TCP/IP网络编程第二十章:Windows中的线程同步

同步方法的分类及CRITICAL_SECTION同步

用户模式（User mode)和内核模式（Kernal mode）

Windows操作系统的运行方式是“双模式操作”（Dual-mode Operation）,这意味着Windows在运行过程中存在如下2种模式。

□用户模式：运行应用程序的基本模式，禁止访问物理设备，而且会限制访问的内存区域。

□内核模式：操作系统运行时的模式，不仅不会限制访问的内存区域，而且访问的硬件设备也不会受限。
内核是操作系统的核心模块，可以简单定义为如下形式。
□用户模式：应用程序的运行模式。
□内核模式：操作系统的运行模式。
实际上，在应用程序运行过程中，Windows操作系统不会一直停留在用户模式，而是在用户模式和内核模式之间切换。例如，各位可以在Windows中创建线程。虽然创建线程的请求是由应用程序的函数调用完成，但实际创建线程的是操作系统。因此，创建线程的过程中无法避免向内核模式的转换。
定义这2种模式主要是为了提高安全性。应用程序的运行时错误会破坏操作系统及各种资源。特别是C/C++可以进行指针运算，很容易发生这类问题。例如，因为错误的指针运算覆盖了操作系统中存有重要数据的内存区域，这很可能引起操作系统崩溃。但实际上各位从未经历过这类事件，因为用户模式会保护与操作系统有关的内存区域。因此，即使遇到错误的指针运算也仅停止应用程序的运行，而不会影响操作系统。

总之，像线程这种伴随着内核对象创建的资源创建过程中，都要默认经历如下模式转换过程：
用户模式→内核模式→用户模式
从用户模式切换到内核模式是为了创建资源，从内核模式再次切换到用户模式是为了执行应用程序的剩余部分。不仅是资源的创建，与内核对象有关的所有事务都在内核模式下进行。模式切换对系统而言其实也是一种负担，频繁的模式切换会影响性能。

用户模式同步

用户模式同步是用户模式下进行的同步，即无需操作系统的帮助而在应用程序级别进行的同步。用户模式同步的最大优点是——速度快。无需切换到内核模式，仅考虑这一点也比经历内核模式切换的其他方法要快。而且使用方法相对简单，因此，适当运用用户模式同步并无坏处。

但因为这种同步方法不会借助操作系统的力量，其功能上存在一定局限性。稍后将介绍属于用户模式同步的、基于“CRITICAL_SECTION”的同步方法。

内核模式同步

前面已介绍过用户模式同步，即使不另作说明，相信各位也能大概说出内核模式同步的特性及优缺点。下面给出内核模式同步的优点。
□比用户模式同步提供的功能更多。
□可以指定超时，防止产生死锁。
因为都是通过操作系统的帮助完成同步的，所以提供更多功能。特别是在内核模式同步中，可以跨越进程进行线程同步。与此同时，由于无法避免用户模式和内核模式之间的切换，所以性能上会受到一定影响。
大家此时很可能想到：“因为是基于内核对象的操作，所以可以进行不同进程之间的同步！”

因为内核对象并不属于某一进程，而是操作系统拥有并管理的。

基于 CRITICAL_SECTION的同步

基于CRITICAL_SECTION的同步中将创建并运用“CRITICAL_SECTION对象”，但这并非内核对象。与其他同步对象相同，它是进入临界区的一把“钥匙”。因此，为了进入临界区，需要得到CRITICAL_SECTION对象这把“钥匙”。相反，离开时应上交CRITICAL_SECTION对象（以下简称CS）。下面介绍CS对象的初始化及销毁相关函数。

#include<windows.h>
void InitilizerCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);
void DeleteCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);
IpCriticalSection  //Init...函数中传入需要初始化的CRITICAL_SECTION对象的地址值,Del...函数中传入 //需要解除的CRITICAL_SECTION对象的地址值。

上述函数的参数类型LPCRITICAL_SECTION是CRITICAL_SECTION指针类型。另外DeleteCriticalSection并不是销毁CRITICAL_SECTION对象的函数。该函数的作用是销毁CRITICAL_SECTION对象使用过的(CRITICAL SECTION对象相关的)资源。接下来介绍获取
（拥有）及释放CS对象的函数，可以简单理解为获取和释放“钥匙”的函数。

