InterlockedIncrement 用处和用法,对于只执行一次的类

朱雀 2024-04-17 05:41 27阅读 0赞

转自：InterlockedIncrement和InterlockedDecrement的妙用

一般来说，在多用户线程环境中，我们使用临界区、事件对象甚至互斥量来进行同步，尤其是临界区，可以很方便地对某些变量甚至代码块进行锁定执行，防止多线程之间资源恶性抢夺。

既然如此，为啥微软又单独提供了专用于一个数值锁定计算的API函数InterlockedIncrement和InterlockedDecrement呢？他们又有什么特殊作用呢？

恰好近段时间写了一个这方面的应用，帮我加深了对这类API函数的理解。  
首先描述一下需求，在应用中，有这样一个类，它可能只被实例化一次，也可能会被实例化多次，但不管被实例化了几次，它必须在构造函数里执行一项初始化计算，

假设初始化计算的函数为WSAStartup，同时还需要在析构函数里执行一下注销计算，假设注销计算的函数为WSACleanup，现在有一个要求，就是它们的初始化和注销计算只能被执行一次，

就如同在一个项目中，只能运行一次WSAStartup和WSACleanup一样。当然，大家可能会想到直接在工程的开始和结尾处实现这样的功能，但是，如果把这个类的文件包括在其它测试工程里进行测试，

同时不改变其它工程的代码，又该如何实现呢？  
其实，我们可以充分利用InterlockedIncrement和InterlockedDecrement，就如同COM的CoInitialize()和CoUninitialize()一样，描述代码如下：

复制代码  
class A \{  
protected:  
static long m\_nRef;  
public:  
//类A的构造函数 A() \{  
if(1 == InterlockedIncrement(&m\_nRef)) \{  
//以下代码只执行一次 WSADATA wsaData;  
WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &wsaData); \}  
\};  
//类A的虚析构函数 virtual ~A() \{  
if(0 == InterlockedDecrement(&m\_nRef)) \{  
//以下代码只执行一次 WSACleanup(); \}  
\}  
\};  
long A::m\_nRef = 0;  
复制代码  
这样，无论我们创建了类A的多少个实例，在类的构造函数和析构函数里，WSAStartup和WSACleanup均只被执行一次，有效地保证了单元代码的封装性。

InterLockedIncrement 和 InterLockedDecrement处理线程访问

当我们在处理多线程或者模拟一个类似COM的引用计数时，我们为了防止多个线程同时访问一个变量，导致不可预料的结果时。我们便可以方便的使用InterLockedIncrement 和 InterLockedDecrement 来对这个变量进行锁定访问：

long volatile lReference;

InterlockedIncrement( &lReference ); // 对这个引用计数进行锁定并ADD 1

InterlockedDecrement( &lReference ); // 对这个引用计数进行锁定并SUB 1

这样就可以方便的操作这个变量，而不需要自己处理同步。当然还有其他方法。。这里不暂时一一说明。

秒杀多线程第三篇 原子操作 Interlocked系列函数

上一篇《多线程第一次亲密接触 CreateThread与\_beginthreadex本质区别》中讲到一个多线程报数功能。为了描述方便和代码简洁起见，我们可以只输出最后的报数结果来观察程序是否运行出错。这也非常类似于统计一个网站每天有多少用户登录，每个用户登录用一个线程模拟，线程运行时会将一个表示计数的变量递增。程序在最后输出计数的值表示有今天多少个用户登录，如果这个值不等于我们启动的线程个数，那显然说明这个程序是有问题的。整个程序代码如下：

复制代码  
\#include <stdio.h>  
\#include <process.h>  
\#include <windows.h>  
volatile long g\_nLoginCount; //登录次数  
unsigned int \_\_stdcall Fun(void \*pPM); //线程函数  
const int THREAD\_NUM = 10; //启动线程数  
unsigned int \_\_stdcall ThreadFun(void \*pPM)  
\{  
Sleep(100); //some work should to do  
g\_nLoginCount++;  
Sleep(50);  
return 0;  
\}  
int main()  
\{  
g\_nLoginCount = 0;

HANDLE  handle[THREAD_NUM];
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
        handle[i] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ThreadFun, NULL, 0, NULL);
    
    WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE); 
    printf("有%d个用户登录后记录结果是%d\n", THREAD_NUM, g_nLoginCount);
    return 0;

\}  
复制代码

程序中模拟的是10个用户登录，程序将输出结果：

和上一篇的线程报数程序一样，程序输出的结果好象并没什么问题。下面我们增加点用户来试试，现在模拟50个用户登录，为了便于观察结果，在程序中将50个用户登录过程重复20次，代码如下：

