第八章 用户模式下的线程同步

8.1 原子访问：Interlocked系列函数

原子访问： 一个线程在访问某个资源的同时能够保证没有其他线程会在同一时刻访问同一资源。
InterlockedExchanAdd 和InterlockedExchangeAdd64

LONG InterlockedExchangeAdd(
  PLONG volatile plAddend,
  LONG lIncrement);
LONGLONG InterlockedExchangeAdd64(
  PLONGLONG volatile pllAddend,
  LONG llIncrement); // 该函数针对LONGLONG类型的

【注意】使用这些函数的时候需要保证传给这些函数的变量地址是对其的，否则这些函数可能会失败。

C运行库提供了一个_aligned_malloc函数，可以用这个函数来分配一块对其的内存。

void* _aligned_malloc(size_t size, size_t alignment); 
// alignment表示要对齐到的字节边界。

下面为其他的Interlocked函数：

LONG InterlockedExchange(
  PLONG volatile plTarget,
  LONG lValue);
LONGLONG InterlockedExchange64(
  PLONGLONG volatile plTarget,
  LONG lValue); // 该函数针对LONGLONG类型的
PVOID InterlockedExchangePointer(
  PVOID* volatile ppvTarget,
  PVOID pvValue);
PLONG InterlockedCompareExchanged(
  PLONG plDestination,
  LONG lExchange,
  LONG lComparand);
PLONG InterlockedCompareExchangedPointer(
  PVOID* ppvDestination,
  PVOID pvExchange,
  PVOID pvCompared);

InterlockedExchange和InterlockedExchangePointer会把第一个参数指向的内存地址的当前值，以原子方式替换为第二个参数指定的值。
如果线程只需要读取一个值的内容，而这个值始终是通过Interlocked函数此前该的，那么读到的值不会有问题。
当多个进程需要对访问一个共享内存段（比如内存映射文件） 中的值进行同步时， 也可以使用Interlocked函数。

函数	描述
InitializeSListHead	创建一个空栈
InterlockedPushEntrySList	在栈顶添加一个元素
InterlockedPopEntrySList	一处位于栈顶的元素并将它返回
InterlockedFlushSList	清空栈
QueryDepthSList	返回栈中元素的数量

表8-1 Interlocked单向链表函数

函数	描述
InitializeSListHead	创建一个空栈
InterlockedPushEntrySList	在栈顶添加一个元素
InterlockedPopEntrySList	一处位于栈顶的元素并将它返回
InterlockedFlushSList	清空栈
QueryDepthSList	返回栈中元素的数量

8.2 高速缓存行

当CPU从内存行中读取一个字节的时候，是取回一个高速缓存行。
既不应该使用旋转锁，也不应该进行轮循，而应该调用函数吧线程切换为等待状态，知道线程想要访问的资源可供使用为止。
volatile限定符告诉编译器不要对这个变量进行任何形式的优化，而是始终从变量在内存中的位置读取变量的值。
给一个结构加volatile限定符等于给结构中所有的成员加volatile限定符，这样可以确保任何一个成员始终都是从内存中读取的。

8.4 关键段

关键段是一小段代码，它在执行之前需要独占对一些共享资源的访问权。

const int COUNT = 10;
int g_nSum = 0;
CRITICAL_SECTION g_cs;
DWORD WINAPI FirstThread(PVOID pvParam)
{
    EnterCriticalSection(&g_cs); //传入的是g_cs的地址
    g_nSum = 0;
    for(int n = 1; n <= COUNT; n++)
      g_nSum += n;
  LeaveCriticalSection(&g_cs);
  return g_nSum;
}
DWORD WINAPI SecondThread(PVOID pvParam)
{
    EnterCriticalSection(&g_cs);
    g_nSum = 0;
    for(int n = 1; n <= COUNT; n++)
      g_nSum += n;
  LeaveCriticalSection(&g_cs);
  return g_nSum;
}

当有一个资源让多个线程访问的时候，应该创建一个CRITICAL_SECTION结构。
【注意】在调用EnterCriticalSection和LeaveCriticalSection的时候，传入的是CRITICAL_SECTION结构的地址。
关键段最大的缺点是，无法用在多个进程之间的线程同步