#include<windows.h>
void EnterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);
void LeaveCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);
IpCriticalSection   //获取(拥有)和释放的CRITICAL_SECTION对象的地址值。

与Linux部分中介绍过的互斥量类似，相信大部分人仅靠这些函数介绍也能写出示例程序。

内核模式的同步方法

典型的内核模式同步方法有基于事件(Event)、信号量、互斥量等内核对象的同步，下面从
互斥量开始逐一介绍。

基于互斥量（Mutual Exclusion）对象的同步

基于互斥量对象的同步方法与基于CS对象的同步方法类似,因此,互斥量对象同样可以理解为“钥匙”。首先介绍创建互斥量对象的函数。

#include<windows.h>
HANDLE CreateMutex(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,BOOL bInitialOwner,LPCTSTR lpName);
//成功时返回创建的互斥量对象句柄,失败时返回NULL。lpMutexAttributes    //传递安全相关的配置信息，使用默认安全设置时可以传递NULL。blnitialOwner        //如果为TRUE，则创建出的互斥量对象属于调用该函数的线程，同时进入non- //signaled状态；如果为FALSE，则创建出的互斥量对象不属于任何线程，此 //时状态为signaled。IpName               //用于命名互斥量对象。传入NULL创建无名的互斥量对象。

从上述参数说明中可以看到，如果互斥量对象不属于任何拥有者，则将进入signaled状态。
利用该特点进行同步。另外，互斥量属于内核对象，所以通过如下函数销毁。

#include<windows.h>
BOOL CloseHandle(HANDLE hObject);//成功时返回TRUE，失败时返回FALSE。hObject    //要销毁对象的句柄

上述函数是销毁内核对象的函数，所同样可以销毁即将介绍的信号量及事件。下面介绍获取和释放互斥量的函数，但我认为只需介绍释放的函数，因为获取是通过各位熟悉的WaitForSingleObject函数完成的。

#include<windows.h>
BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex);
//成功时返回TRUE，失败时返回FALSEhMutex   //需要释放的互斥量对象句柄

接下来分析获取和释放互斥量的过程。互斥量被某一线程获取时（拥有时）为non-signaled状态，释放时（未拥有时）进入signaled状态。因此，可以使用WaitForSingleObject函数验证互斥量是否已分配。该函数的调用结果有如下2种。
□调用后进入阻塞状态:互压量对象已被其他线程获取，现处于non-signaled状态。
□调用后直接返回:其他线程未占用互斥量对象，现处于signaled状态。

互斥量在WaitForSingleObject函数返回时自动进入non-signaled状态，因为它是第19章介绍过的"auto-reset"模式的内核对象。结果，WaitForSingleObject函数为申请互斥量时调用的函数。因此，基于互斥量的临界区保护代码如下。

WaitForsingleobject(hMutex, INFINITE);
//临界区的开始
//......
//临界区的结束
ReleaseMutex(hMutex);

WaitForSingleObject函数使互斥量进入non-signaled状态，限制访问临界区，所以相当于临界区的门禁系统。相反，ReleaseMutex函数使互斥量重新进入signaled状态，所以相当于临界区的出口。

基于信号量对象的同步

Windows中基于信号量对象的同步也与Linux下的信号量类似，二者都是利用名为“信号量值”的整数值完成同步的，而且该值都不能小于0。当然，Windows的信号量值注册于内核对象。

下面介绍创建信号量对象的函数，当然，其销毁同样是利用CloseHandle函数进行的。

#include <windows.h>
HANDLE Createsemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,LONG lInitialCount,
LONG lMaximumCount, LPCTSTR lpName);
//成功时返回创建的信号量对象的句柄，失败时返回NULL。IpSemaphoreAttributes   //安全配置信息采用默认安全设置时传递NULL。lInitialCount           //指定信号量的初始值，应大于0小于lMaximumCount。IMaximumCount           //信号量的最大值。该值为1时，信号量变为只能表示0和1的二进制信号量。lpName                  //用于命名信号量对象,传递NULL时创建无名的信号量对象。

