海水正藍(lán)

本系列意在記錄Windwos線程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，包括線程基礎(chǔ)、線程調(diào)度、線程同步、TLS、線程池等

信號(hào)量?jī)?nèi)核對(duì)象

信號(hào)量?jī)?nèi)核對(duì)象用來(lái)進(jìn)行資源計(jì)數(shù)，它包含一個(gè)使用計(jì)數(shù)、最大資源數(shù)、當(dāng)前資源計(jì)數(shù)。最大資源數(shù)表示信號(hào)量可以控制的最大資源數(shù)量，當(dāng)前資源數(shù)表示信號(hào)當(dāng)前可用的資源數(shù)量。

設(shè)想一個(gè)場(chǎng)景：需要開(kāi)發(fā)一個(gè)服務(wù)器進(jìn)程，最多同時(shí)運(yùn)行5個(gè)線程來(lái)響應(yīng)客戶端請(qǐng)求，應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)“線程池”。最開(kāi)始的時(shí)候，5個(gè)線程都應(yīng)該在等待狀 態(tài)，如果有一個(gè)客戶端請(qǐng)求到來(lái)，那么喚醒其中的一個(gè)線程以處理客戶端請(qǐng)求，如果同時(shí)的請(qǐng)求數(shù)量為5，那么5個(gè)線程將全部投入使用，再多的請(qǐng)求應(yīng)該被放棄。 也就是說(shuō)，隨著客戶端請(qǐng)求的增加，當(dāng)前資源計(jì)數(shù)隨之遞減。

我們可能需要這樣的一個(gè)內(nèi)核對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能：初始化5個(gè)線程并同時(shí)等待一個(gè)內(nèi)核對(duì)象觸發(fā)，當(dāng)一個(gè)客戶端請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，試圖觸發(fā)內(nèi)核對(duì)象，這樣5個(gè) 線程中隨機(jī)一個(gè)被喚醒，并且自動(dòng)使內(nèi)核對(duì)象變?yōu)槲从|發(fā)。外部判斷上限是否到達(dá)5。表面看來(lái)似乎用“自動(dòng)重置的事件對(duì)象”即可實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能啊，為什么要涉及 到信號(hào)量呢？因?yàn)樾盘?hào)量還可以控制一次喚醒多少個(gè)線程?。《疫@個(gè)例子只是信號(hào)量的一個(gè)用途，后面我們會(huì)看到一個(gè)更實(shí)際的用途。

總結(jié)一下，信號(hào)量?jī)?nèi)核對(duì)象是這樣的一種對(duì)象：它維護(hù)一個(gè)資源計(jì)數(shù)，當(dāng)資源計(jì)數(shù)大于0，處于觸發(fā)狀態(tài)；資源計(jì)數(shù)等于0時(shí)，處于未觸發(fā)狀態(tài)；資源計(jì)數(shù)不可能小于0，也絕不可能大于資源計(jì)數(shù)上限。下圖展示了這種內(nèi)核對(duì)象的特點(diǎn)：

如上圖，只有資源計(jì)數(shù)>0時(shí)才是觸發(fā)狀態(tài)，資源=0時(shí)為未觸發(fā)狀態(tài)，而WaitForSingleObject成功將遞減資源計(jì)數(shù)，調(diào)用ReleaseSemaphore將增加資源計(jì)數(shù)。

下面兩個(gè)函數(shù)CreateSemaphore和CreateSemaphoreEx用于創(chuàng)建信號(hào)量對(duì)象：

任何進(jìn)程可以用OpenSemaphore來(lái)得到一個(gè)命名的信號(hào)量：

線程通過(guò)調(diào)用ReleaseSemaphore來(lái)遞增資源計(jì)數(shù)，不一定每次只遞增1，可以設(shè)置遞增任意值。當(dāng)將要超過(guò)資源上限值的時(shí)候，ReleaseSemaphore會(huì)返回FALSE。

互斥量?jī)?nèi)核對(duì)象

互斥量（mutex）用來(lái)確保一個(gè)線程獨(dú)占對(duì)一個(gè)資源的訪問(wèn)?；コ饬堪粋€(gè)使用計(jì)數(shù)、線程ID和一個(gè)遞歸計(jì)數(shù)，互斥量與關(guān)鍵段的行為幾乎相同（因 為它記錄了線程ID和遞歸計(jì)數(shù)，使得互斥量可以支持遞歸調(diào)用的情況）。互斥量的規(guī)則十分簡(jiǎn)單：如果線程ID為0（即沒(méi)有線程獨(dú)占它），那么它處于觸發(fā)狀 態(tài)，任何試圖等待該對(duì)象的線程都將獲得資源的獨(dú)占訪問(wèn)；如果線程ID不為0，那么它處于未觸發(fā)狀態(tài)，任何試圖等待該對(duì)象的線程都將等待。

