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东海 的 引用 理解多线程
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一意孤行 的 理解多线程
0. 前言
多线程是多任务操作系统下一个重要的组成部分，它能够提高应用程序的效率，然而，我们想利用好多线程，必须要了解很多的东西，比如操作系统的原理，堆栈概念和使用方法。然而，使用不当，将会造成无尽的痛苦。曾经刚刚接触的时候，我也为之恐惧，迷惑了好久。在无数次的失败和查找资料解决问题之后，稍有感触，故写下此文，总结一下自己，同时，也给后学者一点启示，希望让他们少走弯路。
1. 基础知识。
线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤消另一个线程，同一进程中的多个线程之间可以并发执行。由于线程之间的相互制约，致使线程在运行中呈现出间断性。线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态。
线程的生死。在windows中，我们可以通过调用API CreateThread/CreateRemoteThread创建一个线程（其实，在Windows内部，CreateThread最终是调用了CreateRemoteThread创建线程）。当线程函数执行退出时，可以说这个线程已经完成了它的使命。调用ExitThread可以结束一个线程，同时调用CloseHandle来释放Windows分配给它的句柄资源。GetExitCodeThread可以用来检测线程是否已经退出。
HANDLE CreateThread(
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, // SD，线程的属性
DWORD dwStackSize, // initial stack size，线程堆栈的大小
LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, // thread function，线程函数
LPVOID lpParameter, // thread argument，参数
DWORD dwCreationFlags, // creation option，创建时的标志
LPDWORD lpThreadId // thread identifier，线程的ID
);
线程的控制。线程的有三种状态：就绪，阻塞，运行。当我们在CreateThread的时候，第5个参数为CREATE_SUSPENDED标志时，线程创建后就处于挂起，即阻塞状态，否则，线程就会调用线程函数立即执行。ResumeThread可以让线程阻塞的线程继续运行，SuspendThread可以让线程挂起。（具体用法参考MSDN）
2. 线程同步
不同线程间公用同一个资源的时候，就需要进行线程同步。
为何要同步？要回答好这个问题我们要从栈说起。这里说的栈，和数据结构中的堆栈是不一样的。（穿插一个小的知识： 堆和栈的区别。以前看过一个帖子，里面有个很精辟的回复，说明了堆和栈的区别：“堆就像自己在家里做饭，想做什么就做什么，但是，最后的锅碗等还需要自己去收拾；而栈就像是去餐馆吃饭，只要你点好菜，餐馆就给你提供，吃完之后锅碗什么的都不需要自己管。”，这说明堆和栈的区别以及如何使用它们：堆，可以自己完全控制，用完之后需要自己清理，处理不好就会造成内存泄漏；栈，由操作系统分配，不需要进行管理，不用担心内存泄漏）。简单的说，栈就是一块内存区域，它是从大到小增长的，它遵循后进先出的原则(FILO，First In Last Out)。通常，CPU的EBP和ESP是用作栈的，EBP是栈的基地址，ESP是当前栈顶的位置（栈顶永远是小于等于栈底的）。栈的主要作用就是保存现场，函数参数传递。对于栈的操作汇编中有两条指令：PUSH和POP，分别用于数据入栈和出栈。这两条指令可以影响ESP的值，当然你也可以直接使用SUB ESP XXX、ADD ESP XXX这种方式来更改栈顶的位置。我们来看看函数的调用过程（这里不考虑调用惯例，仅仅是个示意）：
PUSH EBP // 将当前栈底的位置压入栈
SUB ESP, XXXX // 为函数开辟栈，XXXX为栈的大小
PUSH 参数 // 参数入栈
CALL SomeAddress // 调用函数
ADD ESP, XXXX // 释放为函数开辟的栈（这里就解释了为什么我们不需要去管在栈上分配的内存）
POP EBP // 恢复EBP的位置
每个线程有自己的栈，在CreateThread的时候，第二个参数就是用来指定线程的栈的大小，传入0时，系统会自动分配栈的大小。现在看多线程使用共享资源（可以是公共变量，也可以是公共代码等）时的情况。如图，A和B共享一个资源S，A首先获取到了资源S，得到S的状态S1，线程A开始运行，当A运行了一段时间后，A的线程时间片用完，于是A被操作系统挂起，在挂起的时候系统会将A的运行状态记录到A的堆栈中，以便下次唤醒A是能正常运行。这是共享资源S的状态S1也被保存到了A的堆栈中。接下来，线程B获得了运行权利，开始运行，它也得到了S的状态S2，B开始运行，并且改变了S的状态，假设改变成S3。B运行结束后。A重新被唤醒了，A从栈中取出S的状态S1继续运行，而这时，S的实际状态已经变成S3，而A并不知道，于是，A运行的结果就错误了。也许有些混乱，我们举个更简单的例子：线程A和B共用一个公共变量S（假设为int，初始值为1）。我们再来看这个过程：
