Windows CE 進程、線程和內(nèi)存管理（二）

二、同步

在多數(shù)情況下，線程之間難免要相互通信、相互協(xié)調(diào)才能完成任務(wù)。比如，當(dāng)有多個線程共同訪問同一個資源時，就必須保證一個線程正讀取這個資源數(shù)據(jù)的時候，其它線程不能夠修改它。這就需要線程之間相互通信，了解對方的行為。再有當(dāng)一個線程要準(zhǔn)備執(zhí)行下一個任務(wù)之前，它必須等待另一個線程終止才能運行，這也需要彼此相互通信。實際開發(fā)過程中，線程間需要同步的情況非常多。Windows CE.NET給我們提供了很多的同步機制，熟練的掌握這些機制并合理運用會使線程之間的同步更合理、更高效。進程間的通信機制在下一篇文章中講解。

Windows CE.NET具有兩種運行模式：用戶模式和內(nèi)核模式。并且允許一個運行于用戶模式的應(yīng)用程序隨時切換為內(nèi)核模式，或切換回來。線程同步的有些解決辦法運行在用戶模式，有些運行在內(nèi)核模式。《Windows核心編程》上說從用戶模式切換到內(nèi)核模式再切換回來至少要1000個CPU周期。我查看過CE下API函數(shù)SetKMode的源碼，這個函數(shù)用于在兩種模式間切換，改變模式只需修改一些標(biāo)志，至于需要多少個CPU周期很難確定。但至少可以肯定來回切換是需要一定時間的。所以在選擇同步機制上應(yīng)該優(yōu)先考慮運行在用戶模式的同步解決辦法。

1、互鎖函數(shù)

互鎖函數(shù)運行在用戶模式。它能保證當(dāng)一個線程訪問一個變量時，其它線程無法訪問此變量，以確保變量值的唯一性。這種訪問方式被稱為原子訪問。互鎖函數(shù)及其功能見如下列表：

函數(shù)參數(shù)和功能InterlockedIncrement參數(shù)為PLONG類型。此函數(shù)使一個LONG變量增1InterlockedDecrement參數(shù)為PLONG類型。此函數(shù)使一個LONG變量減1InterlockedExchangeAdd參數(shù)1為PLONG類型，參數(shù)2為LONG類型。此函數(shù)將參數(shù)2賦給參數(shù)1指向的值InterlockedExchange參數(shù)1為PLONG類型，參數(shù)2為LONG類型。此函數(shù)將參數(shù)2的值賦給參數(shù)1指向的值InterlockedExchangePointer參數(shù)為PVOID* 類型，參數(shù)2為PVOID類型。此函數(shù)功能同上。具體參見幫助InterlockedCompareExchange參數(shù)1為PLONG類型，參數(shù)2為LONG類型，參數(shù)3為LONG類型。此函數(shù)將參數(shù)1指向的值與參數(shù)3比較，相同則把參數(shù)2的值賦給參數(shù)1指向的值。不相同則不變InterlockedCompareExchangePointer參數(shù)1為PVOID* 類型，參數(shù)2為PVOID類型，參數(shù)3為PVOID。此函數(shù)功能同上。具體參見幫助
2、臨界區(qū)

臨界區(qū)對象運行在用戶模式。它能保證在臨界區(qū)內(nèi)所有被訪問的資源不被其它線程訪問，直到當(dāng)前線程執(zhí)行完臨界區(qū)代碼。除了API外，MFC也對臨界區(qū)函數(shù)進行了封裝。臨界區(qū)相關(guān)函數(shù)：

void InitializeCriticalSection ( LPCRITICAL_SECTION );
void EnterCriticalSection ( LPCRITICAL_SECTION );
void LeaveCriticalSection ( LPCRITICAL_SECTION );
void DeleteCriticalSection ( LPCRITICAL_SECTION );

舉例如下：

void CriticalSectionExample (void)
{
CRITICAL_SECTION csMyCriticalSection;
InitializeCriticalSection (&csMyCriticalSection); ///初始化臨界區(qū)變量

__try
{
EnterCriticalSection (&csMyCriticalSection); ///開始保護機制
///此處編寫代碼
}

__finally ///異常處理，無論是否異常都執(zhí)行此段代碼
{
LeaveCriticalSection (&csMyCriticalSection); ///撤銷保護機制
}
}

MFC類使用更簡單：

CCriticalSection cs;

cs.Lock();

