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多線程編程之一——問題提出

編輯:關於VC++

一、問題的提出

編寫一個耗時的單線程程序:

新建一個基於對話框的應用程序SingleThread,在主對話框IDD_SINGLETHREAD_DIALOG添加一個按鈕,ID為IDC_SLEEP_SIX_SECOND,標題為“延時6秒”,添加按鈕的響應函數,代碼如下:

void CSingleThreadDlg::OnSleepSixSecond()
{
  Sleep(6000); //延時6秒
}

編譯並運行應用程序,單擊“延時6秒”按鈕,你就會發現在這6秒期間程序就象“死機”一樣,不在響應其它消息。為了更好地處理這種耗時的操作,我們有必要學習——多線程編程。

二、多線程概述

進程和線程都是操作系統的概念。進程是應用程序的執行實例,每個進程是由私有的虛擬地址空間、代碼、數據和其它各種系統資源組成,進程在運行過程中創建的資源隨著進程的終止而被銷毀,所使用的系統資源在進程終止時被釋放或關閉。

線程是進程內部的一個執行單元。系統創建好進程後,實際上就啟動執行了該進程的主執行線程,主執行線程以函數地址形式,比如說main或WinMain函數,將程序的啟動點提供給Windows系統。主執行線程終止了,進程也就隨之終止。

每一個進程至少有一個主執行線程,它無需由用戶去主動創建,是由系統自動創建的。用戶根據需要在應用程序中創建其它線程,多個線程並發地運行於同一個進程中。一個進程中的所有線程都在該進程的虛擬地址空間中,共同使用這些虛擬地址空間、全局變量和系統資源,所以線程間的通訊非常方便,多線程技術的應用也較為廣泛。

多線程可以實現並行處理,避免了某項任務長時間占用CPU時間。要說明的一點是,目前大多數的計算機都是單處理器(CPU)的,為了運行所有這些線程,操作系統為每個獨立線程安排一些CPU時間,操作系統以輪換方式向線程提供時間片,這就給人一種假象,好象這些線程都在同時運行。由此可見,如果兩個非常活躍的線程為了搶奪對CPU的控制權,在線程切換時會消耗很多的CPU資源,反而會降低系統的性能。這一點在多線程編程時應該注意。

Win32 SDK函數支持進行多線程的程序設計,並提供了操作系統原理中的各種同步、互斥和臨界區等操作。Visual C++ 6.0中,使用MFC類庫也實現了多線程的程序設計,使得多線程編程更加方便。

三、Win32 API對多線程編程的支持

Win32 提供了一系列的API函數來完成線程的創建、掛起、恢復、終結以及通信等工作。下面將選取其中的一些重要函數進行說明。

1、HANDLE CreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,
         DWORD dwStackSize,
         LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,
         LPVOID lpParameter,
         DWORD dwCreationFlags,
         LPDWORD lpThreadId);
該函數在其調用進程的進程空間裡創建一個新的線程,並返回已建線程的句柄,其中各參數說明如下:

lpThreadAttributes:指向一個 SECURITY_ATTRIBUTES 結構的指針,該結構決定了線程的安全屬性,一般置為 NULL;

dwStackSize:指定了線程的堆棧深度,一般都設置為0;

lpStartAddress:表示新線程開始執行時代碼所在函數的地址,即線程的起始地址。一般情況為(LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadFunc,ThreadFunc 是線程函數名;

lpParameter:指定了線程執行時傳送給線程的32位參數,即線程函數的參數;

dwCreationFlags:控制線程創建的附加標志,可以取兩種值。如果該參數為0,線程在被創建後就會立即開始執行;如果該參數為CREATE_SUSPENDED,則系統產生線程後,該線程處於掛起狀態,並不馬上執行,直至函數ResumeThread被調用;

lpThreadId:該參數返回所創建線程的ID;

如果創建成功則返回線程的句柄,否則返回NULL。

2、DWORD SuspendThread(HANDLE hThread);該函數用於掛起指定的線程,如果函數執行成功,則線程的執行被終止。3、DWORD ResumeThread(HANDLE hThread);

該函數用於結束線程的掛起狀態,執行線程。4、VOID ExitThread(DWORD dwExitCode);

該函數用於線程終結自身的執行,主要在線程的執行函數中被調用。其中參數dwExitCode用來設置線程的退出碼。5、BOOL TerminateThread(HANDLE hThread,DWORD dwExitCode);  一般情況下,線程運行結束之後,線程函數正常返回,但是應用程序可以調用TerminateThread強行終止某一線程的執行。各參數含義如下:

hThread:將被終結的線程的句柄;

dwExitCode:用於指定線程的退出碼。

使用TerminateThread()終止某個線程的執行是不安全的,可能會引起系統不穩定;雖然該函數立即終止線程的執行,但並不釋放線程所占用的資源。因此,一般不建議使用該函數。

6、BOOL PostThreadMessage(DWORD idThread,
      UINT Msg,
      WPARAM wParam,
      LPARAM lParam);
該函數將一條消息放入到指定線程的消息隊列中,並且不等到消息被該線程處理時便返回。

idThread:將接收消息的線程的ID;

