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漫談C++ Builder多線程編程技術

編輯：關於C++

摘要：本文簡單介紹了Windows環境下進行多線程編程的意義，重點討論了C++Builder環境下開發多線程應用程序這一問題，並通過實現生產者－消費者問題，幫我們更好地理解同步概念及其實現方法。

關鍵詞：多線程；同步；生產者－消費者；C++Builder

線程之可行性

在很多情況下，可能需要為程序創建線程。這裡給出其中一些可能性：

(1)如果創建的是一個多文檔接口（Multiple Document Interface,MDI）程序，那麼為每個窗口分配一個線程就顯得十分重要了，例如，對於一個通過多個Modem同時連接到多個主機的MDI通信程序而言，如果每個窗口都有它自己的線程來和一個主機通信，那麼整個事情就簡化很多。

(2)如果使用的是一台有多個處理器的機器，並希望充分利用所有可能獲得的CPU資源，那麼就需要將應用程序分解成多個線程。Windows2000中CPU的劃分單位為線程。因此，如果程序只包含一個線程，那麼，默認環境下該程序只能使用其中一個CPU。但是，如果將此程序劃分為多個線程，那麼Windows2000就可以在不同的CPU上運行各個線程。

(3)在後台運行的某些任務的同時，要求用戶還可以繼續使用應用程序進行工作。利用線程很容易實現這點。例如：可以將一些冗長的重算、頁面格式化操作、文件的讀寫等活動都放在單獨的線程中，使其在後台運行，而不會對用戶造成影響。

同步

撰寫多線程程序的一個最具挑戰性的問題就是：如何讓一個線程和另一個線程合作。這引出了一個非常重要的問題：同步。所謂同步是指進程、線程間相互通信時避免破壞各自數據的能力。Windows環境下的同步問題是由Win32系統的CPU時間片分配方式引起的。雖然在某一時刻，只有一個線程占用CPU（單CPU）時間，但是無法知道在什麼時候，在什麼地方線程被打斷，這樣如何保證線程之間不破壞彼此的數據就顯得格外重要。同步問題是如此重要，也相當有趣，因而吸引了不少學者對他進行研究，由此產成了一系列經典的進程同步問題，其中較有代表性的是"生產者－消費者問題"、"讀者－寫者問題""哲學家進餐問題"等。在此，本文簡要討論了C++Builder平台下如何利用多線程編程技術實現"生產者－消費者"問題，幫助我們更好得理解同步概念及其實現方法。

生產者－消費者問題

生產者－消費者問題是一個著名的進程同步問題。它描述的是：有一群生產者進程在生產消息，並將此消息提供給消費者進程去消費。為使生產者進程和消費者進程能並發進行，在他們之間設置了一個具有N個緩沖區的緩沖池，生產者進程可以將它所生產的消息放入一個緩沖區中，消費者進程可以從一個緩沖區中取得一個消息消費。盡管所有的生產者進程和消費者進程都是以異步方式進行的，但他們之間必須保持同步，即不允許消費者進程到一個空的緩沖區中去取消息，也不允許生產者進程向一個已裝滿消息且尚未被取走消息的緩沖區中投放消息。

C++Builder多線程應用程序編程基礎

1、使用C++Builder提供的TThread類

VCL類庫提供了用於線程編程的TThread類。在TThread類中封裝了Windows中關於線程機制的WindowsAPI。對於大多數的應用程序來說，可在應用程序中使用線程對象來表示執行線程。線程對象通過封裝使用線程所需的內容，簡化了多線程應用程序的編寫。注意，線程對象不允許控制線程堆棧的大小或其安全屬性。若需要控制這些，必須使用WindowsAPI的Create Thread()或Begin Thread()函數。

TThread類有以下一些屬性和方法：

1) 屬性：

·Priority：優先級屬性。可以設置線程的優先級。

·Return Value：返回值屬性。當線程介紹時返回給其他線程一個數值。

·Suspended：掛起屬性。可以判斷線程是否被掛起。

·Terminated：結束屬性。用來標志是否應該結束線程。

·ThreadID：標識號屬性。在整個系統中線程的標識號。使用Windows API函數時該屬性非常有用。

2）方法：

·Do Terminate：產生一個On Terminate事件，但是不結束線程的執行。

·Resume：喚醒一個線程繼續執行。

·Suspend：掛起一個線程，要與Resume過程成對使用。

·Synchronize：由主VCL線程調用的一個同步過程。

·Terminate：將Terminate屬性設置為True，中止線程的執行。

·Wait For：等待線程的中止並返回Return Value屬性的數值。

2、協調線程

在編寫線程執行時運行的代碼時，必須考慮到可能同步執行的其他線程的行為。特別注意，避免兩個線程試圖同時使用相同的全局對象或變量。另外，一個線程中的代碼會依賴其他線程執行任務的結果。

1）避免同時訪問

為避免在訪問全局對象或變量時與其他線程發生沖突，可能需要暫停其他線程的執行，直到該線程代碼完成操作。

(1)鎖定對象。一些對象內置了鎖定功能，以防止其他線程使用該對象的實例。例如，畫布對象（TCanvas及其派生類）有一種Lock（）函數可以防止其他線程訪問畫布，直到調用Unlock（）函數。顯然，這種方法只對部分類有效。

(2)使用重要區段。若對象沒有提供內置的鎖定功能，可使用重要區段。重要區段像門一樣，每次只允許一個線程進入，要使用重要區段，需創建TCriticalSection的全局實例。TCriticalSection有兩個函數：Acquire（）（阻止其他線程執行該區域）及Release（）（取消對其他線程的阻止）。

