VC多线程编程详解

Z时代
2024-01-10
分类：综合

本文实例讲述了VC多线程编程概念与技巧，分享给大家供大家参考。具体分析如下：

一、多线程编程要点

线程是进程的一条执行路径，它包含独立的堆栈和CPU寄存器状态，每个线程共享所有的进程资源，包括打开的文件、信号标识及动态分配的内存等。一个进程内的所有线程使用同一个地址空间，而这些线程的执行由系统调度程序控制，调度程序决定哪个线程可执行以及什么时候执行线程。线程有优先级别，优先权较低的线程必须等到优先权较高的线程执行完后再执行。在多处理器的机器上，调度程序可将多个线程放到不同的处理器上去运行，这样可使处理器任务平衡，并提高系统的运行效率。

Windows是一种多任务的操作系统，在Windows的一个进程内包含一个或多个线程。32位Windows环境下的Win32 API提供了多线程应用程序开发所需要的接口函数，而利用ＶＣ中提供的标准Ｃ库也可以开发多线程应用程序，相应的ＭＦＣ类库封装了多线程编程的类，用户在开发时可根据应用程序的需要和特点选择相应的工具。为了使大家能全面地了解Windows多线程编程技术，本文将重点介绍Win32 API和MFC两种方式下如何编制多线程程序。

多线程编程在Win32方式下和MFC类库支持下的原理是一致的，进程的主线程在任何需要的时候都可以创建新的线程。当线程执行完后，自动终止线程; 当进程结束后，所有的线程都终止。所有活动的线程共享进程的资源，因此，在编程时需要考虑在多个线程访问同一资源时产生冲突的问题。当一个线程正在访问某进程对象，而另一个线程要改变该对象，就可能会产生错误的结果，编程时要解决这个冲突。

二、Win32 API下的多线程编程

Win32 API是Windows操作系统内核与应用程序之间的界面，它将内核提供的功能进行函数包装，应用程序通过调用相关函数而获得相应的系统功能。为了向应用程序提供多线程功能，Win32 API函数集中提供了一些处理多线程程序的函数集。直接用Win32 API进行程序设计具有很多优点: 基于Win32的应用程序执行代码小，运行效率高，但是它要求程序员编写的代码较多，且需要管理所有系统提供给程序的资源。用Win32 API直接编写程序要求程序员对Windows系统内核有一定的了解，会占用程序员很多时间对系统资源进行管理，因而程序员的工作效率降低。

1. 用Win32函数创建和终止线程

Win32函数库中提供了操作多线程的函数，包括创建线程、终止线程、建立互斥区等。在应用程序的主线程或者其他活动线程中创建新的线程的函数如下：

HANDLE CreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,DWORD dwStackSize,LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,LPVOID lpParameter,DWORD dwCreationFlags,LPDWORD lpThreadId);

如果创建成功则返回线程的句柄，否则返回NULL。创建了新的线程后，该线程就开始启动执行了。但如果在dwCreationFlags中使用了CREATE_SUSPENDED特性，那么线程并不马上执行，而是先挂起，等到调用ResumeThread后才开始启动线程，在这个过程中可以调用下面这个函数来设置线程的优先权：

BOOL SetThreadPriority(HANDLE hThread,int nPriority);

当调用线程的函数返回后，线程自动终止。如果需要在线程的执行过程中终止则可调用函数：

VOID ExitThread(DWORD dwExitCode);

如果在线程的外面终止线程，则可调用下面的函数：

BOOL TerminateThread(HANDLE hThread,DWORD dwExitCode);

但应注意: 该函数可能会引起系统不稳定，而且线程所占用的资源也不释放。因此，一般情况下，建议不要使用该函数。

如果要终止的线程是进程内的最后一个线程，则线程被终止后相应的进程也应终止。

2. 线程的同步

在线程体内，如果该线程完全独立，与其他线程没有数据存取等资源操作上的冲突，则可按照通常单线程的方法进行编程。但是，在多线程处理时情况常常不是这样，线程之间经常要同时访问一些资源。由于对共享资源进行访问引起冲突是不可避免的，为了解决这种线程同步问题，Win32 API提供了多种同步控制对象来帮助程序员解决共享资源访问冲突。在介绍这些同步对象之前先介绍一下等待函数，因为所有控制对象的访问控制都要用到这个函数。