可以使用CreateMutex或者CreateMutexEx創(chuàng)建互斥對(duì)象：

一如既往，OpenMutex用于打開(kāi)一個(gè)已經(jīng)命名的互斥量?jī)?nèi)核對(duì)象：

線程在獲得對(duì)獨(dú)占資源的訪問(wèn)權(quán)限之后，可以正常執(zhí)行相關(guān)的邏輯，當(dāng)需要釋放互斥對(duì)象的時(shí)候可以調(diào)用ReleaseMutex：

互斥量與其他內(nèi)核對(duì)象不同，它會(huì)記錄究竟是哪個(gè)線程占用了共享資源，結(jié)合遞歸計(jì)數(shù)，同一個(gè)線程可以在獲得共享資源之后繼續(xù)訪問(wèn)共享資源，這個(gè)行為就像關(guān)鍵段一樣。然而互斥量和關(guān)鍵段從本質(zhì)上是不同的，關(guān)鍵段是用戶模式的線程同步方法，而互斥量是內(nèi)核模式的線程同步方式。

介紹完這兩個(gè)內(nèi)核對(duì)象后，我們思考一下前面在【W(wǎng)indows】線程漫談——線程同步之Slim讀/寫(xiě)鎖中 設(shè)計(jì)的一個(gè)場(chǎng)景：有一個(gè)共享的隊(duì)列，2個(gè)服務(wù)端線程負(fù)責(zé)讀取隊(duì)列中的條目以處理，2個(gè)客戶端線程負(fù)責(zé)寫(xiě)入隊(duì)列中的條目以使服務(wù)先端線程處理，當(dāng)隊(duì)列中沒(méi)有 條目的時(shí)候應(yīng)當(dāng)掛起服務(wù)端線程，直到有條目進(jìn)入時(shí)才被喚醒，另一方面，當(dāng)隊(duì)列已滿時(shí)，客戶端線程應(yīng)當(dāng)掛起直到服務(wù)端至少處理了一個(gè)條目，以釋放至少一個(gè)條 目的空間。

現(xiàn)在我們來(lái)用信號(hào)量和互斥量來(lái)實(shí)現(xiàn)同樣的功能，下面的流程圖分別是客戶端寫(xiě)入線程和服務(wù)端讀取線程的邏輯：

1.首先創(chuàng)建一個(gè)互斥量對(duì)象m_hmtxQ，并初始化為未觸發(fā)狀態(tài)；之后創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量對(duì)象，并設(shè)置最大資源計(jì)數(shù)為隊(duì)列的長(zhǎng)度，初始化資源計(jì)數(shù)為0，正好表征隊(duì)列元素的個(gè)數(shù)。

2.設(shè)計(jì)客戶端核心邏輯如下圖：

WatiForSingleObject：試圖獲得隊(duì)列的獨(dú)占訪問(wèn)權(quán)限，對(duì)于這個(gè)隊(duì)列無(wú)論是讀還是寫(xiě)都應(yīng)該是線程獨(dú)占的。因此，使用互斥量對(duì)象來(lái)同步；

ReleaseSemaphore：試圖增加一個(gè)資源計(jì)數(shù)，表征客戶端想要向隊(duì)列中增加一個(gè)元素，當(dāng)然隊(duì)列可能現(xiàn)在已經(jīng)滿了，對(duì)應(yīng)的資源計(jì)數(shù)已達(dá)到 計(jì)數(shù)上限，此時(shí)ReleaseSemaphore會(huì)返回FALSE，這樣客戶端就不能像隊(duì)列中插入元素。反之，如果ReleaseSemaphore返回 TRUE，表示隊(duì)列沒(méi)有滿，客戶端可以向隊(duì)列中插入元素。

ReleaseMutex：無(wú)論客戶端是否能夠像隊(duì)列中插入元素，在結(jié)束訪問(wèn)后，都應(yīng)該釋放互斥對(duì)象，以便其他線程能夠進(jìn)入臨界資源。

3.設(shè)計(jì)服務(wù)端核心邏輯如下圖：

WatiForSingleObject：試圖獲得隊(duì)列的獨(dú)占訪問(wèn)權(quán)限，對(duì)于這個(gè)隊(duì)列無(wú)論是讀還是寫(xiě)都應(yīng)該是線程獨(dú)占的。因此，使用互斥量對(duì)象來(lái)同步；

WaitForSingleObject(m_hsemNumElements…)：試圖檢查信號(hào)量對(duì)象是否是觸發(fā)狀態(tài)。只有是觸發(fā)狀態(tài)的信號(hào)量對(duì) 象，線程才能進(jìn)入；也就意味著：隊(duì)列中只要有元素（資源>0，觸發(fā)狀態(tài)），服務(wù)端就能讀取。反之，如果隊(duì)列中沒(méi)有元素（資源=0，未觸發(fā)狀態(tài)），服 務(wù)端將暫時(shí)不能訪問(wèn)隊(duì)列，這時(shí)應(yīng)該立即釋放Mutex。

ReleaseMutex：無(wú)論客戶端是否能夠像隊(duì)列中插入元素，在結(jié)束訪問(wèn)后，都應(yīng)該釋放互斥對(duì)象，以便其他線程能夠進(jìn)入臨界資源。