秒杀多线程第三篇 原子操作 Interlocked系列函数

本文转载自 ：http://blog.csdn.net/morewindows/article/details/7429155

上一篇《多线程第一次亲密接触 CreateThread与_beginthreadex本质区别》中讲到一个多线程报数功能。为了描述方便和代码简洁起见，我们可以只输出最后的报数结果来观察程序是否运行出错。这也非常类似于统计一个网站每天有多少用户登录，每个用户登录用一个线程模拟，线程运行时会将一个表示计数的变量递增。程序在最后输出计数的值表示有今天多少个用户登录，如果这个值不等于我们启动的线程个数，那显然说明这个程序是有问题的。整个程序代码如下：
[cpp] view
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1.      #include <stdio.h>  
2.      #include <process.h>  
3.      #include <windows.h>  
4.      volatile long g_nLoginCount; //登录次数  
5.      unsigned int __stdcall Fun(void *pPM); //线程函数  
6.      const int THREAD_NUM = 10; //启动线程数  
7.      unsigned int __stdcall ThreadFun(void *pPM)  
8.      {  
9.          Sleep(100); //some work should to do  
10.        g_nLoginCount++;  
11.        Sleep(50);   
12.        return 0;  
13.    }  
14.    int main()  
15.    {  
16.        g_nLoginCount = 0;  
17.      
18.        HANDLE  handle[THREAD_NUM];  
19.        for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)  
20.            handle[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ThreadFun, NULL, 0, NULL);  
21.          
22.        WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);   
23.        printf("有%d个用户登录后记录结果是%d\n", THREAD_NUM, g_nLoginCount);  
24.        return 0;  
25.    }  

程序中模拟的是10个用户登录，程序将输出结果：
和上一篇的线程报数程序一样，程序输出的结果好象并没什么问题。下面我们增加点用户来试试，现在模拟50个用户登录，为了便于观察结果，在程序中将50个用户登录过程重复20次，代码如下：
[cpp] view
plaincopy

1.      #include <stdio.h>  
2.      #include <windows.h>  
3.      volatile long g_nLoginCount; //登录次数  
4.      unsigned int __stdcall Fun(void *pPM); //线程函数  
5.      const DWORD THREAD_NUM = 50;//启动线程数  
6.      DWORD WINAPI ThreadFun(void *pPM)  
7.      {  
8.          Sleep(100); //some work should to do  
9.          g_nLoginCount++;  
10.        Sleep(50);  
11.        return 0;  
12.    }  
13.    int main()  
14.    {  
15.        printf("     原子操作 Interlocked系列函数的使用\n");  
16.        printf(" -- by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) --\n\n");  
17.          
18.        //重复20次以便观察多线程访问同一资源时导致的冲突  
19.        int num= 20;  
20.        while (num--)  
21.        {     
22.            g_nLoginCount = 0;  
23.            int i;  
24.            HANDLE  handle[THREAD_NUM];  
25.            for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++)  
26.                handle[i] = CreateThread(NULL, 0, ThreadFun, NULL, 0, NULL);  
27.            WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);  
28.            printf("有%d个用户登录后记录结果是%d\n", THREAD_NUM, g_nLoginCount);  
29.        }  
30.        return 0;  
31.    }  

运行结果如下图：
现在结果水落石出，明明有50个线程执行了g_nLoginCount++;操作，但结果输出是不确定的，有可能为50，但也有可能小于50。
       要解决这个问题，我们就分析下g_nLoginCount++;操作。在VC6.0编译器对g_nLoginCount++;这一语句打个断点，再按F5进入调试状态，然后按下Debug工具栏的Disassembly按钮，这样就出现了汇编代码窗口。可以发现在C/C++语言中一条简单的自增语句其实是由三条汇编代码组成的，如下图所示。
讲解下这三条汇编意思：
第一条汇编将g_nLoginCount的值从内存中读取到寄存器eax中。
第二条汇编将寄存器eax中的值与1相加，计算结果仍存入寄存器eax中。
第三条汇编将寄存器eax中的值写回内存中。
       这样由于线程执行的并发性，很可能线程A执行到第二句时，线程B开始执行，线程B将原来的值又写入寄存器eax中，这样线程A所主要计算的值就被线程B修改了。这样执行下来，结果是不可预知的——可能会出现50，可能小于50。
       因此在多线程环境中对一个变量进行读写时，我们需要有一种方法能够保证对一个值的递增操作是原子操作——即不可打断性，一个线程在执行原子操作时，其它线程必须等待它完成之后才能开始执行该原子操作。这种涉及到硬件的操作会不会很复杂了，幸运的是，Windows系统为我们提供了一些以Interlocked开头的函数来完成这一任务（下文将这些函数称为Interlocked系列函数）。
下面列出一些常用的Interlocked系列函数：
1.增减操作
LONG__cdeclInterlockedIncrement(LONG volatile* Addend);
LONG__cdeclInterlockedDecrement(LONG volatile* Addend);
返回变量执行增减操作之后的值。
LONG__cdec InterlockedExchangeAdd(LONG volatile* Addend, LONGValue);
返回运算后的值，注意！加个负数就是减。
 
2.赋值操作
LONG__cdeclInterlockedExchange(LONG volatile* Target, LONGValue);
Value就是新值，函数会返回原先的值。
 
在本例中只要使用InterlockedIncrement()函数就可以了。将线程函数代码改成：
[cpp] view
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1.      DWORD WINAPI ThreadFun(void *pPM)  
2.      {  
3.          Sleep(100);//some work should to do  
4.          //g_nLoginCount++;  
5.          InterlockedIncrement((LPLONG)&g_nLoginCount);  
6.          Sleep(50);  
7.          return 0;  
8.      }  

再次运行，可以发现结果会是唯一的。
       因此，在多线程环境下，我们对变量的自增自减这些简单的语句也要慎重思考，防止多个线程导致的数据访问出错。更多介绍，请访问MSDN上SynchronizationFunctions这一章节，地址为 http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/aa909196.aspx
 
看到这里，相信本系列首篇《秒杀多线程第一篇多线程笔试面试题汇总》中选择题第一题（百度笔试题）应该可以秒杀掉了吧（知其然也知其所以然），正确答案是D。另外给个附加问题，程序中是用50个线程模拟用户登录，有兴趣的同学可以试下用100个线程来模拟一下（上机试试绝对会有意外发现^_^）。
 
下一篇《秒杀多线程第四篇一个经典多线程同步问题》将提出一个稍为复杂点但却非常经典的多线程同步互斥问题，这个问题会采用不同的方法来解答，从而让你充分熟练多线程同步互斥的“招式”。更多精彩，欢迎继续参阅。