(3)使用多重讀、獨占寫的同步器。當使用重要區段來保護全局內存時，每次只有一個線程可以使用該內存。這種保護可能會超出了需要，特別是有一個經常讀但很少寫的對象或變量時更是如此。多個線程同時讀相同內存但沒有線程寫內存是沒有危險的。當有一些經常被讀,但是很少寫的全局變量時，可用TMultiReadExclusiveWriteSynchronizer對象保護它。這個對象和重要區段一樣，但它允許多個線程同時讀，只要沒有線程寫即可。每個需要讀內存的線程首先要調用Begin Read（）函數（確保當前無其他線程寫內存），線程完成對保護內存讀操作後，要調用End Read（）函數。任何線程需要寫保護內存必須調用Begin Write（）函數（確保當前無其他線程讀或寫內存），完成對保護內存寫操作後，調用End Write（）函數。

(4)使用Synchronize函數:Void __fast call Synchronize (TThreadMethod &Method);

其中參數Method為一個不帶參數的過程名。在這個不帶參數的過程中是一些訪問VCL的代碼。我們可以在Execute過程中調用Synchronize過程來避免對VCL的並發訪問。程序運行期間的具體過程實際上是由Synchronize過程來通知主線程，然後主線程在適當的時機來執行Synchronize過程的參數列表中的那個不帶參數的過程。在多個線程的情況下，主線程將Synchronize過程發過來的通知放到消息隊列中，然後逐個地響應這些消息。通過這種機制Synchronize實現了線程之間地同步。

2) 等待其他線程

若線程必須等待另一線程完成某項任務，可讓線程臨時中斷執行。然後，要麼等待另一線程完全執行結束，要麼等待另一線程通知完成了該任務。

(1)等待線程執行結束

要等待另一線程執行結束，使用它地Wait For（）函數。Wait For函數直到那個線程終止才返回，終止的方式要麼完成了其Execute（）函數，要麼由於一個異常。

(2)等待任務完成。有時，只需要等待線程完成一些操作而不是等待線程執行結束。為此，可使用一個事件對象。事件對象（TEvent）應具有全局范圍以便他們能夠為所有線程可見。當一個線程完成一個被其他線程依賴的操作時，調用TEvent：：Set Event（）函數。Set Event發出一個信號，以便其他線程可以檢查並得知操作完成。要關掉信號，則使用Reset Event()函數。

例如，當必須等待若干線程完成其執行而不是單個線程時。因為不知道哪個線程最後完成，也就不能對某個線程使用Wait For（）函數。此時，可通過調用Set Event以在線程結束時累加計數值並在最後一個線程結束時發出信號以指示所有線程結束。

多線程應用程序編程實例

下面是一個實現"生產者－消費者問題"的多線程應用實例。在此例中，我們按上面介紹的方法構造了兩個TThread的子類TProducerThread（生產者線程）和TCustomerThread（消費者線程），生產和消費的商品僅僅是一個整數。在協調生產和消費的過程中，重要區段（TCriticalSection）和事件（TEvent）得到了應用。生產者通過TEvent類的對象Begin Consume來通知消費者開始消費，而消費者通過TEent類的對象Begin Produce通知生產者開始生產。程序中共有兩個生產者，一個消費者。在兩個生產者之間，通過TCriticalSection類的對象同步。其運行界面如圖1所示。

圖1 程序運行效果

主要源程序如下所示：

生產者線程：

Void __fast call TProducerThread:: Execute ()
{
　//---- Place thread code here ----
　Int i = 0;
　Int j;
　while(i<100) //每個生產者線程生產100個商品
　{
　　Sleep(1000);//延遲，為清楚得顯示執行效果
　　if(Form1->buffer_size > 0)//緩沖池不空，通知消費者消費
　　{
　　　Form1->Begin Consumer->Set Event ();
　}
　Form1->Produce Guard->Acquire ();
　i++;
　StrResult = IntToStr (i);
　J = Form1->buffer_size;
　Form1->Product [j] = i;
　Form1->buffer_size++;
　Synchronize(Show Result);//刷新界面，顯示最新生產－消費狀況
　Form1->Begin Consumer->Set Event();//通知消費者消費
　if(Form1->buffer_size == 5)//緩沖池滿，掛起生產者線程，直到通知再生產
　{
　　Form1->Begin Produce->Wait For (INFINITE);
　}
　Sleep (1000);
　Form1->Produce Guard->Release ();
}
While (Form1->buffer_size > 0)
{
　Form1->Begin Consumer->Set Event ();
}
}

消費者線程：

Void __fast call TConsumerThread::Execute()
{
　//---- Place thread code here ----
　Int j;
　For (int i = 0;i < 200;i++)
　{
　　Sleep(100); //延遲，為清楚得顯示執行效果
　　Form1->Begin Consumer->Wait For(INFINITE);//掛起消費者線程，直到通知再消費
　　J = Form1->buffer_size - 1;
　　StrResult = IntToStr (Form1->Product [j]);
　　Form1->buffer_size--;
　　Synchronize(Show Result); //刷新界面，顯示最新生產－消費狀況
　　if(Form1->buffer_size == 4)//緩沖池不再full，喚醒由於緩沖池full而掛起的生產者線程
　　{
　　　Form1->Begin Produce->Set Event ();
　　}
　　Sleep (100);
　}
}