临界区
线程安全问题
每个线程都有自己的栈，而局部变量是存储在栈中的，这就意味着每个线程都有一份自己的“局部变量”，如果线程仅仅使用“局部变量”那么就不存在线程安全问题。
那如果多个线程共用一个全局变量呢？
全局变量是存储在全局区的，如果多线程执行的代码都去访问这个全局变量，那么用的却同一个全局变量，这就是线程安全问题
那多线程一定存在线程安全问题吗？
未必，访问的不是全部变量的话就没问题
那多线程访问全局变量就一定存在问题吗？
也未必，如果只对全局变量是只读的操作，就没有
所以线程安全问题的前提
- 有全局变量
- 对全局变量不是只读的操作，又写的动作
例子体现问题
#include<stdio.h>
#include<windows.h>
int NumOfTickets = 10;
DWORD WINAPI FirstThread(LPVOID lpParameter)
{
while (NumOfTickets > 0)
{
printf("还有：%d张票\n", NumOfTickets);
NumOfTickets--;
printf("卖出一张，还剩下：%d张票\n", NumOfTickets);
}
return 0;
}
int main()
{
DWORD res1;
DWORD res2;
HANDLE hThread[2];
//创建两个线程，并指向同一个函数
hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, FirstThread, NULL, 0, NULL);
hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, FirstThread, NULL, 0, NULL);
//等线程结束
WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, INFINITE);
//线程执行完
GetExitCodeThread(hThread[0], &res1);
GetExitCodeThread(hThread[1], &res2);
printf("%d %d\n", res1, res2);
return 0;
}
这里的代码是粗略的模拟了一个售票系统，初始有10张票，随着两个线程里票的递减，而打印出票的情况，具体看代码，不难，API都是前面写过的
可以看到这里的票情况十分的混乱，甚至出现了-1票的情况
（如果没出现-1票情况的，可以多运行几下）
为了方便理解这样情况的发生过程，请看如下
//第一个线程X
DWORD WINAPI FirstThread(LPVOID lpParameter)
{
while (NumOfTickets > 0)
{//（1）
printf("还有：%d张票\n", NumOfTickets);
NumOfTickets--;
printf("卖出一张，还剩下：%d张票\n", NumOfTickets);
}
return 0;
}
//全局变量
int NumOfTickets;
//第二个线程Y
DWORD WINAPI FirstThread(LPVOID lpParameter)
{
while (NumOfTickets > 0)
{
printf("还有：%d张票\n", NumOfTickets);
NumOfTickets--; //(2)
printf("卖出一张，还剩下：%d张票\n", NumOfTickets);
}
return 0;
}
这里有两个线程，一份全局变量，这两个线程是交替执行的，可能会在任何点进行线程切换
假如，当票只剩一张的时候，X运行到（1）的位置，发生线程切换，Y运行到（2）位置时发生线程切换，此时，票已经是0，X就会打印“还有0张票”，然后-1，打印出”还剩-1票“
通过这个例子相信大家能够理解为什么会有线程安全问题
解决办法
这里又要提到两个新的概念
如果想让我们的程序变得安全，首先给这个全局变量起个名字，叫临界资源
什么叫临界资源呢？
是指一次只允许一个线程使用的资源
对这个临界资源访问的代码称为临界区
这个临界区可以由自己来写也可以用API来写，目前不涉及自己来写临界区，需要考虑的东西有点多
Windows实现方式：
首先在设置一个全局变量，称为令牌，线程一要想访问临界资源，就要先访问令牌，是否还在，在的话下面的代码就可以对临界资源进行操作，那线程二三，访问的时候发现令牌不在了，那代码就访问不了临界资源，所以这样就避免了线程安全问题
细心的大佬可能发现问题了，那线程一在访问令牌的时候还能来的及改，那线程二就来访问了，那两个线程不就同时拥有令牌了吗？
所以，windows就把这里令牌的判断和修改变成了原子操作（感兴趣的可以去搜一搜，我也不是很了解T_T），所以这就是自己实现需要考虑之一的事情
临界区实现之线程锁
这里实现线程安全的方式有很多，用下面的例子来做实验
1.创建全局变量
CRITICAL_SECTION cs;
CRITICAL_SECTION结构体
typedef RTL_CRITICAL_SECTION CRITICAL_SECTION;
typedef struct _RTL_CRITICAL_SECTION {
PRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG DebugInfo;
//
// The following three fields control entering and exiting the critical
// section for the resource
//
LONG LockCount;
LONG RecursionCount;
HANDLE OwningThread; // from the thread's ClientId->UniqueThread
HANDLE LockSemaphore;
ULONG_PTR SpinCount; // force size on 64-bit systems when packed
} RTL_CRITICAL_SECTION, *PRTL_CRITICAL_SECTION;
2.初始化全局变量
InitializeCriticalSection(&cs);
3.实现临界区
//进入临界区
EnterCriticalSection(&cs);
//离开临界区
LeaveCriticalSection(&cs);
目前就用知道怎么使用和大概的函数意思就行了
代码真正实现
#include<stdio.h>
#include<windows.h>
int NumOfTickets = 10;
CRITICAL_SECTION cs; //要注意必须是全局变量
DWORD WINAPI FirstThread(LPVOID lpParameter)
{
EnterCriticalSection(&cs); //进入临界区
while (NumOfTickets > 0)
{
printf("还有：%d张票\n", NumOfTickets);
NumOfTickets--;
printf("卖出一张，还剩下：%d张票\n", NumOfTickets);
}
LeaveCriticalSection(&cs); //离开临界区
return 0;
}
int main()
{
DWORD res1;
DWORD res2;
HANDLE hThread[2];
InitializeCriticalSection(&cs); //初始化
//创建两个线程，并指向同一个函数
hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, FirstThread, NULL, 0, NULL);
hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, FirstThread, NULL, 0, NULL);
//等线程结束
WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, INFINITE);
//线程执行完
GetExitCodeThread(hThread[0], &res1);
GetExitCodeThread(hThread[1], &res2);
printf("%d %d\n", res1, res2);
return 0;
}
运行结果
可以看到成功实现，没有混乱的输出和-1票的结果
注意线程锁应该要包含所有与临界资源有关的代码，如判断和改写等
假如把线程锁写到循环里面就会出现-1票的结果
总结
- 了解了什么是线程安全问题
- 两个新的概念：临界资源和临界区
- 线程安全问题的其中一个解决方法
发表于 2024-4-22 00:41