可以利用“信量值为0时进入non-signaled状态，大于0时进入signaled状态”的特性进行同步。向lInitialCount参数传递0时，创建non-signaled状态的信号量对象。而向IMaximumCount传入3时，信号量最大值为3，因此可以实现3个线程同时访问临界区时的同步。下面介绍释放信号量对象的函数。

#include <windows.h>
BOOL ReleaseSemaphore(HANDLE hSemaphore, LONG lReleaseCount, LPLONG
lpPreviouscount);
//成功时返回TRUE，失败时返回FALSE。hSemaphore     //传递需要释放的信号量对象.IReleaseCount  //释放意味着信号量值的增加，通过该参数可以指定增加的值。超过最大值则不增加，//返回FALSE。IpPreviousCount//用于保存修改之前值的变量地址，不需要时可传递NULL。

信号量对象的值大于0时成为signaled状态，为0时成为non-signaled状态。因此，调用WaitForSingleObject函数时，信号量大于0的情况才会返回。返回的同时将信量值减1，同时进入non-signaled状态（当然，仅限于信号量减1后等于0的情况）。可以通过如下程序结构保护临界区。

WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE);
//临界区的开始
//..........
//临界区的结束
ReleaseSemaphore(hSemaphore,1, NULL);

基于事件对象的同步

事件同步对象与前2种同步方法相比有很大不同，区别就在于，该方式下创建对象时，在自动以non-signaled状态运行的auto-reset模式和与之相反的manual-reset模式中任选其一。而事件对象的主要特点是可以创建manual-reset模式的对象。首先介绍用于创建事件对象的函数。

#include <windows.h>
HANDLE CreateEvent(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes, BOOL bManualReset,
BOOL bInitialState, LPCTSTR lpName);
//成功时返回创建的事件对象句柄，失败时返回NULL。IpEventAttributes     //安全配置相关参塑，采用默认安全配置时传入NULL。bManualReset          //传入TRUE时创建manual-reset模式的事件对象，传入FALSE时创建auto- //reset模式的事件对象。bInitialState         //传入TRUE时创建signaled状态的事件对象，传入FALSE时创建non- //signaled态的事件对象。IpName                //用于命名事件对象。传递NULL时创建无名的事件对象。

相信各位也发现了，上述函数中需要重点关注的是第二个参数。传人TRUE时创建manual-reset模式的事件对象，此时即使WaitForSingleObject函数返回也不会回到non-signaled状态。因此，在这种情况下，需要通过如下2个函数明确更改对象状态。

#include <windows.h>
BOOL ResetEvent(HANDLE hEvent); //设置为non-signaled状态
BOOL SetEvent(HANDLE hEvent);   //设置为signaled状态
//成功时返回TRUE，失败时返回FALSE。

