摘 要：本文簡單介紹了Windows環(huán)境下進行多線程編程的意義，重點討論了C++Builder環(huán)境下開發(fā)多線程應(yīng)用程序這一問題，并通過實現(xiàn)生產(chǎn)者－消費者問題，幫我們更好地理解同步概念及其實現(xiàn)方法。
線程之可行性
在很多情況下，可能需要為程序創(chuàng)建線程。這里給出其中一些可能性：
?。?）如果創(chuàng)建的是一個多文檔接口（Multiple Document Interface，MDI）程序，那么為每個窗口分配一個線程就顯得十分重要了，例如，對于一個通過多個Modem同時連接到多個主機的MDI通信程序而言，如果每個窗口都有它自己的線程來和一個主機通信，那么整個事情就簡化很多。
?。?）如果使用的是一臺有多個處理器的機器，并希望充分利用所有可能獲得的CPU資源，那么就需要將應(yīng)用程序分解成多個線程。Windows2000中CPU的劃分單位為線程。因此，如果程序只包含一個線程，那么，默認環(huán)境下該程序只能使用其中一個CPU.但是，如果將此程序劃分為多個線程，那么Windows2000就可以在不同的CPU上運行各個線程。
?。?）在后臺運行的某些任務(wù)的同時，要求用戶還可以繼續(xù)使用應(yīng)用程序進行工作。利用線程很容易實現(xiàn)這點。例如：可以將一些冗長的重算、頁面格式化操作、文件的讀寫等活動都放在單獨的線程中，使其在后臺運行，而不會對用戶造成影響。
同步
撰寫多線程程序的一個最具挑戰(zhàn)性的問題就是：如何讓一個線程和另一個線程合作。這引出了一個非常重要的問題：同步。所謂同步是指進程、線程間相互通信時避免破壞各自數(shù)據(jù)的能力。Windows環(huán)境下的同步問題是由Win32系統(tǒng)的CPU時間片分配方式引起的。雖然在某一時刻，只有一個線程占用CPU（單CPU）時間，但是無法知道在什么時候，在什么地方線程被打斷，這樣如何保證線程之間不破壞彼此的數(shù)據(jù)就顯得格外重要。同步問題是如此重要，也相當有趣，因而吸引了不少學(xué)者對他進行研究，由此產(chǎn)成了一系列經(jīng)典的進程同步問題，其中較有代表性的是"生產(chǎn)者－消費者問題"、"讀者－寫者問題""哲學(xué)家進餐問題"等。在此，本文簡要討論了C++Builder平臺下如何利用多線程編程技術(shù)實現(xiàn)"生產(chǎn)者－消費者"問題，幫助我們更好得理解同步概念及其實現(xiàn)方法。
生產(chǎn)者－消費者問題
生產(chǎn)者－消費者問題是一個著名的進程同步問題。它描述的是：有一群生產(chǎn)者進程在生產(chǎn)消息，并將此消息提供給消費者進程去消費。為使生產(chǎn)者進程和消費者進程能并發(fā)進行，在他們之間設(shè)置了一個具有N個緩沖區(qū)的緩沖池，生產(chǎn)者進程可以將它所生產(chǎn)的消息放入一個緩沖區(qū)中，消費者進程可以從一個緩沖區(qū)中取得一個消息消費。盡管所有的生產(chǎn)者進程和消費者進程都是以異步方式進行的，但他們之間必須保持同步，即不允許消費者進程到一個空的緩沖區(qū)中去取消息，也不允許生產(chǎn)者進程向一個已裝滿消息且尚未被取走消息的緩沖區(qū)中投放消息。
C++Builder多線程應(yīng)用程序編程基礎(chǔ)
1、使用C++Builder提供的TThread類
VCL類庫提供了用于線程編程的TThread類。在TThread類中封裝了Windows中關(guān)于線程機制的WindowSAPI.對于大多數(shù)的應(yīng)用程序來說，可在應(yīng)用程序中使用線程對象來表示執(zhí)行線程。線程對象通過封裝使用線程所需的內(nèi)容，簡化了多線程應(yīng)用程序的編寫。注意，線程對象不允許控制線程堆棧的大小或其安全屬性。若需要控制這些，必須使用WindowsAPI的Create Thread（）或Begin Thread（）函數(shù)。
TThread類有以下一些屬性和方法：
1) 屬性：
·Priority：優(yōu)先級屬性?？梢栽O(shè)置線程的優(yōu)先級。
·Return Value：返回值屬性。當線程介紹時返回給其他線程一個數(shù)值。
·Suspended：掛起屬性?？梢耘袛嗑€程是否被掛起。
·Terminated：結(jié)束屬性。用來標志是否應(yīng)該結(jié)束線程。
·ThreadID：標識號屬性。在整個系統(tǒng)中線程的標識號。使用Windows API函數(shù)時該屬性非常有用。
2） 方法：
·Do Terminate：產(chǎn)生一個On Terminate事件，但是不結(jié)束線程的執(zhí)行。
·Resume：喚醒一個線程繼續(xù)執(zhí)行。
·Suspend：掛起一個線程，要與Resume過程成對使用。
·Synchronize：由主VCL線程調(diào)用的一個同步過程。
·Terminate：將Terminate屬性設(shè)置為True，中止線程的執(zhí)行。
·Wait For：等待線程的中止并返回Return Value屬性的數(shù)值。
2、協(xié)調(diào)線程
在編寫線程執(zhí)行時運行的代碼時，必須考慮到可能同步執(zhí)行的其他線程的行為。特別注意，避免兩個線程試圖同時使用相同的全局對象或變量。另外，一個線程中的代碼會依賴其他線程執(zhí)行任務(wù)的結(jié)果。
1） 避免同時訪問
