《windows核心编程系列》谈谈线程基础

长平狐 发布于 2012/10/08 15:16
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                         线程基础

     与前面介绍的进程一样,线程也有两部分组成。一个是线程内核对象。它是一个数据结构,操作系统用它来管理线程以及用它来存储线程的一些统计信息。另一个是线程栈,用于维护线程执行时所需的所有函数参数和局部变量。位于同一个进程的线程共享进程的地址空间且它们共享进程句柄表。因为句柄表是针对进程的。进程需要很多的系统资源,而线程仅仅需要一个线程内核对象和线程栈就可以了,因此线程比进程的开销要小得多。采用多线程来处理问题也是理所当然的了。

 

    采用多线程可以提高程序的执行效率,但是多线程也存在很多问题。在尝试使用多线程时如果处理不当还可能会引入新的问题。如同步问题。

 

    每个线程都需要一个入口点函数。这是线程执行的起点。主线程的入口点函数是_tmain_tWinmain。如果在进程中创建新线程必须提供自己的入口点函数。

形如:


 

DWORD ThreadProc(PVOID pvParam)

{

   int temp=(int)pvParam;

    ....

   return 0;

}


    线程函数可以是任何我们希望它执行的任务,最终线程函数会终止并返回。类似于进程内核对象,如果线程内核对象使用计数变为0,则会被销毁。默认情况下主线程的入口点函数必须命名为main,wmain,WinMainwWinMain。我们可以通过设置/ENTRY:链接器选项来指定另一个函数作为入口点函数。

 

    线程函数只有一个参数,其意义可由我们定义。可以为其传递一个值,也可以将其作为某个数据结构的指针。这需要在线程函数内部做类型转换。线程函数必须返回一个值,它的值传递给ExitThread,作为线程的退出代码。

    线程函数尽可能地使用局部变量或函数参数,它们是在线程栈上创建的。不太可能被其他线程破坏。使用静态变量或全局变量时其他线程可以访问这些变量,这会导致同步和互斥问题。

    接下来介绍线程的创建,与其他内核对象一样,它也有对应的Create*函数。

 

HANDLE CreateThread(

    PSECURITY_ATTRIBUTE psa,

    DWORD chStackSize,

    PTHREAD_START_ROUTINE pfnStartAddr,

    PVOID pvParam,

    DWORD dwCreateFlag,

PDWORD pdwThreadID);


       调用此函数时,系统会创建线程内核对象,这个线程内核对象不是线程本身而是一个小的数据结构,操作系统用这个结构来管理线程。系统从进程的地址空间中分配内存给线程栈使用,新线程与负责创建的线程在相同的进程上下文运行。因此,新线程可以访问进程内核对象的所有句柄、进程中的所有内存以及同一个进程中其他所有线程的栈(虽然线程栈属于每个线程独有,但是所有线程都在同一个地址空间,也可以被其他线程访问)。这样一来多个线程很容易的相互通信。

 

psa参数指明内核对象的安全属性。传入NULL,表示使用默认安全属性。如果希望子进程能继承到这个对象的句柄,必须指定一个SECURITY_ATTRIBUTES结构,并将该结构的bInherithandle成员初始化为true。表明此内核对象是可继承内核对象。

 

cbStackSize参数指定线程栈的大小。每个线程都拥有自己的栈。对于主线程cbStackSize使用的是保存在PE文件头的内部的值。可以使用链接器/STACK开关控制这个值,如:

/STACK:[reserve] [,commit]

 

reserve参数用于设置为线程栈预定多少空间。默认为1MBcommit参数指定最初应为栈预留的地址空间调拨多少物理内存。默认是一个页面。随着线程的执行需要的空间可能不止1MB,如果栈溢出就会产生异常。系统捕获异常并未已预订的空间调拨另一个页面。关于线程栈的内容请参考后面的内容。

 

当我们在CreateThread中为cbStackSize传入0时,系统会为线程栈预定空间并调拨所有的物理内存。这里只是说会为所有的已预定空间调拨内存,至于预定空间是多大,要么由/STACK链接器开关指定,要么由cStackSize指定。取其中较大的一个。预订的地址空间设定了栈空间的上限,也就是说在栈上限内如果物理内存不够使用还可以调拨,但是一旦达到这个上限就不会再为其分配内存。这可以防止无穷递归。

 

pfnStartAddr参数指定线程函数的地址,pvParam是传给线程函数的参数。创建多个线程时可以让他们使用同一个函数地址。前面提过使用多线程可能会导致很严重的同步问题,可以采取第八章和第九章的线程同步技术解决。

 

dwCreateFlags参数控制线程的创建。如果其为0,线程创建之后立即就可以调度。如果值为CREATE_SUSPEND系统将创建并初始化线程,但是会暂停线程的执行,直到调用ResumeThread恢复期运行。

pdwThreadID参数存储线程的ID,它是一个DWORD类型的指针。如果传入NULL,表明我们对线程ID不感兴趣。

 

