秒殺多執行緒第三篇 原子操作 Interlocked系列函式
上一篇《多執行緒第一次親密接觸 CreateThread與_beginthreadex本質區別》中講到一個多執行緒報數功能。為了描述方便和程式碼簡潔起見,我們可以只輸出最後的報數結果來觀察程式是否執行出錯。這也非常類似於統計一個網站每天有多少使用者登入,每個使用者登入用一個執行緒模擬,執行緒執行時會將一個表示計數的變數遞增。程式在最後輸出計數的值表示有今天多少個使用者登入,如果這個值不等於我們啟動的執行緒個數,那顯然說明這個程式是有問題的。整個程式程式碼如下:
- #include <stdio.h>
- #include <process.h>
- #include <windows.h>
- volatile long g_nLoginCount; //登入次數
- unsigned int __stdcall Fun(void *pPM); //執行緒函式
- const int THREAD_NUM = 10; //啟動執行緒數
- unsigned int __stdcall ThreadFun(void *pPM)
- {
- Sleep(100); //some work should to do
- g_nLoginCount++;
- Sleep(50);
- return 0;
- }
- int main()
- {
- g_nLoginCount = 0;
- HANDLE handle[THREAD_NUM];
- for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
- handle[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ThreadFun, NULL, 0, NULL);
- WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);
- printf("有%d個使用者登入後記錄結果是%d\n", THREAD_NUM, g_nLoginCount);
- return 0;
- }
程式中模擬的是10個使用者登入,程式將輸出結果:
和上一篇的執行緒報數程式一樣,程式輸出的結果好象並沒什麼問題。下面我們增加點使用者來試試,現在模擬50個使用者登入,為了便於觀察結果,在程式中將50個使用者登入過程重複20次,程式碼如下:
- #include <stdio.h>
- #include <windows.h>
- volatile long g_nLoginCount; //登入次數
- unsigned int __stdcall Fun(void *pPM); //執行緒函式
- const DWORD THREAD_NUM = 50;//啟動執行緒數
- DWORD WINAPI ThreadFun(void *pPM)
- {
- Sleep(100); //some work should to do
- g_nLoginCount++;
- Sleep(50);
- return 0;
- }
- int main()
- {
- printf(" 原子操作 Interlocked系列函式的使用\n");
- printf(" -- by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) --\n\n");
- //重複20次以便觀察多執行緒訪問同一資源時導致的衝突
- int num= 20;
- while (num--)
- {
- g_nLoginCount = 0;
- int i;
- HANDLE handle[THREAD_NUM];
- for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
- handle[i] = CreateThread(NULL, 0, ThreadFun, NULL, 0, NULL);
- WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);
- printf("有%d個使用者登入後記錄結果是%d\n", THREAD_NUM, g_nLoginCount);
- }
- return 0;
- }
執行結果如下圖:
現在結果水落石出,明明有50個執行緒執行了g_nLoginCount++;操作,但結果輸出是不確定的,有可能為50,但也有可能小於50。
要解決這個問題,我們就分析下g_nLoginCount++;操作。在VC6.0編譯器對g_nLoginCount++;這一語句打個斷點,再按F5進入除錯狀態,然後按下Debug工具欄的Disassembly按鈕,這樣就出現了彙編程式碼視窗。可以發現在C/C++語言中一條簡單的自增語句其實是由三條彙編程式碼組成的,如下圖所示。
講解下這三條彙編意思:
第一條彙編將g_nLoginCount的值從記憶體中讀取到暫存器eax中。
第二條彙編將暫存器eax中的值與1相加,計算結果仍存入暫存器eax中。
第三條彙編將暫存器eax中的值寫回記憶體中。
這樣由於執行緒執行的併發性,很可能執行緒A執行到第二句時,執行緒B開始執行,執行緒B將原來的值又寫入暫存器eax中,這樣執行緒A所主要計算的值就被執行緒B修改了。這樣執行下來,結果是不可預知的——可能會出現50,可能小於50。
因此在多執行緒環境中對一個變數進行讀寫時,我們需要有一種方法能夠保證對一個值的遞增操作是原子操作——即不可打斷性,一個執行緒在執行原子操作時,其它執行緒必須等待它完成之後才能開始執行該原子操作。這種涉及到硬體的操作會不會很複雜了,幸運的是,Windows系統為我們提供了一些以Interlocked開頭的函式來完成這一任務(下文將這些函式稱為Interlocked系列函式)。
下面列出一些常用的Interlocked系列函式:
1.增減操作
LONG__cdeclInterlockedIncrement(LONG volatile* Addend);
LONG__cdeclInterlockedDecrement(LONG volatile* Addend);
返回變數執行增減操作之後的值。
LONG__cdec InterlockedExchangeAdd(LONG volatile* Addend, LONGValue);
返回運算後的值,注意!加個負數就是減。
2.賦值操作
LONG__cdeclInterlockedExchange(LONG volatile* Target, LONGValue);
Value就是新值,函式會返回原先的值。
在本例中只要使用InterlockedIncrement()函式就可以了。將執行緒函式程式碼改成:
- DWORD WINAPI ThreadFun(void *pPM)
- {
- Sleep(100);//some work should to do
- //g_nLoginCount++;
- InterlockedIncrement((LPLONG)&g_nLoginCount);
- Sleep(50);
- return 0;
- }
再次執行,可以發現結果會是唯一的。
因此,在多執行緒環境下,我們對變數的自增自減這些簡單的語句也要慎重思考,防止多個執行緒導致的資料訪問出錯。更多介紹,請訪問MSDN上Synchronization Functions這一章節,地址為
看到這裡,相信本系列首篇《秒殺多執行緒第一篇 多執行緒筆試面試題彙總》中選擇題第一題(百度筆試題)應該可以秒殺掉了吧(知其然也知其所以然),正確答案是D。另外給個附加問題,程式中是用50個執行緒模擬使用者登入,有興趣的同學可以試下用100個執行緒來模擬一下(上機試試絕對會有意外發現^_^)。
下一篇《秒殺多執行緒第四篇 一個經典多執行緒同步問題》將提出一個稍為複雜點但卻非常經典的多執行緒同步互斥問題,這個問題會採用不同的方法來解答,從而讓你充分熟練多執行緒同步互斥的“招式”。更多精彩,歡迎繼續參閱。
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