///編寫代碼

cs.Unlock();

使用臨界區(qū)要注意的是避免死鎖。當(dāng)有兩個線程，每個線程都有臨界區(qū)，而且臨界區(qū)保護的資源有相同的時候，這時就要在編寫代碼時多加考慮。

3、事件對象

事件對象運行在內(nèi)核模式。與用戶模式不同，內(nèi)核模式下線程利用等待函數(shù)來等待所需要的事件、信號，這個等待過程由操作系統(tǒng)內(nèi)核來完成，而線程處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)接收到信號后，內(nèi)核恢復(fù)線程的運行。內(nèi)核模式的優(yōu)點是線程在等待過程中并不浪費CPU時間，缺點是從用戶模式切換到內(nèi)核模式需要一定的時間，而且還要切換回來。在講解事件對象前應(yīng)該先談?wù)劦却瘮?shù)。等待函數(shù)有四個。具體參數(shù)和功能見下表：

函數(shù)參數(shù)和功能WaitForSingleObject參數(shù)1為HANDLE類型，參數(shù)2為DWORD類型。此函數(shù)等待參數(shù)1標(biāo)識的事件，等待時間為參數(shù)2的值，單位ms。如果不超時，當(dāng)事件成為有信號狀態(tài)時，線程喚醒繼續(xù)運行。WaitForMultipleObjects參數(shù)1為DWORD類型，參數(shù)2為HANDLE * 類型，參數(shù)3為BOOL類型，參數(shù)4為DWORD類型。此函數(shù)等待參數(shù)2指向的數(shù)組中包含的所有事件。如果不超時，當(dāng)參數(shù)3為FALSE時，只要有一個事件處于有信號狀態(tài)，函數(shù)就返回這個事件的索引。參數(shù)3為TRUE時，等待所有事件都處于有信號狀態(tài)時才返回。MsgWaitForMultipleObjects參數(shù)1為DWORD類型，參數(shù)2為LPHANDLE類型，參數(shù)3為BOOL類型，參數(shù)4為DWORD類型，參數(shù)5為DWORD類型。此函數(shù)功能上同WaitForMultipleObjects函數(shù)相似，只是多了一個喚醒掩碼。喚醒掩碼都是和消息有關(guān)的。此函數(shù)不但能夠為事件等待，還能為特定的消息等待。其實這個函數(shù)就是專為等待消息而定義的。MsgWaitForMultipleObjectsEx參數(shù)1為DWORD類型，參數(shù)2為LPHANDLE類型，參數(shù)3為DWORD類型，參數(shù)4為DWORD類型，參數(shù)5為DWORD類型。此函數(shù)是MsgWaitForMultipleObjects函數(shù)的擴展。將原來函數(shù)的參數(shù)3除掉，添加參數(shù)5為標(biāo)志。標(biāo)志有兩個值：0或MWMO_INPUTAVAILABLE。
如果一個線程既要執(zhí)行大量任務(wù)同時又要響應(yīng)用戶的按鍵消息，這兩個專用于等待消息的函數(shù)將非常有用。

和事件有關(guān)的函數(shù)有：

HANDLE CreateEvent(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes,
BOOL bManualReset,
BOOL bInitialState,
LPTSTR lpName);

BOOL SetEvent(HANDLE hEvent );
BOOL PulseEvent(HANDLE hEvent);
BOOL ResetEvent(HANDLE hEvent);

HANDLE OpenEvent(DWORD dwDesiredAccess,
BOOL bInheritHandle,
LPCTSTR lpName );

事件對象是最常用的內(nèi)核模式同步方法。它包含一個使用計數(shù)和兩個BOOL變量。其中一個BOOL變量指定這個事件對象是自動重置還是手工重置。另一個BOOL變量指定當(dāng)前事件對象處于有信號狀態(tài)還是無信號狀態(tài)。

