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竞态条件

CriticalSection

Mutex

CriticalSection & Mutex

Semaphore

Event

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竞态条件

• 多线程环境下，当多个线程同时访问或者修改同一个数据时，最终结果为线程执行的时许。

• 如果没有同步机制，会发生竞态条件，可能导致数据不准确，或者程序发生异常等。

#include <iostream>
#include <windows.h>DWORD g_Num = 0;DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
{for (size_t i = 0; i < 10000000; i++){//g_Num++;__asm LOCK INC [g_Num] }return 0;
}int main()
{HANDLE hThread[2] = { 0 };hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, -1);std::cout << g_Num << std::endl;return 0;
}

CriticalSection

#include <iostream>
#include <windows.h>DWORD g_Num = 0;
CRITICAL_SECTION cs = { 0 };DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
{for (size_t i = 0; i < 1000000; i++){// 进入临界区EnterCriticalSection(&cs);// TODOg_Num++;// 退出临界区LeaveCriticalSection(&cs);}return 0;
}int main()
{HANDLE hThread[2] = { 0 };// 初始临界区InitializeCriticalSection(&cs);hThread[0] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);hThread[1] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);WaitForMultipleObjects(2, hThread, TRUE, -1);std::cout << g_Num << std::endl;// 清理临界区DeleteCriticalSection(&cs);return 0;
}

Mutex

• 互斥体(Mutex)，用于防止多个线程同时访问或修改共享资源。

• 同一时刻下只有一个线程可以拥有互斥体的所有权，如果一个线程拥有了互斥体的所有权，则其他请求该互斥体的线程将会被阻塞，直到互斥体权限释放。

• 创建互斥体 - CreateMutex

• 请求互斥体 - WaitForSingleObject

• 释放互斥体 - ReleaseMutex

#include <iostream>
#include <windows.h>HANDLE hMutex = 0;
DWORD g_Num = 0;DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
{for (size_t i = 0; i < 100000; i++){WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);g_Num++;ReleaseMutex(hMutex);}return 0;
}int main()
{hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL); HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);WaitForSingleObject(hThread1, INFINITE);WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);CloseHandle(hThread1);CloseHandle(hThread2);CloseHandle(hMutex);std::cout << g_Num << std::endl;return 0;
}

CriticalSection & Mutex

• 临界区

  • 共享资源的线程同步机制，临界区在同一进程的线程之间提供了互斥访问。

  • 每个线程在访问共享资源之前必须先能够进入临界区，在访问结束后离开临界区，完成线程同步。

• 互斥体

  • 线程同步机制，用来限制多个线程同时访问共享资源。

  • 互斥体可以同步进程或者线程，且可以跨进程同步。

  • #include <iostream>
    #include <Windows.h>int main()
    {HANDLE hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, L"0xCC_Mutex");if (hMutex == NULL) return 0;if (GetLastError() == ERROR_ALREADY_EXISTS){MessageBox(NULL, L"禁止多开", L"错误", MB_OKCANCEL);return 0;}std::cout << "Game Start..." << std::endl;system("pause");CloseHandle(hMutex);return 0;
    }

• 性能

  • 临界区在同一进程的线程中比互斥体更快。

• 功能

  • 互斥体可以跨进程同步，但临界区只能够在同一个进程下的线程之间进行同步。

• 所有权

  • 互斥体有严格的所有权要求，只有拥有互斥体权限的线程才能够释放它。

• 死锁
  • 当线程在持有锁的情况下意外死亡(异常)
  • 如果线程在持有临界区锁的情况下意外终结，这个锁不会被释放，导致其他等待该临界区的线程无法正常执行，造成死锁。

  • #include <iostream>
    #include <Windows.h>CRITICAL_SECTION CriticalSection = { 0 };DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
    {EnterCriticalSection(&CriticalSection);printf("TID -> %d \r\n", GetCurrentThreadId());Sleep(5000);LeaveCriticalSection(&CriticalSection);return 0;
    }int main()
    {InitializeCriticalSection(&CriticalSection);HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);Sleep(1000);TerminateThread(hThread1, 1);HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, NULL, 0, NULL);WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);DeleteCriticalSection(&CriticalSection);return 0;
    }