线程可以通过以下四种方式终止运行:

1:线程函数返回。

2:线程调用ExitThread杀死自己。

3:其他线程调用TerminateThread

4:进程终止导致线程终止。

 

第一种方法是最保险的方式,它可以保证线程的所有资源都会被正确清理。如线程创建的所有C++对象的析构函数都会被调用、线程栈内存被释放、线程的退出代码设为线程函数的返回值。线程内核对象的使用计数被递减。

 

ExitThread也会导致线程终止运行,同时系统也会清理该线程使用的所有操作系统资源,但是与自然退出线程函数不同,所有线程创建的C++对象的析构函数不会被调用。至于为什么不会被调用待会儿会专门介绍。线程函数正常退出时(对象被析构)会退出到其他函数,在此函数内ExitThread会被调用,此时这是正常的。

 

TerminateThread可以杀死一个线程,它的第一个参数标识要杀死的线程的句柄,第二个参数为线程退出代码。这个函数不推荐使用。因为它很不负责。被终止的线程在得不到任何通知情况下线程栈不会被销毁。也就相当于把人杀了就把尸体扔那,占用地方。线程栈不会被销毁,还在占用内存,这当然就属于内存泄露。但是这些内存还不能被其他线程访问,如果访问的话会导致访问违规。虽然TerminateThread不会释放线程栈,但是进程结束时栈空间会被清理。   

 

 线程终止运行时,线程所拥有的所有用户对象句柄会被释放。其退出代码从STILL_ACTIVE变为传给ExitThreadTerminatethread的代码。线程内核对象变为触发状态且引用计数减一。如果该线程是进程的最后一个活动线程,也会导致进程终止。

 

BOOL GetExitCodeThread(

   HANDLE hThread,

   PDWORD pdwExitCode);


        线程终止后,其内核对象不一定被释放。其他线程可以调用GetExitCodeThread来检查hThread所标示的线程是否已终止运行。如果pdwExitCode返回STILL_ACTIVE表明线程尚未终止。否则返回其退出代码。也可以使用WaitForSingleObject来判断线程内核对象句柄是否是已触发状态。

CreateThread函数创建线程内核对象,该对象的最初使用计数为2。一个是该函数返回的句柄对该内核对象的引用,一个是线程本身也占有一个引用。暂停计数被置为1,退出代码被设为STILL_ACTIVE,对象处于未触发状态。线程上下文反映了当前线程上一次的执行时的cpu寄存器的状态,它保存在CONTEXT结构中,该结构保存在线程内核对象中。

 

线程内核对象被初始化时,CONTEXT结构中堆栈指针SP被设为pfnStartAddr,而指令指针寄存器IP被设为RtlUserThreadStart函数。该函数由NTDLL.dll导出。它的参数是真正的线程函数地址和线程参数。

 

因为新线程的指令指针寄存器IP被设为RtlUserThreadStart,因此这个函数实际就是线程开始执行的地方。这个函数接受两个参数,也许你会以为这个函数是从另一个函数调用的。但是事实并非如此,新线程之所以在此处开始执行并访问这两个参数,是因为在线程初始化时,CONTEXT结构的IP被设为RtlUserThreadStart。此函数并没有在其他函数中调用也就没有返回地址。这一点要明白。

 

VOID RtlUserThreadStart(PTHREAD_START_ROUTINE pfnStartAddr,PVOID pvParam)

{

   _try{

        ExitThread((pfnStartAddr)(pvParam));

      }

_exception(UnHandledExceptionFilter(GetExceptionInformation())

     {

        ExitProcess(GetExceptionCode());

     }

}


在执行RtlUserThreadStart时,它会设置结构化异常处理,这样一来线程执行期间所产生的任何异常都能得到系统的默认处理。CreateThread在函数中调用,并传递给pvParam参数。在线程函数返回时(局部的C/C++对象析构)RtlUserThreadStart函数调用ExitThread(在线程函数之外调用的,C/C++对象可以被析构),将线程函数的返回值传给它,此时线程内核对象的使用计数被递减,然后线程终止。在RtlUserThreadStart函数中线程要么执行ExitThread要么执行ExitProcess,这就是说RtluserThreadStart不能正常的返回。本身就没有其他函数调用它,也就没有返回地址。正常返回也会出错。

 

进程的主线程在初始化时它的IP也会初始化为RtlUserThreadStart函数。该函数执行时会调用C/C++运行库的启动代码,启动代码调用入口函数。注意:线程永远不会返回到RtlUserThreadStart函数中。

以前,单线程和多线程的库是分开的。之所以采取这个设计是因为标准C运行库是在1970年之后左右发明的,比多线程要早得多。那时标准C根本没有考虑到多线程的情况。采用多线程后,单线程的库这可能导致很多问题。

 