為避免在訪問全局對象或變量時與其他線程發(fā)生沖突，可能需要暫停其他線程的執(zhí)行，直到該線程代碼完成操作。
?。?）鎖定對象。一些對象內(nèi)置了鎖定功能，以防止其他線程使用該對象的實例。例如，畫布對象（TCanvas及其派生類）有一種Lock（）函數(shù)可以防止其他線程訪問畫布，直到調(diào)用Unlock（）函數(shù)。顯然，這種方法只對部分類有效。
?。?）使用重要區(qū)段。
若對象沒有提供內(nèi)置的鎖定功能，可使用重要區(qū)段。重要區(qū)段像門一樣，每次只允許一個線程進入，要使用重要區(qū)段，需創(chuàng)建TCriticalSection的全局實例。TCriticalSection有兩個函數(shù)：Acquire（）（阻止其他線程執(zhí)行該區(qū)域）及Release（）（取消對其他線程的阻止）。
（3）使用多重讀、獨占寫的同步器。
有時，只需要等待線程完成一些操作而不是等待線程執(zhí)行結(jié)束。為此，可使用一個事件對象。事件對象（TEvent）應(yīng)具有全局范圍以便他們能夠為所有線程可見。當一個線程完成一個被其他線程依賴的操作時，調(diào)用TEvent：：Set Event（）函數(shù)。Set Event發(fā)出一個信號，以便其他線程可以檢查并得知操作完成。要關(guān)掉信號，則使用Reset Event（）函數(shù)。
例如，當必須等待若干線程完成其執(zhí)行而不是單個線程時。因為不知道哪個線程最后完成，也就不能對某個線程使用Wait For（）函數(shù)。此時，可通過調(diào)用Set Event以在線程結(jié)束時累加計數(shù)值并在最后一個線程結(jié)束時發(fā)出信號以指示所有線程結(jié)束。
多線程應(yīng)用程序編程實例
下面是一個實現(xiàn)"生產(chǎn)者－消費者問題"的多線程應(yīng)用實例。在此例中，我們按上面介紹的方法構(gòu)造了兩個TThread的子類TProducerThread（生產(chǎn)者線程）和TCustomerThread（消費者線程），生產(chǎn)和消費的商品僅僅是一個整數(shù)。在協(xié)調(diào)生產(chǎn)和消費的過程中，重要區(qū)段（TCriticalSection）和事件（TEvent）得到了應(yīng)用。生產(chǎn)者通過TEvent類的對象Begin Consume來通知消費者開始消費，而消費者通過TEent類的對象Begin Produce通知生產(chǎn)者開始生產(chǎn)。程序中共有兩個生產(chǎn)者，一個消費者。在兩個生產(chǎn)者之間，通過TCriticalSection類的對象同步。其運行界面如圖1所示。
主要源程序如下所示：
生產(chǎn)者線程：
| Void __fast call TProducerThread:: Execute () { //---- Place thread code here ---- Int i = 0; Int j; while(i<100) //每個生產(chǎn)者線程生產(chǎn)100個商品 { Sleep(1000);//延遲，為清楚得顯示執(zhí)行效果 if(Form1->buffer_size > 0)//緩沖池不空，通知消費者消費 { Form1->Begin Consumer->Set Event (); } Form1->Produce Guard->Acquire (); i++; StrResult = IntToStr (i); J = Form1->buffer_size; Form1->Product [j] = i; Form1->buffer_size++; Synchronize(Show Result);//刷新界面，顯示最新生產(chǎn)－消費狀況 Form1->Begin Consumer->Set Event();//通知消費者消費 if(Form1->buffer_size == 5)//緩沖池滿，掛起生產(chǎn)者線程，直到通知再生產(chǎn) { Form1->Begin Produce->Wait For (INFINITE); } Sleep (1000); Form1->Produce Guard->Release (); } While (Form1->buffer_size > 0) { Form1->Begin Consumer->Set Event (); } } |
| Void __fast call TConsumerThread::Execute() { //---- Place thread code here ---- Int j; For (int i = 0;i < 200;i++) { Sleep(100); //延遲，為清楚得顯示執(zhí)行效果 Form1->Begin Consumer->Wait For(INFINITE);//掛起消費者線程，直到通知再消費 J = Form1->buffer_size - 1; StrResult = IntToStr (Form1->Product [j]); Form1->buffer_size--; Synchronize(Show Result); //刷新界面，顯示最新生產(chǎn)－消費狀況 if(Form1->buffer_size == 4)//緩沖池不再full，喚醒由于緩沖池full而掛起的生產(chǎn)者線程 { Form1->Begin Produce->Set Event (); } Sleep (100); } } |
