《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 19：Windows 平台下线程的使用

《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 19：Windows 平台下线程的使用

内核对象

要想掌握 Windows 平台下的线程，应首先理解内核对象（Kernel Objects）的概念。

内核对象的定义

操作系统创建的资源有很多种，如进程、线程、文件及即将介绍的信号量、互斥量等。其中大部分都是通过程序员的请求创建的，而且请求方式各不相同。虽然存在一些差异，但它们之间也有如下共同点：都是由 Windows 操作系统创建并管理的资源。

不同资源类型在管理方式也有差异。例如，文件管理中应注册并更新文件相关的数据I/O位置、文件的打开模式（rcad or write）等。如果是线程，则应注册并维护线程ID、线程所属进程等信息。操作系统为了以记录相关信息的方式管理各种资源，在其内部生成数据块（结构体变量）。当然，每种资源需要维护的信息不同，所以每种资源拥有的数据块格式也有差异。这类数据块称为“内核对象”。

假设在 Windows 下创建了 mydata.txt 文件，此时 Windows 操作系统将生成 1 个数据块以便管理，该数据块就是内核对象。同理，Windows 在创建进程、线程、线程同步信号量时也会生成相应的内核对象，用于管理操作系统资源。

内核对象归操作系统所有

线程、文件等资源的创建请求均在进程内部完成，因此，很容易产生“此时创建的内核对象所有者就是进程”的错觉。其实，内核对象所有者是内核（操作系统），内核对象的创建、管理、销毁时机的决定等工作均由操作系统完成。

基于 Windows 的线程创建

进程与线程的关系

现代操作系统都支持线程，因此，非显式创建线程的程序可描述为“单一线程模型的应用程序”，显式创建单独线程的程序可描述为“多线程模型的应用程序”。这就意味着 main 函数的运行同样基于线程完成，此时进程可以比喻为装有线程的篮子，实际的运行主体是线程。

Windows 中线程的创建方法

#include <windows.h>HANDLE CreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,SIZE_T dwStackSize,LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,LPVOID lpParameter,DWORD dwCreationFlags,LPDWORD lpThreadId
);

参数：

• IpThreadAttributes：线程安全相关信息，使用默认设置时传递 NULL。
• dwStackSize：要分配给线程的栈大小，传递 0 时生成默认大小的栈。
• IpStartAddress：传递线程的 main 函数信息。
• lpParameter：调用 main 函数时传递的参数信息。
• dwCreationFlags：用于指定线程创建后的行为，传递 0 时，线程创建后立即进入可执行状态。
• IpThreadld：用于保存线程 ID 的变量地址值。

成功时返回线程句柄，失败时返回 NULL。

调用该函数将创建线程，操作系统为了管理这些资源也将同时创建内核对象。最后返回用于区分内核对象的整数型“句柄”（Handle）。

第 1 章已介绍过，句柄相当于 Linux的文件描述符。

上述定义看起来有些复杂，其实只需要考虑 IpStartAddress 和 lpParameter 这 2 个参数，剩下的只需传递 0 或 NULL 即可。

Windows 线程的销毁时间点

Windows 线程在首次调用的线程 main 函数返回时销毁（销毁时间点和销毁方法与 Linux 不同）。

还有其他方法可以终止线程，但最好的方法就是让线程main函数终止（返回）。

编写多线程程序的环境设置

旧的 VC++6.0版默认只包含支持单线程的库，需要自行配置。

在项目的属性-代码生成界面，可以检查运行库：

创建“使用线程安全标准 C 函数”的线程

通过 CreateThread 函数调用创建出的线程在使用 C/C++ 标准函数时并不稳定。

如果线程要调用 C/C++ 标准函数，需要通过如下方法创建线程：

#include <process.h>unitptr_t _beginthreadex(void *security,unsigned stack_size,unsigned (*start_address)(void *),void *arglist,unsigned initflag,unsigned *thrdaddr
);