C运行库的全局变量errno,有的函数在出错时会设置该变量。如果在一个线程的函数设置过errno后被挂起,然后其他线程开始执行,新线程也有函数设置errno。那么当第一个线程返回时errno,已经不是第一个线程中的函数设置的值了。这时的errno就不在正确了。为此,必须有某种机制能够让一个线程引用它自己的errno。这仅仅证明了标准C/C++库最初不是为多线程应用程序而设计的。

 

为保证CC++应用程序正常运行,必须创建一个数据结构,并使之与使用C/C++运行库函数的每个线程关联。在调用C/C++运行库函数时,那些函数必须知道去查找主调线程的数据块,修改或访问它们,从而避免影响其他线程。

 

系统在创建新线程时,并不知道应用程序是使用C/C++来写的,也不知道你调用的函数并非天生就是线程安全的。因此在创建线程时一定不要调用操作系统的CreateProcess函数。必须调用C/C++运行库函数_beginthreadex

 

_beginThreadex函数的参数列表跟CreateThread一样,但是参数名称和类型并不完全一样。这是因为MicrosoftC/C++运行库开发组认为C/C++运行库不应该对Windows数据类型有任何的依赖。

 

_beginthreadex内部,申请了_tiddata内存块,它是在C/C++运行库的堆中分配的。传给_beginthreadex的线程函数的地址保存在_tiddata内存块中。在内部CreateThread会被调用,但是此时传给它的地址是_threadstartex而非pfnStartAddr。参数的地址是_tiddata结构的地址,而非pvParam。虽然传给CreateThread的线程函数是_threadstartex,但是跟前面介绍的一样,实际上仍然是RtlUserThreadStart先执行,然后再执行_threadstartex。所有的CreateThread都是这样处理。这一点要注意。

 

_threadstartex函数中,参数是_tiddata结构的地址,TlsSetValue是系统API。它用来将_tiddata块与新建线程关联起来。然后_callthreadstartex函数被调用。此函数处理结构化异常。由于真正的线程函数保存在_tiddata内存块中,在此函数内又会调用真正的线程函数。线程函数返回后_endthreadex被调用,该函数获取主调线程_tiddata数据块的地址,然后释放。释放后调用操作系统提供的ExitThread销毁线程。

 

整个过程弄清楚了,接下来总结一下:什么情况C/C++对象的析构函数不会调用,什么情况下_tiddata数据块不会被释放。函数执行时,局部的C/C++对象的构造函数被调用,函数返回时析构函数被调用。由于ExitThreadTerminateThread不仅仅会导致进程终止还会阻止函数返回。也就说线程函数执行到ExitThreadTerminateThread时就结束了。由于没有函数的返回局部的C/C++对象的析构函数当然没有被调用。在多线程开发时,_beginthreadex为每个线程准备了一个_tiddata数据块,用于存储局部于线程的数据,防止多线程互相影响,这个数据块是从堆中分配的。对应的应该调用_endthreadex,否则将会导致内存泄露。切不可与CreateThreadExitThreadTerminateThread混用。

 

在创建线程时应该使用_beginthreadex,经常见到CreateThread大部分情况下这是可以的。当使用CreateThread时,一个线程调用一个需要_tiddata结构的C/C++运行库函数时会发生下面的情况。首先C/C++运行库尝试取得线程数据块的地址,如果NULL被当做_tiddata数据块的地址返回,表明主调线程没有与之关联的_tiddata数据块。此时,C/C++运行库函数会为主调线程分配并初始化一个_tiddata块,然后将此块与线程关联。而且只要线程还在这个块就一直与线程进行关联。此后C/C++运行库可以使用_tiddata数据块,此后的任何C/C++运行库函数也可以使用。也就是说即使你使用CreateThreadC/C++运行库检测到NULL时,也会分配并初始化一个_tiddata块,只是在调用ExitThread时此内存块不会被调用,导致内存泄露。另一个问题是结构化异常没有就绪,当使用C/C++运行库的signal函数时将会导致进程终止。

 

一般建议使用_beginthreadex_endthreadex配合使用。

通过调用GetCurrentProcessGetCurrentThread可以获得主调进程和线程的句柄。但是它们返回的仅仅是一个伪句柄。。GetCurrentProcess返回的当前进程句柄值为-1,而GetCurrentThread返回的值为-2。它们不在句柄表中。伪句柄不能用于跨进程共享,即使传递过去也是调用其他进程或线程句柄。所以在将当前句柄进行跨进程共享时,要先经过转换。这可以通过DuplicateHandle将伪句柄转换为真正的句柄。如:

 

DuplicateHandle(

      GetCurrentProcess(),

      GetCurrentThread(),

      GetCurrentProcess(),

      &hThreadParent);


     注意该函数会导致线程句柄的使用计数加一。不使用时应调用CloseHandle关闭对该句柄的引用。。

                                         2012925于山西大同


原文链接:http://blog.csdn.net/ithzhang/article/details/8046721
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