A开始运行获取S值1，A运行 -> A被挂起 -> 此时线程A中S的值1被保存到A的栈中 –> B 开始运行，并且修改S的数值为100 –> A被唤醒 –> A获取S的值1 -> A 将运行的结果保存到S。
我们看这个过程中，S的值混乱了。所以，我们必须对共享资源进行保护。
在进行了线程同步时，当A获取到S后，其它任何线程将不能获取和修改S，这样就保证S不再混乱。
总结一下，线程实现了进程并发运行的效果，线程同步是为了解决线程并发的“冲突”问题（共享资源读写）。
（小知识：调用栈在程序调试中有重要的作用，当程序发生异常时，我们可以调出它来追查原因。VC中按下Alt + 7可以调出调用栈窗口，Delphi中按下Ctrl + Alt + S可以调出调用栈）
如何同步？在Windows系统中，我们可以使用互斥量，信号量，事件，重要区段等方式进行线程同步。重要区段仅仅可以用于同一个进程中的不同线程之间的同步，它运行与用户态，其效率是最高的。其余的运行与内核态，可以用于不同进程间（需要在用户态和内核态进行切换）。信号量可以允许多个线程同时访问同一资源，互斥量是信号量的一种特殊情况。具体的用法可以参考MSDN的帮助。写个简单使用重要区段的一个例子：
// 初始化
InitializeCriticalSection(FLock); // 初始化重要区段
// 使用方法
EnterCriticalSection(FLock); // 进入保护区
//.. 需要保护的数据
LeaveCriticalSection(FLock); // 释放
// 释放资源
DeleteCriticalSection(FLock); // 删除重要区段
另外，消息也可以作为同步的一种手段。也许你会说，消息必须要有UI，也就是说必须要有窗体才可以，其实不然，使用PostThreadMessage，然后利用SetWindowsHookEx来Hook线程的消息，处理我们发送的消息（这种方式是我在做注入后对注入进行控制时想到的方法），如下：
发送方： ::PostThreadMessage(hThread, WM_XXX, wPar, lPar);
接收方：
::SetWindowsHookEx(WH_GETMESSAGE, GetMsgProc, hInstance, dwThreadID);
GetMsgProc(int code, WPARAM wParam, LPARAM lParam);
{
if (PMSG (lParam)^.message == WM_XXX)
{
// Process
}
return ::CallNextHookEx(…);
}
这种方法的好处就是我们可以发送两个参数给目标。
3. 线程中常见的问题。
1) 回调函数引起的死锁。
A回调线程B中的函数，而在线程B中，再去对线程A进行操作（比如删除A）。
发生的现象：程序死掉。
2) 使用同一资源未加保护引起问题。
A和B同时去对窗体上进行绘图操作，界面可能花掉，也可能黑掉。
出现的现象：界面不再刷新，变成黑色。（最好不要在子线程中去更新界面UI，可以使用消息来更新）
3) 线程锁使用不当造成死锁。
线程A利用线程锁锁住资源A后，再去试图访问资源B，线程B利用线程锁锁住资源B后试图去访问资源A。这样就发生了线程互锁。
程序结果：线程死掉。
4) 未加线程保护产生异常。
线程A获取到了对象X（步骤1）的引用后被挂起（步骤2），而接下来线程B却删除了X（步骤3），线程A再次唤醒后访问对象X出错（步骤4）。这个问题是多线程中最容易被忽略的地方，也是异常最可能发生的情况。
程序结果：线程异常。
5) 消息在线程同步中的问题。
先说说消息的一些基本问题（有关消息的处理部分在Windows 2000源码private\ntos\w32\ntuser\kernel\input.c文件中）：
消息队列的建立：线程在刚建立的时候，是没有消息队列的。当有界面UI操作函数被调用的时候（比如CreateWindow），Windows就会为该程序建立一个消息队列，同样，通过调用PeekMessage/GetMessage可以强制操作系统为线程建立一个消息队列（参看MSDN关于PostThreadMessage的说明）。
消息的正常处理流程：线程通过GetMessage/PostMessage获取消息，然后通过TranslateMessage进行字符转换，接下来，通过User32.dll模块的帮助最后调用到相应窗口的窗口过程（RegisterClass时传入的窗口过程）。
消息重入问题：所谓的消息重入，就是在消息处理过程中再调用SendMessage发送消息给目标窗口。如果控制不好，就会引发异常。一个简单的例子：在WM_PAINT中再去SendMessage(hWin, WM_PAINT, 0, 0)。其结果就是堆栈溢出异常了（stack overflow）。(相当于WndProc在进行无限递归)，Delphi代码如下（可以自己感受一下“Stack Overflow”是怎么一回事，等异常后调出CallStack看看^_^）：
procedure OnPaint(var tMsg: TMessage); message WM_PAINT; // Interface
// Implementation
procedure TForm1.OnPaint(var tMsg: TMessage);
begin
SendMessage(Self.Handle, WM_PAINT, 0, 0);
end;
