llt4078067 发表于 2012-8-21 20:33:11

当printf遇到多线程

一、本文背景
printf()这个函数我想大家再熟悉不过了,可是对于如何在多线程中使用printf(),各位可能就没怎么接触过了。本文以VC6.0为开发平台,旨在利用多线程完成一个最简单的任务:在屏幕上一直输出”Hello,world!”。因为个人水平有限,本文涉及的内容非常肤浅,不过我还是尽量将原理讲清楚,希望对初学者略有帮助。
为了提高大家的兴趣、降低理解难度,文章的结构也是几经修改。考虑到本文阅读者可能对于多线程不怎么了解,本文将首先介绍Win32多线程编程。
二、多线程概述
2.1 进程与线程
在操作系统中,一个进程就是一个程序的实例。当你双击打开一个程序之后,实际上就启动了一个进程。该进程将程序代码装载至RAM,并运行、管理该实例。而线程是进程的最小分割,好比运行一个盖楼房的程序进程,需要各有分工,有的人打地基,有的人刷水泥,有的人搬材料一样。这里,每一个人都是一个线程。相比单线程(一个人盖楼房),多线程(几个人配合盖楼房)可以显著提高系统运行的效率。线程彼此独立工作,却有相关性,比如打地基的要等搬材料的把材料运过来,才可以施工。这就说明,线程之间有时需要彼此配合完成任务,这就需要进程间通讯(IPC)。
2.2 Windows多线程编程
在Windows下使用多线程,实际上就是通过调用Windows提供的应用程序接口API来完成特定任务。其中,最基本的是创建一个多线程,该函数的原型为:
view plaincopyprint?
HANDLE CreateThread(   
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,// pointer to security attributes   
DWORD dwStackSize,                         // initial thread stack size   
LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,   // pointer to thread function   
LPVOID lpParameter,                        // argument for new thread   
DWORD dwCreationFlags,                     // creation flags   
LPDWORD lpThreadId                         // pointer to receive thread ID   
);
HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, // pointer to security attributes DWORD dwStackSize, // initial thread stack size LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, // pointer to thread function LPVOID lpParameter, // argument for new thread DWORD dwCreationFlags, // creation flags LPDWORD lpThreadId // pointer to receive thread ID );

其中:
lpThreadAttributes决定是否能被子线程继承,一般为NULL;
DwStackSize决定任务的堆栈大小,一般设为0,既由操作系统管理;
lpStartAddress是一个函数指针,填写线程函数名称;
lpParameter是传递给线程的参数;
dwCreationFlags是线程的创建属性,可设置为CREATE_SUSPENDED,即初始化时挂起;
lpThreadId决定线程的ID号。
一个线程实际上就是一个函数的实例,该线程拷贝了线程函数的代码而执行,所以多个线程可以运行同一个线程函数。使用相同线程函数的不同线程,可以通过传递不同的lpParameter来决定其各自的特殊任务。线程函数的原型如下:

view plaincopyprint?
DWORD WINAPI ThreadProc(
   LPVOID lpParameter   // thread data   
);
DWORD WINAPI ThreadProc( LPVOID lpParameter // thread data);

WINAPI表示这是一个WINAPI函数,ThreadProc是函数名,可任意修改,lpParameter为创建线程时传递的参数,实际上为VOID *型。
三、printf你怎么了
有了以上的知识,我们现在可以开始完成我们的任务:利用多线程完成最经典的”Hello,world!”程序。在这里,我们创建两个任务:Thread1_Proc()和Thread2_Proc(),其中Thread1_Proc()用于完成输出”Hello,”,Thread2_Proc()用于完成输出”World!\n”。
首先,我们打开VC6.0,创建一个Win32 Console程序。打开main.c,在开始处添加:

view plaincopyprint?
#include <windows.h>
#include <windows.h>

这是因为,我们需要使用到Windows的API函数。
在main()函数中,新建两个线程:

view plaincopyprint?
int main(int argc, char* argv[]) {
    DWORD nID;
    CreateThread(NULL, 0, Thread1_Proc, NULL, 0, NULL);
    CreateThread(NULL, 0, Thread2_Proc, NULL, 0, NULL);
    while(1)
    {
      ;
    }
    return 0;
}
int main(int argc, char* argv[]) { DWORD nID; CreateThread(NULL, 0, Thread1_Proc, NULL, 0, NULL); CreateThread(NULL, 0, Thread2_Proc, NULL, 0, NULL); while(1) { ; } return 0;}

在创建完线程后,main函数无限循环。线程函数的形式如下:

view plaincopyprint?
DWORD WINAPI Thread1_Proc(PVOID pvParam)
{
    while(1)
    {
      printf("Hello,");
      Sleep(50);
    }
}

DWORD WINAPI Thread2_Proc(PVOID pvParam)
{
    while(1)
    {
      printf("World!\n");
      Sleep(50);
    }
}
DWORD WINAPI Thread1_Proc(PVOID pvParam){ while(1) { printf("Hello,"); Sleep(50); }}DWORD WINAPI Thread2_Proc(PVOID pvParam){ while(1) { printf("World!\n"); Sleep(50); }}

点击”编译全部”,之后按F5进入调试模式。
出现了如下的结果:



