Delphi執行緒同步（臨界區、互斥、訊號量）
當有多個執行緒的時候，經常需要去同步這些執行緒以訪問同一個資料或資源。
例如，假設有一個程式，其中一個執行緒用於把檔案讀到記憶體，而另一個執行緒用於統計檔案的字元數。當然，在整個檔案調入記憶體之前，統計它的計數是沒有意義的。但是，由於每個操作都有自己的執行緒，作業系統會把兩個執行緒當做是互不相干的任務分別執行，這樣就可能在沒有把整個檔案裝入記憶體時統計字數。為解決此問題，你必須使兩個執行緒同步工作
存在一些執行緒同步地址的問題，Win 32 提供了許多執行緒同步的方式。這裡將會講到：臨界區、互斥、訊號量和事件
為了檢驗這些技術，首先來看一個需要執行緒同步解決的問題。假設有一個整數陣列，需要按照升序賦初值。現在要在第一遍把這個陣列賦初值為1~128，第二遍將此陣列賦初值為128~255，然後結果顯示在列表中。要用兩個執行緒來分別進行初始化。下面的程式碼給出了沒有做執行緒同步的程式碼
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unit
Main;
interface
uses
Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms,
Dialogs, StdCtrls;type
TMainForm =class(TForm)
Button1: TButton;
ListBox1: TListBox;
procedure
Button1Click(Sender: TObject);
private
procedure
ThreadsDone(Sender: TObject);
end;
TFooThread =
class(TThread)
protected
procedure
Execute; override;
end;
var
MainForm: TMainForm;
implementation
{$R *.DFM}
const
MaxSize =
128;
var
NextNumber:
Integer =
0;
DoneFlags:
Integer =
0;
GlobalArray:
array[1..MaxSize]
of Integer;
function
GetNextNumber: Integer;
begin
Result:= NextNumber;
//return global var
Inc(NextNumber);
//inc global var
end;
procedure
TFooThread.Execute;
var
i:
Integer;
begin
OnTerminate:= MainForm.ThreadsDone;
for
i:=1
to MazSize do
begin
GlobalArray[i]:= GetNextNumber;
Sleep(5);
end;
end;
procedure
TMainForm.ThreadsDone(Sender: TObject);
var
i:
Integer;
begin
Inc(DoneFlags);
if
DoneFlags = 2
then
for
i:=1
to MaxSize do
ListBox1.Items.Add(IntToStr(GlobalArray[i]));
//注意ListBox的使用，並看下面編譯執行的效果圖
end;
procedure
TMainForm.Button1Click(Sender: TObject);
begin
TFooThread.Create(False);
//建立一個新的執行緒
TFooThread.Create(Flase);
//再建立一個新的執行緒
end;
end.
|
因為兩個執行緒同時執行，同一個陣列在兩個執行緒中被初始化會出現什麼呢？你可以看下面的截圖
這個問題的解決方案是：當兩個執行緒訪問這個全域性陣列時，為防止它們同時執行，需要使用執行緒的同步。這樣，你就會得到一組合理的數值
1.臨界區
臨界區是一種最直接的執行緒同步方法。所謂臨界區，就是一次只能有一個執行緒來執行的一段程式碼。如果把初始化陣列的程式碼放在臨界區內，那麼另一個執行緒在第一個執行緒處理完之前是不會被執行的。
在使用臨界區之前，必須使用 InitializeCriticalSection()過程初始化它，其宣告如下
?| 1 |
procedure
InitializeCriticalSection(var
lpCriticalSection: TRLCriticalSection); stdcall;
|
lpCriticalSection引數是一個TRTLCriticalSection型別的記錄，並且是變參。至於TRTLCriticalSection是如何定義的，這並不重要，因為很少需要檢視這個記錄中的具體內容。只需要在lpCriticalSection中傳遞為初始化的記錄，InitializeCriticalSection()過程就會填充這個記錄
注意：Microsoft 故意隱瞞了TRTLCriticalSection 的細節。因為，其內容在不同的硬體平臺上是不同的。在基於Intel 的平臺上，TRTLCriticalSection 包含一個計數器、一個指示當前執行緒控制代碼的域和一個系統事件的控制代碼。在Alpha 平臺上，計數器被替換為一種Alpha-CPU 資料結構，稱為spinlock。
在記錄被填充之後，我們就可以開始建立臨界區了。這是我們需要使用EnterCriticalSection() 和LeaveCriticalSection() 來封裝程式碼塊。這兩個過程的宣告如下
?| 1 2 3 |
procedure
EnterCriticalSection(var
lpCriticalSection: TRTLCriticalSection); stdcall;
procedure
LeaveCriticalSection(var
lpCriticalSection: TRTLCriticalSection); stdcall;
|
正如你所想的，引數 lpCriticalSection 就是有InitializeCriticalSection() 填充的記錄
當你不需要TRTLCriticalSection 記錄時，應當呼叫 DeleteCriticalSection() 過程，下面是它的宣告
?| 1 |
procedure
DeleteCriticalSection(var
lpCriticalSection: TRTLCriticalSection); stdcall;
|
下面演示利用臨界區來同步陣列初始化執行緒的技術
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unit
Main;
interface
uses
Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms,
Dialogs, StdCtrls;
type
TMainForm =class(TForm)
Button1: TButton;
ListBox1: TListBox;
procedure
Button1Click(Sender: TObject);
private
procedure
ThreadsDone(Sender: TObject);
