TCP/IP网络编程第十九章:Windows平台下线程的使用

内核对象

要想掌握Windows平台下的线程，应首先理解“内核对象”（Kernel Objects）的概念。如果仅介绍Windows平台下的线程使用技巧，则可以省略相对陌生的内核对象相关内容。但这并不能使各位深入理解Windows平台下的线程。

内核对象的定义

操作系统创建的资源有很多种，如进程、线程、文件及即将介绍的信号量、互斥量等。其中大部分都是通过程序员的请求创建的，而且请求方式各不相同。虽然存在一些差异，但它们之间也有如下共同点：“都是由Windows操作系统创建并管理的资源。”
不同资源类型在“管理”方式也有差异。例如，文件管理中应注册并更新文件相关的数据I/O位置、文件的打并模式（rcad or write）等。如果是线程，则应注册并维护线程ID、线程所属进程等信息。操作系统为了以记录相关信息的方式管理各种资源，在其内部生成数据块。当然，每种资源需要维护的信息不同，所以每种资源拥有的数据块格式也有差异。这类数据块称为“内核对象”。
假设在Windows下创建了mydata.txt文件，此时Windows操作系统将生成1个数据块以便管理，该数据块就是内核对象。同理，Windows在创建进程、线程、线程同步信号量时也会生成相应的内核对象，用于管理操作系统资源。

内核对象归操作系统所有

线程、文件等资源的创建请求均在进程内部完成，因此，很容易产生“此时创建的内核对象所有者就是进程”的错觉。其实，内核对象所有者是内核(操作系统）。“所有者是内核”具有如下含义：
“内核对象的创建、管理、销毁时机的决定等工作均由操作系统完成!"

基于 Windows的线程创建

进程和线程的关系

既然在第18章学习过线程，那么请回答如下问题：“程序开始运行后，调用main函数的主体是进程还是线程？”

调用main函数的主体是线程！实际上，过去的正确答案可能是进程（特别是在UNIX系列的操作系统中）。因为早期的操作系统并不支持线程，为了创建线程，经常需要特殊的库函数支持。换言之，操作系统无法意识到线程的存在，而进程实际上成为运行的最小单位。即便在这种情况下，需要线程的程序员们也会利用特殊的库函数，以拆分进程运行时间的方式创建线程。但归根结底，这仅仅是应用程序级别创建的线程，与现在讨论的操作系统级别的线程存在巨大差异。

现代的Linux系列、Windows系列及各种规模不等的操作系统都在操作系统级别支持线程，因此，非显式创建线程的程序（如基于select的服务器端）可描述如下：“单一线程模型的应用程序”
反之，显式创建单独线程的程序可描述如下:“多线程模型的应用程序。”这就意味着main函数的运行同样基于线程完成，此时进程可以比喻为装有线程的篮子。实际的运行主体是线程。

Windows 中线程的创建方法

调用该函数将创建线程，操作系统为了管理这些资源也将同时创建内核对象。最后返回用于区分内核对象的整数型“句柄”(Handle)。第1章已介绍过，句柄相当于Linux的文件描述符。

#include <windows.h>
HANDLE CreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,SIZE_T dwStacksize,LPTHREAD_START_ROUTINE IpStartAddress,LPVOID lpParameter,DWORD dwCreationFlags,LPDWORD lpThreadId  
);
//成功时返回线程句柄，失败时返回NULL。IpThreadAttributes //线程安全相关信息，使用默认设置时传递NULL。   dwStackSize        //要分配给线程的栈大小,传递0时生成默认大小的栈。IpStartAddress     //传递线程的main函数信息。lpParameter        //调用main函数时传递的参数信息。dwCreationFlags    //用于指定线程创建后的行为，传递0时，线程创建后立即进入可执行状态。  IpThreadld         //用于保存线程ID的变量地址值。