函數(shù)CreateEvent創(chuàng)建一個事件對象，參數(shù)1必須為NULL，參數(shù)2指定是否手工重新設(shè)置事件對象的狀態(tài)。如果為FALSE，當(dāng)?shù)却瘮?shù)接到信號并返回后此事件對象被自動置為無信號狀態(tài)。這時等待此事件對象的其它線程就不會被喚醒，因為事件對象已經(jīng)被置為無信號狀態(tài)。如果參數(shù)2設(shè)置為TRUE，當(dāng)?shù)却瘮?shù)接到信號并返回后事件對象不會被自動置于無信號狀態(tài)，其它等待此事件對象的線程都能夠被喚醒。用ResetEvent函數(shù)可以手工將事件對象置為無信號狀態(tài)。相反SetEvent函數(shù)將事件對象置為有信號狀態(tài)。PulseEvent函數(shù)將事件對象置為有信號狀態(tài)，然后立即置為無信號狀態(tài)，在實際開發(fā)中這個函數(shù)很少使用。OpenEvent函數(shù)打開已經(jīng)創(chuàng)建的事件對象，一般用于不同進程內(nèi)的線程同步。在調(diào)用CreateEvent創(chuàng)建一個事件對象時，傳遞一個名字給參數(shù)4，這樣在其它進程中的線程就可以調(diào)用OpenEvent函數(shù)并指定事件對象的名字，來訪問這個事件對象。

4、互斥對象

互斥對象運行在內(nèi)核模式。它的行為特性同臨界區(qū)非常相似，在一個線程訪問某個共享資源時，它能夠保證其它線程不能訪問這個資源。不同的是，互斥對象運行在內(nèi)核模式，從時間上比臨界區(qū)要慢。由于內(nèi)核對象具有全局性，不同的進程都能夠訪問，這樣利用互斥對象就可以讓不同的進程中的線程互斥訪問一個共享資源。而臨界區(qū)只能在一個進程內(nèi)有效。

和互斥相關(guān)的函數(shù)有：

HANDLE CreateMutex(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,
BOOL bInitialOwner,
LPCTSTR lpName);

BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex);

互斥對象包含一個引用計數(shù)，一個線程ID和一個遞歸計數(shù)。引用計數(shù)是所有內(nèi)核對象都含有的。線程ID表示哪個線程正在使用互斥資源，當(dāng)ID為0時，互斥對象發(fā)出信號。遞歸計數(shù)用于一個線程多次等待同一個互斥對象。函數(shù)CreateMutex創(chuàng)建一個互斥對象，參數(shù)1必須設(shè)置為NULL，參數(shù)2如果設(shè)置為FALSE，表示當(dāng)前線程并不占有互斥資源，互斥對象的線程ID和遞歸計數(shù)都被設(shè)置為0，互斥對象處于有信號狀態(tài)。如果設(shè)置為TRUE，表示當(dāng)前線程將占有互斥資源，互斥對象的線程ID被設(shè)置為當(dāng)前線程ID，遞歸計數(shù)被設(shè)置為1，互斥對象處于無信號狀態(tài)。當(dāng)調(diào)用等待函數(shù)時，等待函數(shù)檢驗互斥對象的線程ID是否為0，如果為0，說明當(dāng)前沒有線程訪問互斥資源，內(nèi)核將線程喚醒，并且將互斥對象的遞歸計數(shù)加1。當(dāng)一個線程被喚醒后，必須調(diào)用函數(shù)ReleaseMutex將互斥對象的遞歸計數(shù)減1。如果一個線程多次調(diào)用等待函數(shù)，就必須以同樣的次數(shù)調(diào)用ReleaseMutex函數(shù)。與其它Windows不同的是，和互斥相關(guān)的函數(shù)中沒有OpenMutex函數(shù)。要在不同進程中訪問同一互斥對象，調(diào)用CreateMutex函數(shù)，參數(shù)傳遞互斥對象的名稱，返回這個互斥對象的句柄。

5、信標(biāo)對象

信標(biāo)對象，也叫信號燈，用于限制資源訪問數(shù)量，他包含一個引用計數(shù)，一個當(dāng)前可用資源數(shù)，一個最大可用資源數(shù)。如果當(dāng)前可用資源數(shù)大于0，信標(biāo)對象處于有信號狀態(tài)。當(dāng)可用資源數(shù)等于0，信標(biāo)對象處于無信號狀態(tài)。

和信標(biāo)對象相關(guān)的函數(shù)：

HANDLE CreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,
LONG lInitialCount,
LONG lMaximumCount,
LPCTSTR lpName);

BOOL ReleaseSemaphore(HANDLE hSemaphore,
LONG lReleaseCount,
LPLONG lpPreviousCount);