SendMessage & PostMessage: SendMessage发送一个消息给窗口，同时，操作系统会去直接调用窗口的窗口过程而不经过线程的消息队列。而PostMessage则仅仅是将消息投递到消息队列，应用程序通过GetMessage/PeekMessage获取消息处理后再交给系统分发消息。
消息在多线程中的问题：
分析一个具体过程说明在多线程中因消息而引起的问题：
线程A（主线程）通过GetMessage->DispatchMessage，接下来通过User32模块的帮助调用WndProc进行消息处理的过程对RichEdit中插入一张图片。其步骤如下：
1. 在RichEdit中定位要插入的位置（X, Y）。RichEdit->SetSel(X, Y)
2. 创建OLE对象。
3. 获取ClientSite接口插入对象。
线程B通过SendMessage调用WndProc要求在RichEdit的末尾添加一段文字。其步骤如下：
1. 定位到RichEdit末尾。RichEdit->SetSel(-1, -1);
2. 调用RichEdit->ReplaceSel(sText)插入文本。
假如线程A在步骤1刚运行完毕后，其运行时间片结束，线程被挂起，当前的状态被保存到线程A的堆栈中。线程B开始运行，线程B插入文本完成返回，线程A重新被唤醒，开始执行步骤2，3， 而这时，线程B已经改变了当前的插入位置，线程A并不知道，于是，就会出现插入的图片错位现象。
归根结底，是线程的同步问题。
结论：尽量用PostMessage而不是SendMessage。
6) 异常引起的问题。
看这段代码：
CCriticalSection m_cLock;
m_cLock.Lock;
// Do something
m_cLock.Unlock();
初看是没有什么问题，但是，如果我们在DoSomeThing的时候产生了异常，那么UnLock代码将不会被执行，于是，线程锁将一直处与加锁状态，其他线程将无法访问。
m_cLock.Lock;
try
{
// Do something
m_cLock.Unlock();
}
catch(…)
{
m_cLock.Unlock();
}
在Delphi中处理这种情况很简单：
m_cLock.Lock;
try
// Do something
finally
m_cLock.Unlock;
end;
以上是我在多线程中所遇到的一些问题的总结，希望能对大家有用。
4、线程效率
虽然线程能够提高我们的程序的效率，然而，如果使用不当，反而会降低程序效率。特别是在线程同步的过程中，对于公共资源的读写保护部分。
看下面的例子（假设这是一个网络多线程下载程序，一个线程负责将下载的内容保存到文件，另外几个线程负责将数据加到队列中，下面写出保存线程的示例）：
typedef struct
{
char m_pBuf[1024]; // … Data
}TNode, *PNode;
private:
CPtrList m_plTmpList;
CCriticalSection m_cLock;
POSITION posTmp;
PNode pItem = NULL;
m_cLock.Lock();
try
{
posTmp = m_plTmpList.GetTailPosition();
while(posTmp)
{
posPrev = posTmp;
pItem = (PNode)m_plTmpList.GetPrev(posTmp);
// 对于pItem进行处理，保存到磁盘
m_plTmp.RemoveAt(posPrev);
delete pItem;
}
m_cLock.Unlock();
}
catch(…)
{
m_cLock.Unlock();
}
通常情况下，我们会使用这种方式来遍历整个列表，然而，如果我们对于pItem的处理需要很长时间，比如我们要将pItem中的数据存放到硬盘上，那么这个过程将会非常耗时。其它线程将无法访问该列表。那么如何才能提高效率呢？我们可以使用两个队列，一个队列设置为下载队列，另外一个是当前保存队列。当保存队列中的所有内容全部保存到磁盘后，我们将下载队列和保存队列进行交换，即下载队列变成保存队列，保存队列变成下载队列。
总之，在线程同步操作中，提高线程效率最重要的就是减少线程公共资源操作的时间，或者是采用其它方法避免同步。
5、后记（题外话）
当我们习惯于Windows下的RAD开发工具的时候，我们往往忽略了对于整个RDA环境的封装以及系统底层的探究，隐藏在操作系统内部的东西或机制往往被我们忽略。RAD工具大大提高了开发效率，然后它也助长了我们的惰性。很多人在抱怨大学里学习的东西都没有用，然而，现在看来，当初的很多东西都是很有用的，比如操作系统原理，数据结构和算法。我不是计算机的专业出身，我很庆幸当初自己对哪些东西略微了解了一些，以至于我现在理解起来一些东西不再那么困难。
理解Windows的运行原理，Windows的主要模块作用，对于软件开发有很大的帮助。很长一段时间里，我被Windows的华丽外衣所迷惑，整天还沉浸在DOS下的单任务环境，迷失在Windows下的软件开发中。幸好，现在终于走出了这片森林，看到了森林的一角。可以欣慰的说一声：我终于找到进入软件开发的大门了。
软件开发，是人和机器的交互过程。我们想让机器更好的为我们工作，我们就需要对机器有较多的认识，同时也要对我们所处的开发环境有较多的了解。
软件开发，不仅仅是一门技术，更是一门艺术。然后，在现在，能把它当成一门艺术来看待的人已经不多了…
James.Zhai 2009-03-19 @ NetMarch