上述定义看起来有些复杂，其实只需要考虑IpStartAddress和lpParameter这2个参数，剩下的只需传递0或NULL即可。

Windows线程的销毁时间点

Windows 线程在首次调用的线程main 函数返回时销毁（销毁时间点和销毁方法与Linux不同）。还有其他方法可以终止线程，但最好的方法就是让线程main函数终止(返回)。

创建“使用线程安全标准C函数”的线程

之前介绍过创建线程时使用的CreateThread函数，如果线程要调用C/C++标准函数，需要通过如
下方法创建线程。因为通过CreateThread函数调用创建出的线程在使用C/C++标准函数时并不稳定。

#include <process.h>
uintptr_t _beginthreadex(void * security,unsigned stack _size,unsigned (* start_address)(void *),void * arglist,unsigned initflag,unsigned * thrdaddr);
//成功时返回线程句柄，失败时返回0。

上述函数与之前的CreateThread函数相比，参数个数及各参数的含义和顺序的相同，只是变

量名和参数类型有所不同。因此，用上述函数替换CreateThread函数时，只需适当更改数据类型。上述函数的返回值类型uintptr_t是64位unsigned整数型。但下述示例将通过声明CreateThread
函数的返回值类型HANDLE（这同样是整数型）保存返回的线程句柄。

#include<stdio.h>
#include<windows.h>
#include<process.h>
unsigned WINAPI ThreadFunc(void*arg);  //这个WINAPI只是函数调用惯例声明，和链接时的操作有关int main(int argc,char *argv[]){HANDLE hThread;unsigned threadID;int param=5;hThread=(HANDLE)_beginthreadex(NULL,0,ThreadFunc,(void*)&param,0,&threadID);if(hTread==0){puts("_beginthreadex() error");return -1;}sleep(3000);puts("end of main");return 0;
}unsigned WINAPI ThreadFunc(void*arg){int i;int cnt=*((int*)arg);for(i=0;i<cnt;++i){sleep(1000);puts("runnning thread");}return 0;
}

与Linux相同，Windows同样在main函数返回后终止进程，也同时终止其中包含的所有线程。另外，如果对上述代码进行运行的话，最后输出的内容并非字符串"end of main",而是"running thread"。但这是在main函数返回后，完全销毁进程前输出的字符串。

句柄、内核对象和ID间的关系

线程也属于操作系统管理的资源，因此会伴随着内核对象的创建，并为了引用内核对象而返回句柄。可以利用句柄发送如下请求：“我会一直等到该句柄指向的线程终止。”可以通过句柄区分内核对象，通过内核对象可以区分线程。最终，线程句柄成为区分线程的工具。那线程ID又是什么呢？如上述示例所示，通过_beginthreadex函数的最后一个参数可以获取线程ID。各位或许对句柄和ID的并存感到困惑，其实它们有如下显著特点:“句柄的整数值在不同进程中可能出现重复，但线程在跨进程范围内不会出现重复。"线程ID用于区分操作系统创建的所有线程,但通常没有这种需求。

内核对象的2种状态

资源类型不同，内核对象也含有不同信息。其中，应用程序实现过程中需要特别关注的信息被赋予某种“状态”。例如，线程内核对象中需要重点关注线程是否已终止，所以终止状态又称“signaled状态”，未终止状态称为“non-signaled状态”。

内核对象的状态及状态查看

我们通常比较关注进程的终止时间和线程的终止时间，所以自然会问:“该进程何时终止？”或“该线程何时终止？”操作系统将这些重要信息保存到内核对象，同时给出如下约定:“进程或线程终止时，我会把相应的内核对象改为signaled状态！"这也意味着，进程和线程的内核对象初始状态是non-signaled状态。那么，内核对象的signaled、non-signaled状态究竟如何表示呢？

非常简单！通过1个boolean变量表示。内核对象带有1个boolean变量，其初始值为FALSE，此时的状态就是non-signaled状态。如果发生约定的情况，把该变量改为TRUE，此时的状态就是signaled状态。内核对象类型不同，进入signaled状态的情况也有所区别(即对应事件也有区别)。