函數(shù)CreateSemaphore的參數(shù)1為NULL，參數(shù)2為當(dāng)前可用資源初始值，參數(shù)3為最大可用資源數(shù)，參數(shù)4為名字。當(dāng)參數(shù)2的值等于0時，信標(biāo)對象處于無信號狀態(tài)，這時內(nèi)核將調(diào)用等待函數(shù)的線程置于睡眠狀態(tài)，如果參數(shù)2的值大于0，信標(biāo)對象處于有信號狀態(tài)，這時內(nèi)核將調(diào)用等待函數(shù)的線程置于運行狀態(tài)，并將信標(biāo)對象的當(dāng)前可用資源數(shù)減1。函數(shù)ReleaseSemaphore的參數(shù)1為信標(biāo)對象的句柄，參數(shù)2為要釋放的資源數(shù)，參數(shù)3返回原來可用資源數(shù)，調(diào)用此函數(shù)將當(dāng)前可用資源數(shù)加上參數(shù)2的值。當(dāng)一個線程訪問完可用資源后，應(yīng)該調(diào)用ReleaseSemaphore函數(shù)使當(dāng)前可用資源數(shù)遞增。要在不同進程中訪問同一信標(biāo)對象，調(diào)用CreateSemaphore函數(shù)并傳遞信標(biāo)對象的名稱，得到已經(jīng)在其它進程創(chuàng)建的信標(biāo)對象的句柄。CE下沒有OpenSemaphore函數(shù)。另外我還要說明一點，等待函數(shù)默認(rèn)將信標(biāo)對象的當(dāng)前可用資源數(shù)減1，但線程可能一次使用多個資源，這就可能出現(xiàn)問題了。為避免問題出現(xiàn)，應(yīng)該遵守一個線程只使用一個資源的原則。

6、消息隊列

Windows CE.NET允許一個應(yīng)用程序或驅(qū)動程序創(chuàng)建自己的消息隊列。消息隊列既可以作為在線程之間傳遞數(shù)據(jù)的工具，也可以作為線程之間同步的工具。它的優(yōu)點是需要很小的內(nèi)存，一般只用于點到點的通信。

和消息隊列相關(guān)的函數(shù)：

HANDLE WINAPI CreateMsgQueue(LPCWSTR lpszName,
LPMSGQUEUEOPTIONS lpOptions);

BOOL WINAPI CloseMsgQueue(HANDLE hMsgQ);
BOOL GetMsgQueueInfo(HANDLE hMsgQ,
LPMSGQUEUEINFO lpInfo);

HANDLE WINAPI OpenMsgQueue(HANDLE hSrcProc,
HANDLE hMsgQ,
LPMSGQUEUEOPTIONS lpOptions);

BOOL ReadMsgQueue(HANDLE hMsgQ,
LPVOID lpBuffer,
DWORD cbBufferSize,
LPDWORD lpNumberOfBytesRead,
DWORD dwTimeout,
DWORD *pdwFlags);

BOOL WINAPI WriteMsgQueue(HANDLE hMsgQ,
LPVOID lpBuffer,
DWORD cbDataSize,
DWORD dwTimeout,
DWORD dwFlags);

使用CreateMsgQueue函數(shù)創(chuàng)建一個消息隊列，傳遞一個MSGQUEUEOPTIONS結(jié)構(gòu)指針。在這個結(jié)構(gòu)中設(shè)置標(biāo)志（允許隊列緩沖區(qū)動態(tài)改變大小，允許直接讀或者寫操作而不管之前是否有過寫操作或讀操作）、隊列允許的最大消息數(shù)、隊列屬性（只讀或者只寫）。使用WriteMsgQueue函數(shù)把一個消息寫入到消息隊列中。傳遞一個消息隊列的緩沖區(qū)、消息數(shù)據(jù)的大小、寫入緩沖區(qū)的超時值、標(biāo)志。使用ReadMsgQueue函數(shù)把一個消息從消息隊列中讀出。使用CloseMsgQueue函數(shù)關(guān)閉消息隊列緩沖區(qū)。使用OpenMsgQueue函數(shù)能夠打開其它進程中創(chuàng)建的消息隊列。另外可以用等待函數(shù)等待消息隊列的變化。當(dāng)消息隊列由沒有消息到有消息時，或由滿消息到不滿消息時喚醒調(diào)用等待函數(shù)的線程。關(guān)于消息隊列我并沒有實驗過，MSDN上有幾個簡單的例子。