使用CRITICAL_SECTION所需的两个必要的条件：

• 所有想要访问资源的线程必须知道该结构的地址
• 在任何线程试图访问保护资源之前，必须对该结构进行初始化

VOID InitializeCritcalSection(PCRITICAL_SECTION pcs);

不再需要访问共享资源的时候，调用：

VOID DeleteCritcalSection(PCRITICAL_SECTION pcs);

TryEnterCriticalSection可以用来代替EnterCriticalSection

BOOL TryEnterCriticalSection(PCRITICAL_SECTION pcs);

其不会让调用线程进入等待状态， 其会通过返回值表示调用的线程是否获准访问资源。

关键段和旋转锁

为了在使用关键段的同时使用旋转锁，必须调用以下的函数来初始化关键段：

BOOL IniticalizeCriticalSectionAndSpinCount(
    PCRITICAL_SECTION pcs,
    DWORD dwSpinCount); //旋转锁循环的次数

【注意】如果主机只有一个处理器，函数会忽略dwSpinCount参数。

8.5 Slim读/写锁

SRWLock的功能：

• 区分读取资源值的线程（读取者线程）和更新资源值的线程（写入者线程）
• 读取者线程在同一时刻可以访问共享资源
• 写入者线程独占对资源的访问权，任何其他线程都不允许访问资源。

使用步骤：

VOID InitializeSRWLock(PSRWLOCK SRWLock); 
// 分配一个SRWLock结构并初始化
VOID AcquireSRWlockExclusive(PSRWLOCK SRWLock);
//参数为SRWLock对象地址，尝试获得对被保护的资源的独占访问权
VOID ReleaseSRWLockLockExclusive(PSRWLOCK SRWLock);

总结
在应用程序中若想获得最佳性能，首先应该尝试不要共享数据，然后依次使用volatile读取，volatile写入，Interlocked API，SRWLock以及关键段。当这些条件不满足要求的时候，再使用内核对象。

8.6 条件变量

SleepConditionVariableCS和SleepConditionVariableSRW

BOOL SleepConditonVariable(
    PCONDITION_VARIABLE pConditionVariable,
    PCRITICAL_SECTION pCriticalSection,
    DWORD dwMilliseconds);
BOOL SleepConditionVariableSRW(
    PCONDITION_VARIABLE pConditionVariable,
    PSRWLOCK pSRWLock,
    DWROD dwMilliseconds,
    ULONG Flags);

参数：

• pConditionVariable： 指向已初始化的条件变量，调用线程正在等待该条件变量。
• pCriticalSection：指向关键段或者SRWLock的指针
• dwMilliseconds：线程等待条件变量被触发的时间。
• Flags：线程已何种方式得到锁：0 ，针对写入者线程，表示独占对资源的访问；CONDITION_VARIABLE_LOCKMODE_SHARED，针对读写者线程，共享对资源的访问。

当另一个线程检测到相应的条件已经满足的时候，它会调用WakeConditionVariable或WakeAllConditionVariable
这样阻塞在Sleep*函数中的线程就会被唤醒。

VOID WakeConditionVariable(
  PCONDITION_VARIABLE ConditionVariable);
VOID WakeAllConditionVariable(
  PCONDITION_VARIABLE ConditionVariable);

一些有用的技巧和窍门

• 以原子方式操作一组对象时使用一个锁
• 同时访问多个逻辑资源
  在代码中的任何地方以完全相同的顺序来获得资源的锁。

DWORD WINAPI ThreadFunc(PVOID pvParam)
{
  EnterCritcalSection(&g_csResource1);
  EnterCritcalSection(&g_csResource2);
  .....
  LeaveCritcalSection(&g_csResource1);
  LeaveCritcalSection(&g_csResource2);
  reutrn 0;
}
DWORD WINAPI OtherThreadFunc(PVOID pvParam)
{
  EnterCritcalSection(&g_csResource2);
  EnterCritcalSection(&g_csResource1);
  .....
  LeaveCritcalSection(&g_csResource1);
  LeaveCritcalSection(&g_csResource2);
  reutrn 0;
}
//这两个函数的编写方式，有可能造成死锁。

• 不要太长时间占用锁