end;
TFooThread =
class(TThread)
protected
procedure
Execute; override;
end;
var
MainForm: TMainForm;
implementation
{$R *.DFM}
const
MaxSize =
128;
var
NextNumber:
Integer =
0;
DoneFlags:
Integer =
0;
GlobalArray:
array[1..MaxSize]
of Integer;
CS: TRTLCriticalSection;
//
function
GetNextNumber: Integer;
begin
Result:= NextNumber;
//return global var
Inc(NextNumber);
//inc global var
end;
procedure
TFooThread.Execute;
var
i:
Integer;
begin
OnTerminate:= MainForm.ThreadsDone;
EnterCriticalSection(CS);
//
for
i:=1
to MazSize do
begin
GlobalArray[i]:= GetNextNumber;
Sleep(5);
end;
LeaveCriticalSection(CS);
//
end;
procedure
TMainForm.ThreadsDone(Sender: TObject);
var
i:
Integer;
begin
Inc(DoneFlags);
if
DoneFlags = 2
then
for
i:=1
to MaxSize do
ListBox1.Items.Add(IntToStr(GlobalArray[i]));
DeleteCriticalSection(CS);
//
end;
end;
procedure
TMainForm.Button1Click(Sender: TObject);
begin
InitializeCriticalSection(CS);
//
TFooThread.Create(False);
//建立一個新的執行緒
TFooThread.Create(Flase);
//再建立一個新的執行緒
end;
end.
|
在第一個執行緒呼叫EnterCriticalSection()之後，所有別的執行緒就不能再進入程式碼塊。下一個執行緒要等到第一個執行緒呼叫LeaveCriticalSection()之後才能被喚醒，輸出結果顯示如下
2.互斥
互斥非常類似於臨界區，除了兩個關鍵的區別：
1)首先，互斥可用於跨程序的執行緒同步
2)其次，互斥能被賦予一個字串名字，並且通過引用此名字建立現有互斥物件的附加控制代碼
提示：臨界區與事件物件（比如互斥物件）的最大的區別在效能上。臨界區在沒有執行緒衝突時，要用10~15個時間片，而事件物件由於涉及到系統核心，所以要用400~600個時間片
可以呼叫函式CreatMutex() 來建立一個互斥量。下面是函式的宣告
?| 1 |
function
CreateMutex(lpMutexAttributes: PSecurityAttributes; bInitialOwner: BOOL; lpName:
PChar): THandle; stdcall;
|
lpMutexAttributes 引數為一個指向TSecurityAttributes記錄的指標。此引數通常設為nil ， 表示預設的安全屬性
bInitalOwner 引數表示建立互斥物件執行緒是否稱為互斥物件的擁有者。當此引數為False時，表示互斥物件沒有擁有者。
lpName 引數指定互斥物件的名稱。設為nil表示無命名，如果引數不設為nil，函式會搜尋是否有同名的互斥物件存在。如果有，函式就會返回同名互斥物件的控制代碼。否則，就新建立一個互斥物件並返回其控制代碼。
當使用完互斥物件時，應當呼叫CloseHandle()來關閉它。
下面演示使用互斥技術來使兩個程序對一個數組的初始化同步
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unit
Main;
interface
uses
Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms,
Dialogs, StdCtrls;
type
TMainForm =class(TForm)
Button1: TButton;
ListBox1: TListBox;
procedure
Button1Click(Sender: TObject);
private
procedure
ThreadsDone(Sender: TObject);
end;
TFooThread =
class(TThread)
protected
procedure
Execute; override;
end;
var
MainForm: TMainForm;
implementation
{$R *.DFM}
const
MaxSize =
128;
var
NextNumber:
Integer =
0;
DoneFlags:
Integer =
0;
GlobalArray:
array[1..MaxSize]
of Integer;
hMutex: THandle =
0;
//
function
GetNextNumber: Integer;
begin
Result:= NextNumber;
//return global var
Inc(NextNumber);
//inc global var
end;
procedure
TFooThread.Execute;
var
i:
Integer;
begin
FreeOnTerminate:=
True;
OnTerminate:= MainForm.ThreadsDone;
if
WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE) = WAIT_OBJECT_0
then //
begin
for
i:=1
to MazSize do
begin
GlobalArray[i]:= GetNextNumber;
Sleep(5);
end;
end;
ReleaseMutex(hMutex);
//
end;
procedure
TMainForm.ThreadsDone(Sender: TObject);
var
i:
Integer;
begin
Inc(DoneFlags);
if
DoneFlags = 2
then
for
i:=1
to MaxSize do
ListBox1.Items.Add(IntToStr(GlobalArray[i]));
CloseHandle(hMutex);
//
end;
end;
procedure
TMainForm.Button1Click(Sender: TObject);
begin
hMutex:= CreateMutex(nil,
False,
nil); //
TFooThread.Create(False);
//建立一個新的執行緒
TFooThread.Create(Flase);
//再建立一個新的執行緒
end;
end.