上述函数与之前的 CreateThread 函数相比，参数个数及各参数的含义和顺序的相同，只是变量名和参数类型有所不同。因此，用上述函数替换 CreateThread 函数时，只需适当更改数据类型。上述函数的返回值类型 uintptr_t 是 64 位 unsigned 整数型。

程序示例：

在这里插入代码片

运行结果：

与 Linux 相同，Windows 同样在 main 函数返回后终止进程，也同时终止其中包含的所有线程。另外，如果对上述代码进行运行的话，最后输出的内容并非字符串"end of main"，而是"running thread"。但这是在 main 函数返回后，完全销毁进程前输出的字符串。

句柄、内核对象和 ID 间的关系

线程属于操作系统管理资源，伴随内核对象的创建，为了引用内核对象而返回句柄。

可以通过句柄区分内核对象，通过内核对象可以区分线程，最终，线程句柄成为区分线程的工具。

句柄的整数值在不同进程中可能重复。通过 CreateThread/_beginthreadex 函数可以得到线程 ID，它用于区分操作系统创建的所有线程，在跨进程范围内不会重复。

内核对象的 2 种状态

应用程序实现过程中需要特别关注的信息被赋予某种“状态”。

线程终止状态又称 signaled 状态，未终止状态称为 non-signaled 状态。

内核对象状态及状态查看

进程或线程终止时，操作系统会把相应的内核对象改为 signaled 状态。

这也意味着，进程和线程的内核对象初始状态是 non-signaled 状态。

内核对象带有 1 个 boolean 变量，其初始值为 FALSE，此时的状态就是 non-signaled 状态。如果发生约定的情况，把该变量改为 TRUE，此时的状态就是 signaled 状态。内核对象类型不同，进入 signaled 状态的情况也有所区别（即对应事件也有区别）。

验证内核对象状态的 2 个函数

首先介绍 WaitForSingleObject 函数，该函数针对单个内核对象验证 signaled 状态。

#include<windows.h>DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle,DWORD dwMilliseconds
);

参数：

• hHandle：查看状态的内核对象句柄。
• dwMilliseconds：以 1ms 为单位指定超时，传递 INFINITE 时函数不会返回，直到内核对象变成 signaled状态。

进入 signaled 状态返回 WAIT_OBJECT_0，超时返回 WAIT_TIMEOUT，失败时返回 WAIT_FAILED。

该函数由于发生事件（变为 signaled 状态）返回时，有时会把相应内核对象再次改为 non-signaled 状态。这种可以再次进入 non-signaled 状态的内核对象称为“auto-reset模式”的内核对象，而不会自动跳转到 non-signaled 状态的内核对象称为“manual-reset模式”的内核对象。

WaitForMultipleObjects 函数与 WaitForSingleObject 函数不同，可以验证多个内核对象状态。

#include <windows.h>DWORD WaitForMultipleObjects(DWORD nCount,const HANDLE *lphHandles,BOOL bWaitAll,DWORD dwMilliseconds
);

参数：

• nCount：需验证的内核对象数。
• IpHandles：存有内核对象句柄的数组地址值。
• bWaitAll：如果为 TRUE，则所有内核对象全部变为 signaled 时返回；如果为 FALSE，则只要有 1 个对象的状态变为 signaled 就会返回。
• dwMilliseconds：以 1ms 为单指定超时，传递 INFINITE 时函数不会返回，直到内核对象变为 signaled 状态。

成功时返回事件信息，失败时返回 WAIT_FAILED。

下面利用 WaitForSingleObject 函数尝试解决示例的问题。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <windows.h>
#include <process.h>unsigned WINAPI ThreadFunc(void *arg); // WINAPI 是 Windows 固有的关键字，表示遵守 _beginthreadex 函数的调用规定int main(int argc, char *argv[])
{HANDLE hThread;DWORD wr;unsigned threadID;int param = 5;hThread = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ThreadFunc, (void *)&param, 0, &threadID);if (hThread == 0){puts("_beginthreadex() error");return -1;}if ((wr = WaitForSingleObject(hThread, INFINITE)) == WAIT_FAILED){puts("thread wait error");return -1;}printf("wait result: %s \n", (wr == WAIT_OBJECT_0) ? "signaled" : "time-out");puts("end of main");system("pause");return 0;
}unsigned WINAPI ThreadFunc(void *arg)
{int cnt = *((int *)arg);for (int i = 0; i < cnt; i++){Sleep(1000);puts("runnning thread");}return 0;
}