Msg:指定用來發送的消息;

wParam:同消息有關的字參數;

lParam:同消息有關的長參數;

調用該函數時,如果即將接收消息的線程沒有創建消息循環,則該函數執行失敗。

四、Win32 API多線程編程例程

例程1 MultiThread1

建立一個基於對話框的工程MultiThread1,在對話框IDD_MULTITHREAD1_DIALOG中加入兩個按鈕和一個編輯框,兩個按鈕的ID分別是IDC_START,IDC_STOP ,標題分別為“啟動”,“停止”,IDC_STOP的屬性選中Disabled;編輯框的ID為IDC_TIME ,屬性選中Read-only;

在MultiThread1Dlg.h文件中添加線程函數聲明:void ThreadFunc();

注意,線程函數的聲明應在類CMultiThread1Dlg的外部。 在類CMultiThread1Dlg內部添加protected型變量:HANDLE hThread;
  DWORD ThreadID;
分別代表線程的句柄和ID。

在MultiThread1Dlg.cpp文件中添加全局變量m_bRun :volatile BOOL m_bRun;m_bRun 代表線程是否正在運行。

你要留意到全局變量 m_bRun 是使用 volatile 修飾符的,volatile 修飾符的作用是告訴編譯器無需對該變量作任何的優化,即無需將它放到一個寄存器中,並且該值可被外部改變。對於多線程引用的全局變量來說,volatile 是一個非常重要的修飾符。

編寫線程函數:void ThreadFunc()
{
  CTime time;
  CString strTime;
  m_bRun=TRUE;
  while(m_bRun)
  {
    time=CTime::GetCurrentTime();
    strTime=time.Format("%H:%M:%S");
    ::SetDlgItemText(AfxGetMainWnd()->m_hWnd,IDC_TIME,strTime);
    Sleep(1000);
  }
}
該線程函數沒有參數,也不返回函數值。只要m_bRun為TRUE,線程一直運行。

雙擊IDC_START按鈕,完成該按鈕的消息函數:void CMultiThread1Dlg::OnStart()
{
  // TODO: Add your control notification handler code here
  hThread=CreateThread(NULL,
    0,
    (LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadFunc,
    NULL,
    0,
    &ThreadID);
  GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(FALSE);
  GetDlgItem(IDC_STOP)->EnableWindow(TRUE);
}

雙擊IDC_STOP按鈕,完成該按鈕的消息函數:

void CMultiThread1Dlg::OnStop()
{
  // TODO: Add your control notification handler code here
  m_bRun=FALSE;
  GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(TRUE);
  GetDlgItem(IDC_STOP)->EnableWindow(FALSE);
}

編譯並運行該例程,體會使用Win32 API編寫的多線程。

例程2 MultiThread2

該線程演示了如何傳送一個一個整型的參數到一個線程中,以及如何等待一個線程完成處理。

建立一個基於對話框的工程MultiThread2,在對話框IDD_MULTITHREAD2_DIALOG中加入一個編輯框和一個按鈕,ID分別是IDC_COUNT,IDC_START ,按鈕控件的標題為“開始”;

在MultiThread2Dlg.h文件中添加線程函數聲明:void ThreadFunc(int integer);注意,線程函數的聲明應在類CMultiThread2Dlg的外部。

在類CMultiThread2Dlg內部添加protected型變量:HANDLE hThread;
  DWORD ThreadID;
分別代表線程的句柄和ID。

打開ClassWizard,為編輯框IDC_COUNT添加int型變量m_nCount。在MultiThread2Dlg.cpp文件中添加:void ThreadFunc(int integer)
{
  int i;
  for(i=0;i<integer;i++)
  {
    Beep(200,50);
    Sleep(1000);
  }
}
雙擊IDC_START按鈕,完成該按鈕的消息函數:void CMultiThread2Dlg::OnStart()
{
  UpdateData(TRUE);
  int integer=m_nCount;
  hThread=CreateThread(NULL,
    0,
    (LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadFunc,
    (VOID*)integer,
    0,
    &ThreadID);
  GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(FALSE);
  WaitForSingleObject(hThread,INFINITE);
  GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(TRUE);
}
順便說一下WaitForSingleObject函數,其函數原型為:DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle,DWORD dwMilliseconds);

hHandle為要監視的對象(一般為同步對象,也可以是線程)的句柄;

dwMilliseconds為hHandle對象所設置的超時值,單位為毫秒;

當在某一線程中調用該函數時,線程暫時掛起,系統監視hHandle所指向的對象的狀態。如果在掛起的dwMilliseconds毫秒內,線程所等待的對象變為有信號狀態,則該函數立即返回;如果超時時間已經到達dwMilliseconds毫秒,但hHandle所指向的對象還沒有變成有信號狀態,函數照樣返回。參數dwMilliseconds有兩個具有特殊意義的值:0和INFINITE。若為0,則該函數立即返回;若為INFINITE,則線程一直被掛起,直到hHandle所指向的對象變為有信號狀態時為止。