  • 如果线程在持有互斥体锁的情况下意外终结，Windows会自动释放其所有权，使得其他线程可以继续正常执行。

  • #include <iostream>
    #include <Windows.h>HANDLE hMutex = NULL;DWORD WINAPI WorkThread1(LPVOID lp)
    {WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);printf("TID -> %d \r\n", GetCurrentThreadId());Sleep(5000);TerminateThread(GetCurrentThread(), -1);//todoreturn 0;
    }DWORD WINAPI WorkThread2(LPVOID lp)
    {printf("Wait For Thread1 Leave\r\n");WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);printf("TID -> %d \r\n", GetCurrentThreadId());ReleaseMutex(hMutex);return 0;
    }int main()
    {hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread1, NULL, 0, NULL);Sleep(1000);HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, WorkThread2, NULL, 0, NULL);WaitForSingleObject(hThread2, INFINITE);CloseHandle(hMutex);CloseHandle(hThread1);CloseHandle(hThread2);return 0;
    }

Semaphore

• 信号量是一种同步对象，用于控制多个线程对共享资源的访问。它是一个计数器，用来表示可用资源的数量。当信号量的值大于0，它表示有资源可用；当值为0，表示没有可用资源。

  • 等待：试图减少信号量的值。如果信号量的值大于0，减1并继续执行。如果信号量的值为0，则线程阻塞，直到信号量的值变为大于0。

  • 释放：增加信号量的值。如果有其他线程因等待这个信号量而阻塞，它们中的一个将被唤醒。

• 创建信号量

  • 在 Windows 系统中，使用 CreateSemaphore 或 CreateSemaphoreEx 函数创建信号量。

• 等待（Wait）和释放（Release）信号量

  • 等待信号量通常使用 WaitForSingleObject 或 WaitForMultipleObjects 函数。

  • 释放信号量使用 ReleaseSemaphore 函数。

#include <iostream>
#include <Windows.h>#define MAX_COUNT_SEMAPHORE 3HANDLE g_SemapHore = NULL;
HANDLE g_hThreadArr[10] = { 0 };DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
{WaitForSingleObject(g_SemapHore, INFINITE);for (size_t i = 0; i < 10; i++){std::cout << "COUNT -> " << (int)lp << std::endl;Sleep(500);}ReleaseSemaphore(g_SemapHore, 1, NULL);return 0;
}int main()
{g_SemapHore = CreateSemaphore(NULL,						//安全属性MAX_COUNT_SEMAPHORE,		//初始计数MAX_COUNT_SEMAPHORE,		//最大计数NULL						//信号名称);if (g_SemapHore == NULL){std::cout << GetLastError() << std::endl;return 1;}for (size_t i = 0; i < 10; i++){g_hThreadArr[i] = CreateThread(NULL,0,WorkThread,(LPVOID)i,0,NULL);}WaitForMultipleObjects(10, g_hThreadArr, TRUE, INFINITE);//closehandlereturn 0;
}

Event

• 在Windows编程中，事件是一种同步机制，用于在多个线程之间发送信号。事件对象可以是手动重置或自动重置。

  • 手动重置事件（Manual Reset Event）：当事件被设置（signaled）后，它将保持这个状态直到显式地被重置。这意味着多个等待该事件的线程都可以在事件被重置之前被唤醒。

  • 自动重置事件（Auto Reset Event）：当事件被一个等待的线程接收（signaled）后，系统会自动将事件状态重置为非信号状态（non-signaled）。这意味着每次只允许一个线程被唤醒。

• 创建事件

  • 使用Windows API函数CreateEvent可以创建一个事件对象

  • lpEventAttributes：指向安全属性的指针，如果设置为NULL，则使用默认安全性。

  • bManualReset：如果为TRUE，则创建一个手动重置事件，否则创建自动重置事件。

  • bInitialState：如果为TRUE，则初始状态为信号状态；如果为FALSE，则为非信号状态。

  • lpName：事件的名称。

• 设置事件（将事件状态设置为信号状态）使用SetEvent函数

• 重置事件（将事件状态设置为非信号状态）使用ResetEvent函数

• 等待事件 等待一个事件对象变为信号状态使用WaitForSingleObject函数

#include <iostream>
#include <Windows.h>DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lp)
{HANDLE hEvent = *(HANDLE*)lp;std::cout << "Thread - " << GetCurrentThreadId() << " Waiting For Event" << std::endl;WaitForSingleObject(hEvent, INFINITE);std::cout << "Thread - " << GetCurrentThreadId() << " actived" << std::endl;return 0;
}int main()
{HANDLE hThreads[3] = { 0 };HANDLE hEvent = NULL;hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);if (hEvent == NULL) return 0;for (size_t i = 0; i < 3; i++){hThreads[i] = CreateThread(NULL, 0, WorkThread, &hEvent, 0, NULL);}Sleep(2000);SetEvent(hEvent);WaitForMultipleObjects(3, hThreads, TRUE, INFINITE);CloseHandle(hEvent);return 0;
}