进程与线程
进程和线程是两个相对的概念,通常来说,一个进程可以定义程序的一个实例(Instan
ce)。在Win32中,进程并不执行什么,它只是占据应用程序所使用的地址空间。为了让
进程完成一定的工作,进程必须至少占有一个线程,正是这个线程负责包含进程地址空
间中的代码。实际上,一个进程可以包含几个线程,它们可以同时执行进程地址空间中
的代码。为了做到这一点,每个线程有自己的一组CPU寄存器和堆栈。每个进程中至少有
一个线程在执行其地址空间中的代码。如果没有线程执行进程地址空间中的代码,进程
也就没有继续存在的理由,系统将自动清除进程及其地址空间。
多线程的实现原理
创建一个进程时,它的第一个线程称为主线程(Primary thread),由系统自动生成。
然后可以由这个主线程生成额外的线程,而这些线程,又可以生成更多的线程。
在运行一个多线程的程序时,从表面上看,这些线程似乎在同时运行。而实际情况并非
如此,为了运行所有的这些线程,操作系统为每个独立线程安排一些CPU时间。单CPU操
作系统以轮转方式向线程提供时间片(Quantum),每个线程在使用完时间片后交出控制
,系统再将CPU时间片分配给下一个线程。由于每个时间片足够的短,这样就给人一种假
象,好像这些线程在同时运行。创建额外线程的唯一目的就是尽可能地利用CPU时间。
多线程的问题
使用多线程编程可以给程序员带来很大的灵活性,同时也使原来需要复杂技巧才能解决
的问题变得容易起来。但是,不应该人为地将编写的程序分成一些碎片,让这些碎片按
各自的线程执行,这不是开发应用程序的正确方法。
线程很有用,但当使用线程时,可能会在解决老问题的同时产生新问题。例如要开发一
个字处理程序,并想让打印功能作为单独的线程自己执行。这听起来是很好的主意,因
为在打印时,用户可立即返回,开始编辑文档。但这样一来,在该文档被打印时文档中
的数据就有可能被修改,打印的结果就不再是所期望的内容。也许最好不要把打印功能
放在单独的线程中,不过如果一定要用多线程的话,也可以考虑用下面的方法解决:第
一种方法是锁定正在打印的文档,让用户编辑其他的文档,这样在结束打印之前,该文
档不会作任何修改;另一个方法可能更有效一些,即可以把该文档拷贝到一个临时文件
中,打印这个临时文件的内容,同时允许用户对原来的文档进行修改。当包含文档的临
时文件打印完成时,再删去这个临时文件。
通过上面的分析可以看出,多线程在帮助解决问题的同时也可能带来新问题。因此有必
要弄清楚,什么时候需要创建多线程,什么时候不需要多线程。总的来说,多线程往往
用于在前台操作的同时还需要进行后台的计算或逻辑判断的情况,而对于GUI(图形用户
接口),除了开发MDI(多文档界面)应用程序外,应尽量不使用多线程。
线程的分类
在MFC中,线程被分为两类,即工作线程和用户界面线程。如果一个线程只完成后台计算
,不需要和用户交互,那么可以使用工作线程;如果需要创建一个处理用户界面的线程
,则应使用用户界面线程。这两者的主要区别在于,MFC框架会给用户界面线程增加一个
消息循环,这样用户界面线程就可以处理自己消息队列中的消息。这样看来,如果需要
在后台作一些简单的计算(如对电子表格的重算),则首先应考虑使用工作线程,而当
后台线程需要处理比较复杂的任务,确切地说,当后台线程的执行过程会随着实际情况
的不同而改变时,就应该使用用户界面线程,以便能对不同的消息作出响应。
线程的优先级
当系统需要同时执行多个进程或多个线程时,有时会需要指定线程的优先级。线程的优
先级一般是指这个线程的基优先级,即线程相对于本进程的相对优先级和包含此线程的
进程的优先级的结合。操作系统以优先级为基础安排所有的活动线程,系统的每一个线
程都被分配了一个优先级,优先级的范围从0到31。运行时,系统简单地给第一个优先级
为31的线程分配CPU时间,在该线程的时间片结束后,系统给下一个优先级为31的线程分
配CPU时间。当没有优先级为31的线程时,系统将开始给优先级为30的线程分配CPU时间
,以此类推。除了程序员在程序中改变线程的优先级外,有时程序在执行过程中系统也
会自动地动态改变线程的优先级,这是为了保证系统对终端用户的高度响应性。比如用
户按了键盘上的某个键时,系统就会临时将处理WM_KEYDOWN消息的线程的优先级提高2到
3。CPU按一个完整的时间片执行线程,当时间片执行完毕后,系统将该线程的优先级减
1。
线程的同步
在使用多线程编程时,还有一个非常重要的问题就是线程同步。所谓线程同步是指线程
之间在相互通信时避免破坏各自数据的能力。同步问题是由前面说到的Win32系统的CPU
时间片分配方式引起的。虽然在某一时刻,只有一个线程占用CPU(单CPU时)时间,但
是没有办法知道在什么时候,在什么地方线程被打断,这样如何保证线程之间不破坏彼
此的数据就显得格外重要。在MFC中,可以使用4个同步对象来保证多线程同时运行。它
们分别是临界区对象(CCriticalSection)、互斥量对象(CMutex)、信号量对象(CS
emaphore)和事件对象(CEvent)。在这些对象中,临界区对象使用起来最简单,它的
缺点是只能同步同一个进程中的线程。另外,还有一种基本的方法,本文称为线性化方
法,即在编程过程中对一定数据的写操作都在一个线程中完成。这样,由于同一线程中
的代码总是按顺序执行的,就不可能出现同时改写数据的情况。