运行结果：

可以看出，thread1_win.c 中的问题得到解决。

第 18 章在 Linux 平台下分析了临界区问题，本章最后的内容将留给 Windows 平台下的临界区问题。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <windows.h>
#include <process.h>#define NUM_THREAD 50
unsigned WINAPI threadInc(void *arg);
unsigned WINAPI threadDes(void *arg);
long long num = 0;int main(int argc, char *argv[])
{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);elsetHandles[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, threadDes, NULL, 0, NULL);}WaitForMultipleObjects(NUM_THREAD, tHandles, TRUE, INFINITE);printf("result: %lld \n", num);system("pause");return 0;
}unsigned WINAPI threadInc(void *arg)
{int i;for (i = 0; i < 50000000; i++)num += 1;return 0;
}unsigned WINAPI threadDes(void *arg)
{int i;for (i = 0; i < 50000000; i++)num -= 1;return 0;
}

运行结果：

即使多运行几次也无法得到正确结果，而且每次结果都不同。可以利用第 20 章的同步技术得到预想的结果。

习题

（1）下列关于内核对象的说法错误的是？

a. 内核对象是操作系统保存各种资源信息的数据块。
b. 内核对象的所有者是创建该内核对象的进程。
c. 由用户进程创建并管理内核对象。
d. 无论操作系统创建和管理的资源类型是什么，内核对象的数据块结构都完全相同。

答：

b、c、d。

（2）现代操作系统大部分都在操作系统级别支持线程。根据该情况判断下列描述中错误的是？

a. 调用 main 函数的也是线程。
b. 如果进程不创建线程，则进程内不存在任何线程。
c. 多线程模型是进程内可以创建额外线程的程序类型。
d. 单一线程模型是进程内只额外创建 1 个线程的程序模型。

答：

b、d。

（3）请比较从内存中完全销毁 Windows 线程和 Linux 线程的方法。

（4）通过线程创建过程解释内核对象、线程、句柄之间的关系。

线程创建过程：

1. 用户程序通过系统调用请求创建线程。
2. 内核创建线程对象。
3. 内核将线程对象的引用封装为句柄，返回给用户程序。
4. 线程开始执行用户定义的 main 函数，代码运行在用户态。
5. 当线程函数结束且所有句柄关闭，内核销毁线程对象。

总结：

内核对象是操作系统的核心资源管理者，线程是用户程序与内核协作的执行单元，句柄是用户程序安全访问内核对象的桥梁。三者通过线程创建过程紧密协作，确保资源的隔离性、安全性和高效管理。

（5）判断下列关于内核对象描述的正误。

• 内核对象只有 signaled 和 non- signaled 这 2 种状态。（×）
• 内核对象需要转为 signaled 状态时，需要程序员亲自将内核对象的状态改为 signaled 状态。（×）
• 线程的内核对象在线程运行时处于 sigaled 状态，线程终止则进入 non-signaled 状态。（×）

（6）请解释“auto-reset模式”和manual-reset模式”的内核对象。区分二者的内核对象特征是什么？

auto-reset 模式：当事件被触发，只有一个等待线程会被唤醒，随后事件自动重置为 non-signaled 状态。如果有多个线程在等待，只有一个线程能继续执行，其余线程继续等待。

manual-reset 模式：当事件被触发，所有等待线程都会被唤醒，事件保持 signaled 状态，直到手动重置为 non- signaled 状态。

选择哪种模式取决于具体需求：是唤醒单个线程还是多个线程。