秒杀多线程第三篇 原子操作 Interlocked系列函数

上一篇《多线程第一次亲密接触 CreateThread_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:

[cpp] view plaincopy
  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:

[cpp] view plaincopy
  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:

[cpp] view plaincopy
  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MSDNSynchronization 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。

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