（5)用户态线程同步
最后更新于：2022-04-01 21:44:51
在多线程环境下，线程同步是不可避免的话题。Windows环境下的线程同步分为：用户态同步 与 内核态同步。
下面我们先了解用户态同步的一些方法。
- 使用Interlocked系列函数。简单易用的函数。
- 关键段。用来对关键资源实现独享访问。
- Slim读写锁。灵活的进行写独享读共享操作。
- 条件变量。当线程要进行较为复杂的条件进行同步时，可以实现。
Interlocked系列函数。
Windows提供了Interlocked系列函数，用来原子的对数据进行增减或交换。如自旋转锁，就可以通过InterlockedExchange函数实现。
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BOOL g_fResourceInUse = FALSE;
void Func1()
{
// InterlockedExchange会一直原子设置g_fResourceInUse为TRUE，同时返回g_fResourceInUse
// 上一次的值。当g_fResourceInUse为初始值FALSE或被另一线程设置为FALSE后，该循环才会结束。
// 以此自循环（自旋锁）方式来实现对资源的独占访问。
while (InterlockedExchange(&g_fResourceInUse,TRUE) == TRUE)
Sleep(0);
// Access the resource, do something
...
// Do not need the resource anymore, release it
InterlockedExchange(&g_fResourceInUse,FALSE)
}
~~~
注意，这种循环方式会占用CPU大量时间，不建议在单CPU机器上运行。（可以用关键段代替或用C++11标准中的atom系列函数代替）
关键段
上面使用自旋锁的方式进行同步显然是低效的。因为等待线程依然处于可调度状态，仍然会占用CPU时间。Windows提供了一系列函数，让线程同步。这一系列函数保证了在线程获得想要的资源之前，不被CPU调度，直到其要求的资源可被线程访问为止。关键段就是其一，其实关键段的实现是通过事件内核对象的。
运用关键段五个步骤：
1、声明一个可以被多个线程访问到其地址的关键段变量。
2、在使用关键段前，调用InitializeCriticalSection函数初始化关键段。
2、在进入资源前调用EnterCriticalSection，请求进入关键段（若进入不了，则线程等待）
3、在离开资源时，调用LeaveCriticalSection，离开关键段。
若确定了关键段已经不被任何线程再使用，则要销毁关键段对象。
4、在不再使用关键段时，调用DeleteCriticalSection销毁关键段。
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CRITICAL_SECTION g_cs;
int g_sum = 0;
//初始化关键段，注意不要多次初始化，否则后果是未定义的
';
InitializeCriticalSection(&g_cs);
~~~
~~~
void ThreadFunc1()
{
EnterCriticalSection(&g_cs);
g_sum++;
LeaveCriticalSection(&g_cs);
}
void ThreadFunc2()
{
EnterCriticalSection(&g_cs);
g_sum++;
LeaveCriticalSection(&g_cs);
}
...
...
// 不再使用critical section，显示销毁
DeleteCriticalSection(&g_cs);
~~~
关键段最容易忘记
~~~
LeaveCriticalSection
~~~
，这时候可以用RAII技巧来进行简单的封装。
关于关键段的细节
1、若一个线程已经成功进入关键段，则可以多次调用EnterCriticalSection，相应的，要调用多次LeaveCriticalSection来离开临界区。
2、对于跨进程的线程同步，可以使用mutex对象。
可以使用TryEnterCriticalSection进入关键段，他不会使线程进入等待，而是返回布尔值表示是否获得了关键段。对于返回TRUE，需要调用LeaveCriticalSection。
关键段与旋转锁
当线程由于得不到关键段而进入等待状态时，会进行用户态和内核态切换，这会占用大量的CPU时间。在多处理器的环境下，可能的一种情况是，用户/内核态的切换还未结束，占用关键段的线程可能已经释放了关键段。
在多处理器的情况下，可以使用
[**InitializeCriticalSectionAndSpinCount**](https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms683476%28v=vs.85%29.aspx)
函数来初始化关键段。其函数原型如下
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BOOL WINAPI InitializeCriticalSectionAndSpinCount(
_Out_ LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection,
_In_ DWORD dwSpinCount
);
~~~
其中参数dwSpinCout用来设置旋转锁循环次数。[**SetCriticalSectionSpinCount**](https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms686197%28v=vs.85%29.aspx) 可以重设自旋转锁次数。
该函数会在进入内核态前，旋转设置的循环次数来获取关键段。若在旋转锁阶段获取关键段，则不会进入内核态。
注意，在单CPU模式下，dwSpinCout是被忽略的，总是为0。因为在单CPU下，
~~~
InitializeCriticalSectionAndSpinCount
~~~
是没有意义的：CPU在旋转锁阶段被线程占用，其他线程根本没有时机来释放关键段。但我们仍可以这样初始化关键段，以应对未来可能的多CPU环境。
Slim读写锁
一般的，对于线程的同步，读是可以共享的，而写则是互斥的。因此Windows提供了读写锁机制。
与关键段类似，在使用读写锁之前，要调用[**InitializeSRWLock**](https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms683483%28v=vs.85%29.aspx)函数初始化读写锁。
利用读写锁要分清读者和写者。
读写锁使用步骤
1、声明SRWLOCK对象。
2、用InitializeSRWLock函数初始化SRWLOCK对象。
3.1、对于读者，调用
[**AcquireSRWLockShared**](https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms681934%28v=vs.85%29.aspx)
[**ReleaseSRWLockShared**](https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms685080%28v=vs.85%29.aspx)
以共享的方式获取，释放的读写锁。若该锁没被占用或被其他线程读，则立即获得锁，否则等待。
3.2、对于写者，调用
[**AcquireSRWLockExclusive**](https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms681930%28v=vs.85%29.aspx)
[**ReleaseSRWLockExclusive**](https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms685076%28v=vs.85%29.aspx)
以独占的方式获取，释放的读写锁。若该锁未被占用，则立即获得锁，否则等待。
Slim与关键段的对比
Slim锁与关键段主要有以下两点区别
1、Slim锁不能够递归获取，即当一个线程Acquire并获得Slim锁之后，不能够再次Acquire同一把锁。
2、不存在TryEnter类似函数获取Slim锁。
3、Slim锁不用显示销毁，系统会自动释放。
4、总体上说，Slim锁的效率优于关键段。
多种同步方法的效率对比
条件变量同步
有时候需要线程原子方式释放获得的锁同时阻塞自身，直到某一条件成立为止。这时候可以通过条件变量进行同步。
等待条件变量函数。当条件被满足，线程被唤醒后，会自动得到锁。
[**SleepConditionVariableCS**](https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms686301%28v=vs.85%29.aspx)
[**SleepConditionVariableSRW**](https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms686304%28v=vs.85%29.aspx)
唤醒等待条件的线程函数
[**WakeAllConditionVariable**](https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms687076%28v=vs.85%29.aspx)
[**WakeConditionVariable**](https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms687080%28v=vs.85%29.aspx)