Win32 API提供了一组能使线程阻塞其自身执行的等待函数。这些函数在其参数中的一个或多个同步对象产生了信号，或者超过规定的等待时间才会返回。在等待函数未返回时，线程处于等待状态，此时线程只消耗很少的CPU时间。使用等待函数既可以保证线程的同步，又可以提高程序的运行效率。最常用的等待函数是：

DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle，DWORD dwMilliseconds);

而函数WaitForMultipleObject可以用来同时监测多个同步对象，该函数的声明为：

DWORD WaitForMultipleObject(DWORD nCount,CONST HANDLE *lpHandles,BOOL bWaitAll,DWORD dwMilliseconds);

（1）互斥体对象

Mutex对象的状态在它不被任何线程拥有时才有信号，而当它被拥有时则无信号。Mutex对象很适合用来协调多个线程对共享资源的互斥访问。可按下列步骤使用该对象：

首先，建立互斥体对象，得到句柄：

HANDLE CreateMutex();

然后，在线程可能产生冲突的区域前（即访问共享资源之前）调用WaitForSingleObject，将句柄传给函数，请求占用互斥对象：

dwWaitResult = WaitForSingleObject(hMutex,5000L);

共享资源访问结束，释放对互斥体对象的占用：

ReleaseMutex(hMutex);

互斥体对象在同一时刻只能被一个线程占用，当互斥体对象被一个线程占用时，若有另一线程想占用它，则必须等到前一线程释放后才能成功。

（2）信号对象

信号对象允许同时对多个线程共享资源进行访问，在创建对象时指定最大可同时访问的线程数。当一个线程申请访问成功后，信号对象中的计数器减一，调用ReleaseSemaphore函数后，信号对象中的计数器加一。其中，计数器值大于或等于０，但小于或等于创建时指定的最大值。如果一个应用在创建一个信号对象时，将其计数器的初始值设为０，就阻塞了其他线程，保护了资源。等初始化完成后，调用ReleaseSemaphore函数将其计数器增加至最大值，则可进行正常的存取访问。可按下列步骤使用该对象：

首先，创建信号对象：

HANDLE CreateSemaphore();

或者打开一个信号对象：

HANDLE OpenSemaphore();

然后，在线程访问共享资源之前调用WaitForSingleObject。

共享资源访问完成后，应释放对信号对象的占用：

ReleaseSemaphore();

（3）事件对象

事件对象(Event)是最简单的同步对象，它包括有信号和无信号两种状态。在线程访问某一资源之前，需要等待某一事件的发生，这时用事件对象最合适。例如：只有在通信端口缓冲区收到数据后，监视线程才被激活。

事件对象是用CreateEvent函数建立的。该函数可以指定事件对象的类和事件的初始状态。如果是手工重置事件，那么它总是保持有信号状态，直到用ResetEvent函数重置成无信号的事件。如果是自动重置事件，那么它的状态在单个等待线程释放后会自动变为无信号的。用SetEvent可以把事件对象设置成有信号状态。在建立事件时，可以为对象命名，这样其他进程中的线程可以用OpenEvent函数打开指定名字的事件对象句柄。

（4）排斥区对象

在排斥区中异步执行时，它只能在同一进程的线程之间共享资源处理。虽然此时上面介绍的几种方法均可使用，但是，使用排斥区的方法则使同步管理的效率更高。

使用时先定义一个CRITICAL_SECTION结构的排斥区对象，在进程使用之前调用如下函数对对象进行初始化:

VOID InitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION);

当一个线程使用排斥区时，调用函数：EnterCriticalSection或者TryEnterCriticalSection;

