(C++)线程同步——互斥对象

在使用临界对象前，我们先了解一下什么是临界资源？以及什么是临界区？ 

一、临界资源

 临界资源是一次仅允许一个进程使用的共享资源。各进程采取互斥的方式，实现共享的资源称作临界资源。属于临界资源的硬件有，打印机，磁带机等；软件有消息队列，变量，数组，缓冲区等。诸进程间采取互斥方式，实现对这种资源的共享。

二、临界区

每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区（criticalsection），每次只允许一个进程进入临界区，进入后，不允许其他进程进入。不论是硬件临界资源还是软件临界资源，多个进程必须互斥的对它进行访问。多个进程涉及到同一个临界资源的的临界区称为相关临界区。使用临界区时，一般不允许其运行时间过长，只要运行在临界区的线程还没有离开，其他所有进入此临界区的线程都会被挂起而进入等待状态，并在一定程度上影响程序的运行性能。 

三、互斥对象 

互斥对象包含一个使用数量，一个线程ID和一个计数器。其中线程ID用于标识系统中的哪个线程当前拥有互斥对象，计数器用于指明该线程拥有互斥对象的次数。

   创建互斥对象：调用函数CreateMutex。调用成功，该函数返回所创建的互斥对象的句柄。

   请求互斥对象所有权：调用函数WaitForSingleObject函数。线程必须主动请求共享对象的所有权才能获得所有权。

   释放指定互斥对象的所有权：调用ReleaseMutex函数。线程访问共享资源结束后，线程要主动释放对互斥对象的所有权，使该对象处于已通知状态。

三、未互斥对象的线程同步

现在先来看一段程序：

现有线程函数A和线程函数B。线程函数A对整数num进行+1操作，共执行50万次；线程函数B对整数num进行-1操作，共执行50万次。有一个for循环(从1循环至50)，当循环第奇数次时创建一个线程函数A，第偶数次时创建一个线程函数B。

定义两个线程函数，分别执行+1  50万次和-1  50万次

unsigned WINAPI threadInc(void* arg){
	int i;
	for (i = 0; i < 500000; i++)
		num += 1;
	return 0;
}
unsigned WINAPI threadDes(void* arg){
	int i;
	for (i = 0; i < 500000; i++)
		num -= 1;
	return 0;
}

创建线程，使用 WaitForMultipleObjects检测内核对象数组状态转变。

#include 
#include 
#include 
 
#define NUM_THREAD	50
unsigned WINAPI threadInc(void* arg);
unsigned WINAPI threadDes(void* arg);
long long num = 0;
 
int main() {
	//内核对象数组
	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);
	}
	//等待一个内核对象变为已通知状态
	/*
    检测单个内核对象
	WaitForSingleObject(
    _In_ HANDLE hHandle,内核对象句柄
    _In_ DWORD dwMilliseconds，等待时间
    );
	*/
    /*
    检测内核对象组
    WaitForMultipleObjects(
        _In_ DWORD nCount,    // 要监测的句柄的组的句柄的个数
        _In_reads_(nCount) CONST HANDLE* lpHandles,   //要监测的句柄的组
        _In_ BOOL bWaitAll,  // TRUE 等待所有的内核对象发出信号， FALSE 任意一个内核对象发出信号
        _In_ DWORD dwMilliseconds //等待时间
    );
    */
	WaitForMultipleObjects(NUM_THREAD, tHandles, TRUE, INFINITE);
	printf("result: %lld \n", num);
	return 0;
}

按照预期设想：执行的+1和-1操作次数相同，最后的结果应该为0 。但实际运行结果却不为0

并且每次运行的结果还不相同，这是由于系统的异步性导致 ，当临界区访问临界资源时，就需要添加互斥变量。

四、使用互斥对象的线程同步 

    互斥对象(mutex)属于内核对象，它能够确保线程拥有对单个资源的互斥访问权。   

HANDLE
WINAPI
CreateMutexW(
    _In_opt_ LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,   //指向安全属性
    _In_ BOOL bInitialOwner,   //初始化互斥对象的所有者  TRUE 立即拥有互斥体
    _In_opt_ LPCWSTR lpName    //指向互斥对象名的指针  L“Bingo”
);

修改上面的程序，在初始化时添加互斥变量，在临界区请求和释放互斥对象的所有权

#include 
#include 
#include 
 
#define NUM_THREAD	50
unsigned WINAPI threadInc(void* arg);
unsigned WINAPI threadDes(void* arg);
long long num = 0;
HANDLE hMutex;
 
int main() {
	//内核对象数组
	HANDLE tHandles[NUM_THREAD];
	int i;
	//创建互斥信号量
	hMutex = CreateMutex(0, FALSE, NULL);
	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);
	//关闭互斥对象
	CloseHandle(hMutex);
	printf("result: %lld \n", num);
	return 0;
}
 
unsigned WINAPI threadInc(void* arg){
	int i;
	//请求使用
	WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
	for (i = 0; i < 500000; i++)
		num += 1;
	//释放
	ReleaseMutex(hMutex);
	return 0;
}
unsigned WINAPI threadDes(void* arg){
	int i;
	//请求
	WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
	for (i = 0; i < 500000; i++)
		num -= 1;
	//释放
	ReleaseMutex(hMutex);
	return 0;
}

运行结果：

50个线程按照一定顺序依次对临界资源操作，这才使得结果正确输出。因此，当程序中有需要访问临界资源的代码，就需要使用互斥变量进行约束以保证程序的正常执行