|
你將注意到，在程式中使用 WaitForSingleObject() 來防止其他程序進入同步區域的程式碼。此函式宣告如下
?| 1 |
function
WaitForSingleObject(hHandle: Thandle; dwMilliseconds: DWORD): DWORD; stdcall;
|
這個函式可以使當前執行緒在dwMilliseconds 指定的時間內睡眠，直到 hHandle引數指向的物件進入發訊號狀態為止。一個互斥物件不再被執行緒擁有時，它就進入發訊號狀態。當一個程序要終止時，它就進入發訊號狀態，而後立即返回。dwMilliSeconds引數設為 INFINITE，表示如果訊號不出現將一直等下去。這個函式的返回值列在下表
| 返回值 | 含義 |
| WAIT_ABANDONED | 指定的物件時互斥物件，並且擁有這個互斥物件的執行緒在沒有釋放此物件之前就已經終止。此時就稱互斥物件被拋棄。這種情況下，這個互斥物件歸當前執行緒所有，並把它設為非發訊號狀態 |
| WAIT_OBJECT_0 | 指定的物件處於發訊號狀態 |
| WAIT_TIMEOUT | 等待的事件已過，物件仍然是非發訊號狀態 |
再次宣告，當一個互斥物件不再被一個執行緒所擁有，它就處於發訊號狀態，此時首先呼叫WaitForSignalObject() 函式的執行緒就稱為該互斥物件的擁有者，此互斥物件設為不發訊號狀態。當執行緒呼叫ReleaseMutex() 函式並傳遞一個互斥物件的控制代碼作為引數時，這種擁有關係就被解除，互斥物件重新進入發訊號狀態
注意 除WaitForSingleObject() 函式外，你還可以使用 WaitForMultipleObject() 和MsgWaitForMultipleObject() 函式，它們可以等待幾個物件變為發訊號狀態。這兩個函式的詳細情況請看Win32 API聯機文件
3.訊號量
另外一種使執行緒同步的技術是使用訊號量物件。它是在互斥的基礎上建立的，但是訊號量增加了資源計數的功能，預定數目的執行緒允許同時進入要同步的程式碼。可以用 CreateSemaphore() 來建立一個訊號量物件，其宣告如下
?| 1 |
function
CreateSemaphore(lpSemaphoreAttributes: PSecurityAttributes; lInitialCount, lMaxiMumCount:
LongInt; lpName:
PChar): THandle; stdcall;
|
和CreateMutex() 函式一樣，CreateSemaphore() 的第一個引數也是一個指向 TSecurityAttributes 記錄的指標，此引數的預設值可以設為 nil。
lInitialCount 引數用來指定一個訊號量的初始計數值，這個值必須在 0 和 lMaximumCount 之間。此引數大於 0，就表示訊號量處於發訊號狀態。當呼叫 WaitForSingleObject() 函式(或其他函式)時，此計數值就減1。當呼叫 ReleaseSemaphore() 時，此計數值加1。
引數 lMaximumCount 指定計數值的最大值。如果這個訊號量代表某種資源，那麼這個值代表可用資源總數
引數 lpName 用於給出訊號量物件的名稱，它類似於 CreateMutex() 函式的 lpName 引數。
下面是使用訊號量技術來同步初始化陣列的程式碼
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unit
Main;
interface
uses
Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms,
Dialogs, StdCtrls;
type
TMainForm =class(TForm)
Button1: TButton;
ListBox1: TListBox;
procedure
Button1Click(Sender: TObject);
private
procedure
ThreadsDone(Sender: TObject);
end;
TFooThread =
class(TThread)
protected
procedure
Execute; override;
end;
var
MainForm: TMainForm;
implementation
{$R *.DFM}
const
MaxSize =
128;
var
NextNumber:
Integer =
0;
DoneFlags:
Integer =
0;
GlobalArray:
array[1..MaxSize]
of Integer;
hSem: THandle =
0;
//
function
GetNextNumber: Integer;
begin
Result:= NextNumber;
//return global var
Inc(NextNumber);
//inc global var
end;
procedure
TFooThread.Execute;
var
i:
Integer;
WaitReturn: DWORD;
begin
OnTerminate:= MainForm.ThreadsDone;
WaitReturn:= WaitForSingleObject(hSem, INFINITE);
//
if
WaitReturn = WAIT_OBJECT_0 then
//
begin
for
i:=1
to MazSize do
begin
GlobalArray[i]:= GetNextNumber;
Sleep(5);
end;
end
|