当要求占用、退出排斥区时，调用函数LeaveCriticalSection，释放对排斥区对象的占用，供其他线程使用。

三、基于MFC的多线程编程

MFC是微软的VC开发集成环境中提供给程序员的基础函数库，它用类库的方式将Win32 API进行封装，以类的方式提供给开发者。由于其快速、简捷、功能强大等特点深受广大开发者喜爱。因此，建议使用MFC类库进行应用程序的开发。

在VC++附带的MFC类库中，提供了对多线程编程的支持，基本原理与基于Win32 API的设计一致，但由于MFC对同步对象做了封装，因此实现起来更加方便，避免了对象句柄管理上的烦琐工作。

在MFC中，线程分为两种：工作线程和用户接口线程。工作线程与前面所述的线程一致，用户接口线程是一种能够接收用户的输入、处理事件和消息的线程。

1. 工作线程

工作线程编程较为简单，设计思路与前面所讲的基本一致: 一个基本函数代表了一个线程，创建并启动线程后，线程进入运行状态; 如果线程用到共享资源，则需要进行资源同步处理。这种方式创建线程并启动线程时可调用函数：

CWinThread*AfxBeginThread(
AFX_THREADPROC pfnThreadProc,
LPVOID pParam,
int nPriority= THREAD_PRIORITY_NORMAL,
UINT nStackSize =0,
DWORD dwCreateFlags=0,
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttrs = NULL);

参数pfnThreadProc是线程执行体函数，函数原形为: UINT ThreadFunction( LPVOID pParam)。

参数pParam是传递给执行函数的参数；

参数nPriority是线程执行权限，可选值：

THREAD_PRIORITY_NORMAL、THREAD_PRIORITY_LOWEST、THREAD_PRIORITY_HIGHEST、THREAD_PRIORITY_IDLE。

参数dwCreateFlags是线程创建时的标志，可取值CREATE_SUSPENDED，表示线程创建后处于挂起状态，调用ResumeThread函数后线程继续运行，或者取值“0”表示线程创建后处于运行状态。

返回值是CWinThread类对象指针，它的成员变量m_hThread为线程句柄，在Win32 API方式下对线程操作的函数参数都要求提供线程的句柄，所以当线程创建后可以使用所有Win32 API函数对pWinThread->m_Thread线程进行相关操作。

注意：如果在一个类对象中创建和启动线程时，应将线程函数定义成类外的全局函数。

2. 用户接口线程

基于MFC的应用程序有一个应用对象，它是CWinApp派生类的对象，该对象代表了应用进程的主线程。当线程执行完并退出线程时，由于进程中没有其他线程存在，进程自动结束。类CWinApp从CWinThread派生出来，CWinThread是用户接口线程的基本类。我们在编写用户接口线程时，需要从CWinThread派生我们自己的线程类，ClassWizard可以帮助我们完成这个工作。

先用ClassWizard派生一个新的类，设置基类为CwinThread。注意：类的DECLARE_DYNCREATE和IMPLEMENT_DYNCREATE宏是必需的，因为创建线程时需要动态创建类的对象。根据需要可将初始化和结束代码分别放在类的InitInstance和ExitInstance函数中。如果需要创建窗口，则可在InitInstance函数中完成。然后创建线程并启动线程。可以用两种方法来创建用户接口线程，MFC提供了两个版本的AfxBeginThread函数，其中一个用于创建用户接口线程。第二种方法分为两步进行：首先，调用线程类的构造函数创建一个线程对象；其次，调用CWinThread::CreateThread函数来创建该线程。线程建立并启动后，在线程函数执行过程中一直有效。如果是线程对象，则在对象删除之前，先结束线程。CWinThread已经为我们完成了线程结束的工作。

3. 线程同步

前面我们介绍了Win32 API提供的几种有关线程同步的对象，在MFC类库中对这几个对象进行了类封装，它们有一个共同的基类CSyncObject，它们的对应关系为: Semaphore对应CSemaphore、Mutex对应CMutex、Event对应CEvent、CriticalSection对应CCriticalSection。另外，MFC对两个等待函数也进行了封装，即CSingleLock和CMultiLock。因四个对象用法相似，在这里就以CMutex为例进行说明：

创建一个CMutex对象: