Windows平台下多线程编程基础（C++）

我会带着你远行 2022-05-14 12:42 254阅读 0赞

**程序、进程、线程**

当计算机出现多核处理器后，每个“核”便可以同时执行不同的行程，这时，我们需要让操作系统和应用程序也实现并行化执行。这样的话，“程序”的概念，已经无法描述其内存中的执行情况，它是静态的，为此人们引入“进程”的概念：一个具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。他是动态的概念，具体可通过程序计数器的值和处理寄存器的内容来表示。进程可分为系统进程和用户进程，从实现角度看，是一种数据结构，它清晰地刻画了动态系统的内在规律，通过进程，操作系统有效管理和调度进入计算机系统主存储器运行的程序。而一个进程又是由多个线程所组成的，线程是程序中的一个执行流，每个线程都有自己的专有寄存器(栈指针、程序计数器等)，但代码区是共享的，即不同的线程可以执行同样的函数。多线程是指程序中包含多个执行流，即在一个程序中可以同时运行多个不同的线程来执行不同的任务，也就是说允许单个程序创建多个并行执行的线程来完成各自的任务。

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图1线程的概念

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图2进程和线程的关系

Windows是一个多任务的系统，如果你使用的是windows 2000及 其以上版本，你可以通过任务管理器查看当前系统运行的程序和进程。早期的windows系统是没有“线程”概念的，整个系统只能运行着一个执行线程，这可能阻塞其他任务的执行，带来极其差的用户体验，基于上述及其操作系统的健壮性，可靠性等，windows引入了“线程”的概念。 线程可以看作是对CPU的虚拟。在windows下，进程是拥有自己的内存、文件句柄和其他系统资源的运行程序。进程的所有代码和数据空间都可以提供给该进程中的所有线程，例如，两个线程可以访问相同的全局变量。而线程由操作系统来进行管理，每个线程都有它自己的堆栈。Windows提供了两种线程，辅助线程和用户界面线程。两种线程均为MFC库所支持。用户界面线程通常有窗口，因此，它具有自己的消息循环。辅助线程没有窗口，因此，它不需要处理消息。辅助线程比较易于编程，而且通常更加有用。

多线程是这样一种机制，它允许在程序中并发执行多个指令流，每个指令流都称为一个线程，彼此间互相独立。线程又称为轻量级进程，它和进程一样拥有独立的执行控制，由操作系统负责调度。多线程是多任务的特殊形式，是为了使得多个线程并行的工作以完成多项任务，以提高系统的效率，是在同一时间需要完成多项任务的时候被实现的。使用多线程有下面几个优点：

1）使用线程可以把占据长时间的程序中的任务放到后台去处理

2）用户界面可以更加吸引人，这样比如用户点击了一个按钮去触发某些事件的处理，可以弹出一个进度条来显示处理的进度

3）程序的运行速度可能加快

4）在一些等待的任务实现上如用户输入、文件读写和网络收发数据等，我们可以释放一些珍贵的资源如内存占用等等。

然而线程也存在一些不利的方面，为正确使用线程，我们必须认识到：

1）线程也是程序，所以线程需要占用内存，线程越多占用内存也越多；

2）多线程需要协调和管理，所以需要CPU时间跟踪线程

3）线程之间对共享资源的访问会相互影响，必须解决竞用共享资源的问题

4）线程太多会导致控制太复杂，最终可能造成很多Bug

C++是为所有类型的程序设计类型设计的，从嵌入式系统(在执行环境中没有操作系统)到高度分布的、基于GUI的终端用户应用程序以及介于二者之间的一切程序。因此，C++不能够对它的执行环境加入明显的限制。内建的对多线程的支持将会从根本上将C++限制在那些支持多线程的环境中，从而阻止了在不使用线程的环境中开发软件时使用C++。在最后的分析中，没有内建的对多线程的支持是C++的一个主要优点，因为这样可以使用对目标执行环境最高效的方式编写程序。记住，C++的功能无处不在。多线程的情况很明显是一种“简单就好”的情况。

多线程改变了程序的基本结构。不同于按照严格的线性方式执行的单线程程序，多线程程序并发地执行它自身的各个部分。这样，所有的多线程程序都包含了相似的元素。因此，多线程程序的主要问题是管理线程之间的交互。C++没有包含任何对多线程应用程序的内建的支持。相反，它依赖于操作系统提供这个特性。考虑到Java和C＃都提供了内建的多线程支持，您会很自然地问，为什么C++没有提供，答案是因为效率、控制以及C++适用的应用程序的范围。由于没有内建对多线程的支持，因此C++没有尝试定义一种“万能的”解决方案。相反，C++允许您直接使用操作系统提供的多线程特性。这种方法意味着您的程序可以使用执行环境支持的、最高效的方法来实现多线程。由于许多的多任务环境提供了对多线程丰富的支持，因此能够访问这些支持对于创建高性能的多线程程序至关重要。

Windows下，它提供了多组线程相关函数来有条理地控制线程的创建和管理。例如，Windows有多种方法来控制对共享资源的访问，共享资源包括信号、互斥体、事件对象、可等待定时器以及临界区。由于操作系统能力的不同，很难将这种灵活性设计到一门语言中。因此，对于多线程语言层次的支持通常意味着仅提供特性的“最小公倍数”。通过C++，您可以访问操作系统提供的所有特性。当编写高性能的代码时，这是非常重要的优点。

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