Windwos下的线程互斥和同步
关键字： Windows、线程、互斥、同步
摘要：分析了“互斥”与“同步”在概念上的差异，简单介绍了Windows平台下的互斥、同步机制，详细讨论了生产者－消费者模型及其变形，以及容易出错的方面。
概述
网络多媒体应用系统同时包括网络传输、媒体采集和显示、媒体数据编解码、人机接口等多个紧密联系而又相对独立的组成部分，各部分之间需要并行协作才能正常运行，因此大量采用了多线程的运行模式。多线程模式对资源的访问提出了特殊要求。本文分析了线程“互斥”与“同步”在概念上的差异，简单介绍了Windows平台下的互斥、同步机制，详细讨论了生产者－消费者模型及其变形，以及容易出错的方面。
互斥与同步
互斥和同步是两个紧密相关而又容易混淆的概念。
互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。
同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源，如“第一类读写者模型”。
Windows下的互斥同步机制
Windows下提供了多种内核对象实现线程、进程间的同步和互斥，常用的有：
关键节（Critical Section）：关键节不是内核对象，在用户态实现了同一进程中线程的互斥。由于使用时不需要从用户态切换到核心态，所以速度很快（X86系统上约为20个指令周期），但其缺点是不能跨进程同步，同时不能指定阻塞时的等待时间，只能无限等待。
互斥体：（Mutex）：互斥体实现了和关键节类似的互斥功能，但区别在于：互斥体是内核对象，可以实现跨进程互斥，但需要在用户态和核心态之间切换，速度比关键节慢得多（X86系统上约为600个指令周期），同时可以指定阻塞时的等待时间。
事件（Event）：事件也是内核对象，具有“信号态”和“无信号态”两种状态。当某一线程等待一个事件时，如果事件为信号态，将继续执行，如果事件为无信号态，那么线程被阻塞。线程能够指定阻塞时的等待时间。
信号量（Semaphore）：信号量是一个资源计数器，当某线程获取某信号量时，信号量计数首先减1，如果计数小于0，那么该线程被阻塞；当某县城释放某信号量时，信号量计数首先加1，如果计数小于或等与0，那么唤醒某被阻塞的线程并执行之。对信号量的总结如下：
1． 如果计数器m大于0，表示还有m个资源可以访问，此时信号量线程等待队列中没有线程被阻塞，新的线程访问资源也不会被阻塞；
2． 如果计数器m等与0，表示没有资源可以访问，此时信号量线程等待队列中没有线程被阻塞，但新的线程访问资源会被阻塞；
3． 如果计数器m小于0，表示没有资源可以访问，此时信号量线程等待队列中有abs（m）个线程被阻塞，新的线程访问资源会被阻塞；
信号量常被用于保证对多个资源进行同步访问。
生产者－消费者模型
生产者－消费者模型是指：
1． 生产者进行生产将物品放入仓库，同一时间只能有一个生产者将物品放入仓库，如果仓库满，生产者等待。
2． 消费者从仓库中取出物品，同一时间只能有一个消费者取出物品，如果仓库空，消费者等待；
3． 生产者将物品放入仓库时消费者不能同时取；
4． 消费者取物品时生产者不能放入物品；
总之，就是生产者群体或消费者群体内部是互斥的，两个群体之间是同步的。
当只有一个生产者、消费者时，由于同一群体内部不需要互斥，所以只需在群体之间实 现同步即可。例如可以使用两个Event／CriticalSection／Mutex／Semaphore实现同步；
如果有多个生产者和消费者，那么情况会复杂些，需要一个Event／CriticalSection／Mutex实现线程之间的互斥，需要两个Semaphore实现两个线程群体间的同步。一个例子如下：
HANDLE m_S_Producer; // Semaphore
HANDLE m_S_Consumer; // Semaphore
HANDLE m_E_Queue; // Event
// 假设仓库最多容纳M个物品，开始仓库为空
m_S_Producer = CreateSemaphore(NULL, M, M, NULL); //初始计数为M
m_S_Consumer = CreateSemaphore(NULL, 0, M, NULL); //初始计数为0
m_E_Queue = CreateEvent(NULL, FALSE, TRUE, NULL); //自动类型，初始状态为信号态
生产者
if (WaitForSingleObject(m_S_Producer, WaitTime) == WAIT_OBJECT_0)
{
if (WaitForSingleObject(m_E_Queue, WaitTime) == WAIT_OBJECT_0)
{
// OK now, put product
// relase comsumer’s semaphore
ReleaseSemaphore(m_S_Consumer, 1, NULL);
// set event to signal
SetEvent(m_E_Queue);
return TRUE;
}
else // wait event time out
{
// not put product so release producer
ReleaseSemaphore(m_S_Producer, 1, NULL);
SetEvent(m_E_Queue);
return FALSE;
}
}
else // wait semaphore time out
{
return FALSE;
}
消费者
if (WaitForSingleObject(m_S_Consumer, WaitTime) == WAIT_OBJECT_0)
{
if (WaitForSingleObject(m_E_Queue, WaitTime) == WAIT_OBJECT_0)
{
// OK now, Get product then
// releasee productor’s semaphore
ReleaseSemaphore(m_S_Producer, 1, NULL);
// set event to signal
SetEvent(m_E_Queue);
return TRUE;
}
else // wait event time out
{
// not get product so release Consumer
ReleaseSemaphore(m_S_Consumer, 1, NULL);
SetEvent(m_E_Queue);
return FALSE;
}
}
else // wait semaphore time out
{
return FALSE;
}
特别需要注意的是，在该模型中，对互斥量（本例为m_E_Queue）的等待必须放在第二个等待位置，否则可能将造成线程死锁。考虑这样的情况：仓库已满，没有任何线程访问。某一时刻，生产者放入物品，首先等待m_E_Queue并通过，且将m_E_Queue置于无信号态，然后等待m_S_Produce时被阻塞。这时某一消费者欲取物品，无论在什么情况下，都将在等待m_E_Queue时被阻塞，从而相互等待造成死锁。在释放同步对象时则位置不受限制。
多个生产者一个消费者
这时一种常用的变形。如果仓库是一个队列（先进先出），此时消费者内部将不需要互斥。
消费者
if (WaitForSingleObject(m_S_Consumer, WaitTime) == WAIT_OBJECT_0)
{
// OK now, Get product then
// releasee productor’s semaphore
ReleaseSemaphore(m_S_Producer, 1, NULL);
return TRUE;
}
else // wait semaphore time out
{
return FALSE;
}
此时可能出现消费者、生产者同时访问资源的情况，但生产者群体和消费者群体之间的同步机制，以及队列的先进先出机制将保证即使消费者、生产者同时访问资源，也不会发生冲突。
多个消费者一个生产者的情况类似。
