 
if (!ReleaseSemaphore( 
        ghSemaphore,  // handle to semaphore
1,            // increase count by one
NULL))       // not interested in previous count
    {
        printf("ReleaseSemaphore error: %d\n", GetLastError());
    }

while(bContinue)
    {
        Sleep(10);//modify：当前线程处于休眠，给其他线程执行机会

//Try to enter the cs gate. //modify：保护资源的唯一性访问
        EnterCriticalSection(&g_csLockA);
if (g_nIndex++ < nMaxCnt)
        {
            printf("NO %02d = Thread %d: Index = %d\n", nThreadNum, GetCurrentThreadId(), g_nIndex);
        }
else
        {
            bContinue = FALSE;
        }

        LeaveCriticalSection(&g_csLockA);
    }

return TRUE;
}

运行结果：

利用信号量实现线程同步

从运行结果看出，线程句柄和编号可以一一对应，并且资源访问也正常；
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