本例程調用該函數的作用是按下IDC_START按鈕後,一直等到線程返回,再恢復IDC_START按鈕正常狀態。編譯運行該例程並細心體會。

例程3 MultiThread3

傳送一個結構體給一個線程函數也是可能的,可以通過傳送一個指向結構體的指針參數來完成。先定義一個結構體:

typedef struct
{
int firstArgu,
long secondArgu,

}myType,*pMyType;
創建線程時CreateThread(NULL,0,threadFunc,pMyType,…);

在threadFunc函數內部,可以使用“強制轉換”:

int intValue=((pMyType)lpvoid)->firstArgu;
long longValue=((pMyType)lpvoid)->seconddArgu;
……
例程3 MultiThread3將演示如何傳送一個指向結構體的指針參數。

建立一個基於對話框的工程MultiThread3,在對話框IDD_MULTITHREAD3_DIALOG中加入一個編輯框IDC_MILLISECOND,一個按鈕IDC_START,標題為“開始” ,一個進度條IDC_PROGRESS1;

打開ClassWizard,為編輯框IDC_MILLISECOND添加int型變量m_nMilliSecond,為進度條IDC_PROGRESS1添加CProgressCtrl型變量m_ctrlProgress;

在MultiThread3Dlg.h文件中添加一個結構的定義:struct threadInfo
{
  UINT nMilliSecond;
  CProgressCtrl* pctrlProgress;
};
線程函數的聲明:UINT ThreadFunc(LPVOID lpParam);注意,二者應在類CMultiThread3Dlg的外部。

在類CMultiThread3Dlg內部添加protected型變量:HANDLE hThread;
DWORD ThreadID;
分別代表線程的句柄和ID。

在MultiThread3Dlg.cpp文件中進行如下操作:

定義公共變量 threadInfo Info;

雙擊按鈕IDC_START,添加相應消息處理函數:void CMultiThread3Dlg::OnStart()
{
  // TODO: Add your control notification handler code here
  UpdateData(TRUE);
  Info.nMilliSecond=m_nMilliSecond;
  Info.pctrlProgress=&m_ctrlProgress;
  hThread=CreateThread(NULL,
    0,
    (LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadFunc,
    &Info,
    0,
    &ThreadID);
/*
  GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(FALSE);
  WaitForSingleObject(hThread,INFINITE);
  GetDlgItem(IDC_START)->EnableWindow(TRUE);
*/
}
在函數BOOL CMultiThread3Dlg::OnInitDialog()中添加語句:{
  ……

  // TODO: Add extra initialization here
  m_ctrlProgress.SetRange(0,99);
  m_nMilliSecond=10;
  UpdateData(FALSE);
  return TRUE; // return TRUE unless you set the focus to a control
}
添加線程處理函數:UINT ThreadFunc(LPVOID lpParam){
  threadInfo* pInfo=(threadInfo*)lpParam;
  for(int i=0;i<100;i++)
  {
    int nTemp=pInfo->nMilliSecond;
    pInfo->pctrlProgress->SetPos(i);
    Sleep(nTemp);
  }
  return 0;
}

順便補充一點,如果你在void CMultiThread3Dlg::OnStart() 函數中添加/* */語句,編譯運行你就會發現進度條不進行刷新,主線程也停止了反應。什麼原因呢?這是因為WaitForSingleObject函數等待子線程(ThreadFunc)結束時,導致了線程死鎖。因為WaitForSingleObject函數會將主線程掛起(任何消息都得不到處理),而子線程ThreadFunc正在設置進度條,一直在等待主線程將刷新消息處理完畢返回才會檢測通知事件。這樣兩個線程都在互相等待,死鎖發生了,編程時應注意避免。

例程4 MultiThread4

該例程測試在Windows下最多可創建線程的數目。

建立一個基於對話框的工程MultiThread4,在對話框IDD_MULTITHREAD4_DIALOG中加入一個按鈕IDC_TEST和一個編輯框IDC_COUNT,按鈕標題為“測試” , 編輯框屬性選中Read-only;

在MultiThread4Dlg.cpp文件中進行如下操作:

添加公共變量volatile BOOL m_bRunFlag=TRUE;

該變量表示是否還能繼續創建線程。

添加線程函數:

DWORD WINAPI threadFunc(LPVOID threadNum)
{
  while(m_bRunFlag)
  {
    Sleep(3000);
  }
  return 0;
}
只要 m_bRunFlag 變量為TRUE,線程一直運行。

雙擊按鈕IDC_TEST,添加其響應消息函數:void CMultiThread4Dlg::OnTest()
{
  DWORD threadID;
  GetDlgItem(IDC_TEST)->EnableWindow(FALSE);
  long nCount=0;
  while(m_bRunFlag)
  {
    if(CreateThread(NULL,0,threadFunc,NULL,0,&threadID)==NULL)
    {
      m_bRunFlag=FALSE;
      break;
    }
    else
    {
      nCount++;
    }
  }
  //不斷創建線程,直到再不能創建為止
  m_nCount=nCount;
  UpdateData(FALSE);
  Sleep(5000);
  //延時5秒,等待所有創建的線程結束
  GetDlgItem(IDC_TEST)->EnableWindow(TRUE);
  m_bRunFlag=TRUE;
}

(未完待續)

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