复制代码  
\#include <stdio.h>  
\#include <windows.h>  
volatile long g\_nLoginCount; //登录次数  
unsigned int \_\_stdcall Fun(void \*pPM); //线程函数  
const DWORD THREAD\_NUM = 50;//启动线程数  
DWORD WINAPI ThreadFun(void \*pPM)  
\{  
Sleep(100); //some work should to do  
g\_nLoginCount++;  
Sleep(50);  
return 0;  
\}  
int main()  
\{  
printf(" 原子操作 Interlocked系列函数的使用\\n");  
printf(" – by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) --\\n\\n");

//重复20次以便观察多线程访问同一资源时导致的冲突
    int num= 20;
    while (num--)
    {    
        g_nLoginCount = 0;
        int i;
        HANDLE  handle[THREAD_NUM];
        for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
            handle[i] = CreateThread(NULL, 0, ThreadFun, NULL, 0, NULL);
        WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, TRUE, INFINITE);
        printf("有%d个用户登录后记录结果是%d\n", THREAD_NUM, g_nLoginCount);
    }
    return 0;

\}  
复制代码

运行结果如下图：

现在结果水落石出，明明有50个线程执行了g\_nLoginCount++;操作，但结果输出是不确定的，有可能为50，但也有可能小于50。

要解决这个问题，我们就分析下g_nLoginCount++;操作。在VC6.0编译器对g_nLoginCount++;这一语句打个断点，再按F5进入调试状态，然后按下Debug工具栏的Disassembly按钮，这样就出现了汇编代码窗口。可以发现在C/C++语言中一条简单的自增语句其实是由三条汇编代码组成的，如下图所示。

讲解下这三条汇编意思：

第一条汇编将g\_nLoginCount的值从内存中读取到寄存器eax中。

第二条汇编将寄存器eax中的值与1相加，计算结果仍存入寄存器eax中。

第三条汇编将寄存器eax中的值写回内存中。

这样由于线程执行的并发性，很可能线程A执行到第二句时，线程B开始执行，线程B将原来的值又写入寄存器eax中，这样线程A所主要计算的值就被线程B修改了。这样执行下来，结果是不可预知的——可能会出现50，可能小于50。
    
       因此在多线程环境中对一个变量进行读写时，我们需要有一种方法能够保证对一个值的递增操作是原子操作——即不可打断性，一个线程在执行原子操作时，其它线程必须等待它完成之后才能开始执行该原子操作。这种涉及到硬件的操作会不会很复杂了，幸运的是，Windows系统为我们提供了一些以Interlocked开头的函数来完成这一任务（下文将这些函数称为Interlocked系列函数）。

下面列出一些常用的Interlocked系列函数：

1.增减操作

LONG\_\_cdeclInterlockedIncrement(LONG volatile\* Addend);

LONG\_\_cdeclInterlockedDecrement(LONG volatile\* Addend);

返回变量执行增减操作之后的值。

LONG\_\_cdec InterlockedExchangeAdd(LONG volatile\* Addend, LONGValue);

返回运算后的值，注意！加个负数就是减。

2.赋值操作

LONG\_\_cdeclInterlockedExchange(LONG volatile\* Target, LONGValue);

Value就是新值，函数会返回原先的值。

在本例中只要使用InterlockedIncrement()函数就可以了。将线程函数代码改成：

复制代码  
DWORD WINAPI ThreadFun(void \*pPM)  
\{  
Sleep(100);//some work should to do  
//g\_nLoginCount++;  
InterlockedIncrement((LPLONG)&g\_nLoginCount);  
Sleep(50);  
return 0;  
\}  
复制代码

再次运行，可以发现结果会是唯一的。

因此，在多线程环境下，我们对变量的自增自减这些简单的语句也要慎重思考，防止多个线程导致的数据访问出错。更多介绍，请访问MSDN上Synchronization Functions这一章节，地址为 http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/aa909196.aspx

看到这里，相信本系列首篇《秒杀多线程第一篇 多线程笔试面试题汇总》中选择题第一题（百度笔试题）应该可以秒杀掉了吧（知其然也知其所以然），正确答案是D。另外给个附加问题，程序中是用50个线程模拟用户登录，有兴趣的同学可以试下用100个线程来模拟一下（上机试试绝对会有意外发现\_）。

下一篇《秒杀多线程第四篇 一个经典多线程同步问题》将提出一个稍为复杂点但却非常经典的多线程同步互斥问题，这个问题会采用不同的方法来解答，从而让你充分熟练多线程同步互斥的“招式”。更多精彩，欢迎继续参阅。