C++基础（七）：类和对象（中-2）

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竞态条件

CriticalSection

Mutex

CriticalSection & Mutex

Semaphore

Event

竞态条件

• 多线程环境下，当多个线程同时访问或者修改同一个数据时，最终结果为线程执行的时许。

• 如果没有同步机制，会发生竞态条件，可能导致数据不准确，或者程序发生异常等。

#include <iostream>
#include <windows.h>

DWORD g_Num = 0;

DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
{
    for (size_t i = 0; i < 10000000; i++)
    {
        //g_Num++;
        __asm LOCK INC [g_Num] 
    }
    return 0;
}

int main()
{
    HANDLE hThread[2] = { 0 };
    hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);
    hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);
    WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, -1);
    std::cout << g_Num << std::endl;

    return 0;
}

CriticalSection

#include <iostream>
#include <windows.h>

DWORD g_Num = 0;
CRITICAL_SECTION cs = { 0 };

DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
{
	for (size_t i = 0; i < 1000000; i++)
	{
		// 进入临界区
		EnterCriticalSection(&cs);

		// TODO
		g_Num++;

		// 退出临界区
		LeaveCriticalSection(&cs);
	}
	return 0;
}

int main()
{

	HANDLE hThread[2] = { 0 };
	// 初始临界区
	InitializeCriticalSection(&cs);

	hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);
	hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);

	WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, -1);

	std::cout << g_Num << std::endl;

	// 清理临界区
	DeleteCriticalSection(&cs);

	return 0;
}

Mutex

• 互斥体(Mutex)，用于防止多个线程同时访问或修改共享资源。

• 同一时刻下只有一个线程可以拥有互斥体的所有权，如果一个线程拥有了互斥体的所有权，则其他请求该互斥体的线程将会被阻塞，直到互斥体权限释放。

• 创建互斥体 - CreateMutex

• 请求互斥体 - WaitForSingleObject

• 释放互斥体 - ReleaseMutex

#include <iostream>
#include <windows.h>

HANDLE hMutex = 0;
DWORD g_Num = 0;

DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
{
	for (size_t i = 0; i < 100000; i++)
	{
		WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
		g_Num++;
		ReleaseMutex(hMutex);
	}

	return 0;
}

int main()
{
	hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL); 

	HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);
	HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);

	WaitForSingleObject(hThread1, INFINITE);
	WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);

	CloseHandle(hThread1);
	CloseHandle(hThread2);
	CloseHandle(hMutex);
	
	std::cout << g_Num << std::endl;

	return 0;
}

CriticalSection & Mutex

• 临界区

  • 共享资源的线程同步机制，临界区在同一进程的线程之间提供了互斥访问。

  • 每个线程在访问共享资源之前必须先能够进入临界区，在访问结束后离开临界区，完成线程同步。

• 互斥体

  • 线程同步机制，用来限制多个线程同时访问共享资源。

  • 互斥体可以同步进程或者线程，且可以跨进程同步。

  • #include <iostream>
    #include <Windows.h>
    
    int main()
    {
    	HANDLE hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, L"0xCC_Mutex");
    	if (hMutex == NULL) return 0;
    	if (GetLastError() == ERROR_ALREADY_EXISTS)
    	{
    		MessageBox(NULL, L"禁止多开", L"错误", MB_OKCANCEL);
    		return 0;
    	}
    	std::cout << "Game Start..." << std::endl;
    	system("pause");
    	CloseHandle(hMutex);
    	return 0;
    }

• 性能

  • 临界区在同一进程的线程中比互斥体更快。

• 功能

  • 互斥体可以跨进程同步，但临界区只能够在同一个进程下的线程之间进行同步。

• 所有权

  • 互斥体有严格的所有权要求，只有拥有互斥体权限的线程才能够释放它。

• 死锁
  • 当线程在持有锁的情况下意外死亡(异常)
  • 如果线程在持有临界区锁的情况下意外终结，这个锁不会被释放，导致其他等待该临界区的线程无法正常执行，造成死锁。

  • #include <iostream>
    #include <Windows.h>
    
    CRITICAL_SECTION CriticalSection = { 0 };
    
    DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
    {
    	EnterCriticalSection(&CriticalSection);
    	
    	printf("TID -> %d \r\n", GetCurrentThreadId());
    	Sleep(5000);
    
    	LeaveCriticalSection(&CriticalSection);
    
    	return 0;
    }
    
    int main()
    {
    	InitializeCriticalSection(&CriticalSection);
    
    	HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);
    	Sleep(1000);
    	TerminateThread(hThread1, 1);
    
    	HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);
    	WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);
    
    	DeleteCriticalSection(&CriticalSection);
    
    	return 0;
    }

  • 如果线程在持有互斥体锁的情况下意外终结，Windows会自动释放其所有权，使得其他线程可以继续正常执行。

  • #include <iostream>
    #include <Windows.h>
    
    HANDLE hMutex = NULL;
    