传递事件对象句柄并希望改为non-signaled状态时，应调用ResetEvent函数。如果希望改为signaled状态，则可以调用SetEvent函数。

Windows平台下实现多线程服务器端

第18章讲完线程的创建和同步方法后，最终实现了多线程聊天服务器端和客户端。按照这种顺序，本章最后也将在Windows平台下实现聊天服务器端和客户端。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<windows.h>
#include<process.h>#define BUF_SIZE 100
#define MAX_CLNT 256unsigned WINAPI HandlerClnt(void *arg);
void SendMsg(char *msg,int len);
void ErrorHandling(char *msg);int clntCnt=0;
SOCKET clntSocks[MAX_CLNT];
HANDLE hMutex;int main(int argc,char*argv[]){WSADATA wasData;SOCK hServSock,hClntSock;SOCKADDR_IN servAdr,clntAdr;int clntAdrSz;HANDLE hThread;if(argc!=2){printf("Usage : %s <port>\n",argv[0]);exit(1);}if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData)!=0)ErrorHandling("WSAStartup() error!");hMutex=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);hServSock=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);memset(&servAdr,0,sizeof(servAdr));servAdr.sin_family=AF_INET;servAdr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);servAdr.sin_port=htons(argv[1]);if(bind(hServSock,(SOCKADDR*)&servAdr,sizeof(servAdr))==SOCK_ERROR);Error_Handling("bind() error");if(listen(hServSock,5)==SOCK_ERROR)Error_Handling("listen() error");while(1){clntAdrSz=sizeof(clntAdr);hClntSock=accept(hServSock,(SOCKADDR*)&clntAdr,&clntAdrsz);WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);clntSocks[clntCnt++]=hClntSock;ReleaseMutex(hMutex);hThread=(HANDLE)_beginthreadex(NULL,0,HandleClnt,(void*)&hClntSock,0,NULL);printf("Connected client IP: %s \n",inet_ntoa(clntAdr.sin_addr));}closesocket(hServSock);WSACleanup();return 0;
}unsigned WINAPI HandleClnt(void *arg){SOCKET hClntSock=*((SOCKET*)arg);int setLen=0,i;char msg[BUF_SIZE];while((strLen=recv(hClntSock,msg,sizeof(msg),0))!=0)SendMsg(msg,strLen);WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);for(i=0;i<clntCnt;i++){if(hClntSock==clntSocks[i]){while(i++<clntCnt-1)clntSocks[i]=clntSocks[i+1];break;}}clntCnt--;ReleaseMutex(hMutex);closesocket(hClntSock);return 0;
}void SendMsg(char *msg,int len){//发送给全部人int i;WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);for(i=0;i<clntCnt;++i)send(clntSocks[i],msg,len,0);ReleaseMutex(hMutex);
}void ErrorHangling(char *msg){fputs(msg,stderr);fputc('\n',stderr);exit(1);
}

接下来是聊天客户端。

#include<“头文件声明与之前示例一致，故省略。“>
#define BUF_SIZE 100
#define NAME_SIZE 20unsigned WINAPI SendMsg(void * arg);
unsigned WINAPI RecvMsg(void * arg);
void ErrorHandling(char * msg);char name[NAME_SIZE]="[DEFAULT]";
char msg[BUF_SIZE];int main(int argc, char *argv[]){WSADATA wsaData;SOCKET hSock;SOCKADDR_IN servAdr;HANDLE hSndThread, hRcvThread;if(argc!=4){printf("Usage: %s <IP> <port> <name>\n", argv[0]);exit(1);}if(WSAStartup(MAKEWORD(2，2),&wsaData)!=0)ErrorHandling("WSAStartup() error!");sprintf(name,"[%s]", argv[3]);hSock=socket(PF_INET, SOCK_STREAM,0);memset(&servAdr, 0, sizeof(servAdr));servAdr.sin_family=AF_INET;servAdr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);servAdr.sin_port=htons(atoi(argv[2]));if(connect(hSock, (SOCKADDR*)&servAdr, sizeof(servAdr))==SOCKET_ERROR)ErrorHandling("connect() error");hSndThread=(HANDLE)_beginthreadex(NULL,0, Sendmsg,(void*)&hSock,0,NULL);hRcvThread=(HANDLE)_beginthreadex(NULL,0, RecvMsg,(void*)&hSock,0,NULL);WaitForSingleObject(hSndThread,INFINITE);WaitForSingleObject(hRcvThread, INFINITE);closesocket(hSock);WSACleanup();return 0;
}unsigned WINAPI SendMsg(void * arg){SOCKET hSock=*((SOCKET*)arg);char nameMsg[NAME_SIZE+BUF_SIZE];while(1){fgets(msg, BUF_SIZE, stdin);if(!strcmp(msg,"q\n")||!strcmp(msg,"Q\n")){closesocket(hSock);exit(0);}sprintf(nameMsg,"%s %s",name, msg);send(hSock,nameMsg,strlen(nameMsg),0);}
return 0;
}unsigned WINAPI RecvMsg(void * arg){int hSock=*((SOCKET*)arg);char nameMsg[NAME_SIZE+BUF_SIZE];int strLen;while(1){strLen=recv(hSock,nameMsg, NAME_SIZE+BUF_SIZE-1,0);if(strLen==-1)return -1;nameMsg[strLen]=0;fputs(nameMsg, stdout);}
return 0;
}void ErrorHandling(char *msg){
//与服务器示例的ErrorHandling一致。
}