正常运行之前示例前需要考虑如下问题：“该内核对象当前是否为signaled状态？”
为回答类似问题，系统定义了WaitForSingleObject和WaitForMultipleObjects函数。

WaitForSingleObject & WaitForMultipleObjects

首先介绍WaitForSingleObject函数，该函数针对单个内核对象验证signaled状态。

#include<windows.h>
DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle,DWORD dwMilliseconds);
//成功时返回事件信息，失败时返回WAIT_FAILED。hHandle        //查看状态的内核对象句柄。dwMilliseconds //以1/1000秒为单位指定超时，传递INFINITE时函数不会返回，直到内核对象变成 //signaled状态。返回值          //进入signaled状态返回WAIT_OBJECT_0，超时返回WAIT_TIMEOUT。

该函数由于发生事件(变为signaled状态)返回时，有时会把相应内核对象再次改为non-signaled状态。这种可以再次进入non-signaled状态的内核对象称为“auto-reset模式”的内核对象，而不会自动跳转到non-signaled状态的内核对象称为“manual-reset模式”的内核对象。

即将介绍的函数与上述函数不同，可以验证多个内核对象状态。

#include<windows.h>
DWORD WaitForMultipleObeject(DWORD nCount,const HANDLE * lpHandles,BOOL bWaitALL,DWORD dwMilliseconds);
//成功时返回事件信息，失败时返回WAIT_FAILED。nCount         //需验证的内核对象数。IpHandles      //存有内核对象句柄的数组地址值。bWaitAll       //如果为TRUE，则所有内核对象全部变为signaled时返回；如果为FALSE，则只要有1 //个对象的状态变为signaled就会返回。dwMilliseconds //以1/1000秒为单指定超时，传递INFINITE时函数不会返回，直到内核对象变为//signaled状态。

下面利用WaitForSingleObject函数尝试解决示例的问题。

#include<stdio.h>
#include<windows.h>
#include<process.h>
unsigned WINAPI ThreadFunc(void *arg);int main(int argc,char *argv[]){HANDLE hTread;DWORD wr;unsigned threadID;int param=5;hTread=(HANDLE)_beginthreadex(NULL,0,ThreadFunc,(void*)&param,0,&threadID);if(hTread==0){puts("_beginthreadex() error");return -1;}if((wr=WaitForSingleObject(hThread,INFINITE))==WAIT_FAILED){puts("thread wait error");return -1;}printf("wait result: %s \n",(wr==WAIT_OBJECT_0)?"signaled":"time-out");puts("end of main");return 0;
}unsigned WINAPI ThreadFunc(void *arg){int i;int cnt=*((int*)arg);for(i=0;i<cnt;++i){Sleep(1000);puts("running thread");}return 0;
}

WaitForSingleObject & WaitForMultipleObjects的演示

第18章在Linux平台下分析了临界区问题，本章最后的内容将留给Windows平台下的临界区
问题。

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
#include <process.h>
#define NUM_THREAD 50
unsigned WINAPI threadInc(void * arg);
unsigned WINAPI threadDes(void * arg);
1ong long num=0;int main(int argc, char *argv[]){HANDLE tHandles[NUM_THREAD];int i;printf("sizeof long long: %d \n",sizeof(long,long));for(i=0;i<NUM_THREAD;i++){if(i%2)tHandles[i]=(HANDLE)_beginthreadex(NULL,0, threadInc,NULL,0,NULL);else tHandles[i]=(HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, threadDes, NULL, 0, NULL);}WaitForMultipleObjects(NUM_THREAD,tHandles,TRUE,INFINITE);printf("result: %1ld \n",num);return 0;
}unsigned WINAPI threadInc(void * arg){int i;for(i=0; i<50000000; i++)num+=1;return 0;
}unsigned WINAPI threadDes(void * arg){int i;for(i=0; i<50000000; i++)num-=1;return 0;
}

即使多运行几次也无法得到正确结果，而且每次结果都不同。可以利用第20章的同步技术得到预想的结果。