    DWORD WINAPI WorkThread1(LPVOID lp)
    {
    	WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
    	printf("TID -> %d \r\n", GetCurrentThreadId());
    	Sleep(5000);
    	TerminateThread(GetCurrentThread(), -1);
    
    	//todo
    	return 0;
    }
    
    DWORD WINAPI WorkThread2(LPVOID lp)
    {
    	printf("Wait For Thread1 Leave\r\n");
    	WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
    	printf("TID -> %d \r\n", GetCurrentThreadId());
    	ReleaseMutex(hMutex);
    	return 0;
    }
    
    
    int main()
    {
    	hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
    
    	HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread1, NULL, 0, NULL);
    	Sleep(1000);
    
    	HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread2, NULL, 0, NULL);
    	WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);
    
    	CloseHandle(hMutex);
    	CloseHandle(hThread1);
    	CloseHandle(hThread2);
    
    	return 0;
    }

Semaphore

• 信号量是一种同步对象，用于控制多个线程对共享资源的访问。它是一个计数器，用来表示可用资源的数量。当信号量的值大于0，它表示有资源可用；当值为0，表示没有可用资源。

  • 等待：试图减少信号量的值。如果信号量的值大于0，减1并继续执行。如果信号量的值为0，则线程阻塞，直到信号量的值变为大于0。

  • 释放：增加信号量的值。如果有其他线程因等待这个信号量而阻塞，它们中的一个将被唤醒。

• 创建信号量

  • 在 Windows 系统中，使用 CreateSemaphore 或 CreateSemaphoreEx 函数创建信号量。

• 等待（Wait）和释放（Release）信号量

  • 等待信号量通常使用 WaitForSingleObject 或 WaitForMultipleObjects 函数。

  • 释放信号量使用 ReleaseSemaphore 函数。

#include <iostream>
#include <Windows.h>

#define MAX_COUNT_SEMAPHORE 3


HANDLE g_SemapHore = NULL;
HANDLE g_hThreadArr[10] = { 0 };

DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
{
	WaitForSingleObject(g_SemapHore, INFINITE);

	for (size_t i = 0; i < 10; i++)
	{
		std::cout << "COUNT -> " << (int)lp << std::endl;
		Sleep(500);
	}

	ReleaseSemaphore(g_SemapHore, 1, NULL);

	return 0;
}

int main()
{
	g_SemapHore = CreateSemaphore(
		NULL,						//安全属性
		MAX_COUNT_SEMAPHORE,		//初始计数
		MAX_COUNT_SEMAPHORE,		//最大计数
		NULL						//信号名称
	);
	
	if (g_SemapHore == NULL)
	{
		std::cout << GetLastError() << std::endl;
		return 1;
	}

	for (size_t i = 0; i < 10; i++)
	{
		g_hThreadArr[i] = CreateThread(
			NULL,
			0,
			WorkThread,
			(LPVOID)i,
			0,
			NULL
		);
	}
	
	WaitForMultipleObjects(10, g_hThreadArr, TRUE, INFINITE);
	
	//closehandle

	return 0;
}

Event

• 在Windows编程中，事件是一种同步机制，用于在多个线程之间发送信号。事件对象可以是手动重置或自动重置。

  • 手动重置事件（Manual Reset Event）：当事件被设置（signaled）后，它将保持这个状态直到显式地被重置。这意味着多个等待该事件的线程都可以在事件被重置之前被唤醒。

  • 自动重置事件（Auto Reset Event）：当事件被一个等待的线程接收（signaled）后，系统会自动将事件状态重置为非信号状态（non-signaled）。这意味着每次只允许一个线程被唤醒。

• 创建事件

  • 使用Windows API函数CreateEvent可以创建一个事件对象

  • lpEventAttributes：指向安全属性的指针，如果设置为NULL，则使用默认安全性。

  • bManualReset：如果为TRUE，则创建一个手动重置事件，否则创建自动重置事件。

  • bInitialState：如果为TRUE，则初始状态为信号状态；如果为FALSE，则为非信号状态。

  • lpName：事件的名称。

• 设置事件（将事件状态设置为信号状态）使用SetEvent函数

• 重置事件（将事件状态设置为非信号状态）使用ResetEvent函数

• 等待事件 等待一个事件对象变为信号状态使用WaitForSingleObject函数

#include <iostream>
#include <Windows.h>

DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
{
	HANDLE hEvent = *(HANDLE*)lp;
	std::cout << "Thread - " << GetCurrentThreadId() << " Waiting For Event" << std::endl;
	WaitForSingleObject(hEvent, INFINITE);
	std::cout << "Thread - " << GetCurrentThreadId() << " actived" << std::endl;
	return 0;
}

int main()
{
	HANDLE hThreads[3] = { 0 };
	HANDLE hEvent = NULL;

	hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);
	if (hEvent == NULL) return 0;

	for (size_t i = 0; i < 3; i++)
	{
		hThreads[i] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, &hEvent, 0, NULL);
	}

	Sleep(2000);
	SetEvent(hEvent);
	
	WaitForMultipleObjects(3, hThreads, TRUE, INFINITE);

	CloseHandle(hEvent);

	return 0;
}