乍一眼看上去,好像没什么问题啊。不过再仔细看看,大部分结果都是不正确的,有时候几个Hello之后才有一个World,有时Hello和World交叉在了一起,变成了HlWelloorHld。这是怎么回事呢?我们熟悉的printf怎么变成了这个样子。
四、printf为何不听话
printf是大家学习C语言时最常使用的输出语句,但所谓越好用的东西也是越难懂的东西。一个小小的printf,暗藏多少杀机。考虑到Windows实现的复杂性,我们用一个Keil下的printf驱动来说明问题:

view plaincopyprint?
int _sys_write (FILEHANDLE fh, const U8 *buf, U32 len, int mode) {
    if (fh == STDOUT) {
      for (; len; len--) {
          sendchar (*buf++);
      }
      return (0);
    }
}

int sendchar (int ch) {
    if (ch == '\n') {
      while (!(USART1->SR & USART_FLAG_TXE));
      USART1->DR = '\r';
    }
    while (!(USART1->SR & USART_FLAG_TXE));
    return (USART1->DR = (ch & 0x1FF));
}
int _sys_write (FILEHANDLE fh, const U8 *buf, U32 len, int mode) { if (fh == STDOUT) { for ( ; len; len--) { sendchar (*buf++); } return (0); }}int sendchar (int ch) { if (ch == '\n') { while (!(USART1->SR & USART_FLAG_TXE)); USART1->DR = '\r'; } while (!(USART1->SR & USART_FLAG_TXE)); return (USART1->DR = (ch & 0x1FF));}

该函数的实现分为两部分,第一部分是发送字符串int_sys_write(),第二部分是发送单个字符sendchar(),第一部分依赖第二部分实现。所以实际当输出Hello,world时,不是一起发送出去的,而是一位接一位的交给标准输出:H-e-l-l-o-,-w-o-r-l-d-!。所以如果正在发送过程中插入了其他发送请求,就会出现输出紊乱的现象。
五、如何让printf乖乖听话
实际上这个问题的关键就是资源。无论printf的输出对象是屏幕还是串口,同一时刻只能有一个线程访问该资源。为了对这个资源加以控制,避免两个线程同时访问,就要使用线程间通讯(IPC)技术。在这里,我们使用临界段技术,所谓临界段就是规定一个区域,在有线程占用这个区域时,其他线程就不能够访问。修改后的线程代码为:

view plaincopyprint?
DWORD WINAPI Thread1_Proc(PVOID pvParam)
{
    while(1)
    {
      EnterCriticalSection(&cs);
      printf("Hello,");
      LeaveCriticalSection(&cs);
      Sleep(50);
    }
}
DWORD WINAPI Thread1_Proc(PVOID pvParam){ while(1) { EnterCriticalSection(&cs); printf("Hello,"); LeaveCriticalSection(&cs); Sleep(50); }}

再一次编译-运行,好了,这下总该正常了吧?其实还没有:



从图中可以看到,经过修改后的程序不会再出现Hello和World交错的问题,但是却并不是挨个输出,有时一个Hello要有多个World。这是因为虽然资源的问题解决了,但是两个任务间却还没有同步。
这里,我只简单的使用了全局标志来实现互锁,其他实现方法,如EVENT读者可以自己探究。
完整的代码如下:

view plaincopyprint?
#include "stdafx.h"   
#include "windows.h"   
CRITICAL_SECTION cs;
BOOL flag;
DWORD WINAPI Thread1_Proc(PVOID pvParam)
{
    while(1)
    {
      while (flag==1);
      EnterCriticalSection(&cs);
      printf("Hello,");
      LeaveCriticalSection(&cs);
      flag = 1;
      Sleep(50);
    }
}

DWORD WINAPI Thread2_Proc(PVOID pvParam)
{
    while(1)
    {
      while (flag==0);
      EnterCriticalSection(&cs);
      printf("World!\n");
      LeaveCriticalSection(&cs);
      flag = 0;
      Sleep(50);
    }
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    InitializeCriticalSection(&cs);
    CreateThread(NULL, 0, Thread1_Proc, NULL, 0, NULL);
    CreateThread(NULL, 0, Thread2_Proc, NULL, 0, NULL);
    while(1)
    {
      ;
    }
    DeleteCriticalSection(&cs);
    return 0;
}
#include "stdafx.h"#include "windows.h"CRITICAL_SECTION cs;BOOL flag;DWORD WINAPI Thread1_Proc(PVOID pvParam){ while(1) { while (flag==1); EnterCriticalSection(&cs); printf("Hello,"); LeaveCriticalSection(&cs); flag = 1; Sleep(50); }}DWORD WINAPI Thread2_Proc(PVOID pvParam){ while(1) { while (flag==0); EnterCriticalSection(&cs); printf("World!\n"); LeaveCriticalSection(&cs); flag = 0; Sleep(50); }}int main(int argc, char* argv[]){ InitializeCriticalSection(&cs); CreateThread(NULL, 0, Thread1_Proc, NULL, 0, NULL); CreateThread(NULL, 0, Thread2_Proc, NULL, 0, NULL); while(1) { ; } DeleteCriticalSection(&cs); return 0;}

六、printf 在uCOSII中
对于所有的多任务系统,理论上都存在以上问题。在uCOSII中,为了避免以上问题的出现,专门使用了Mutex互斥量来解决资源抢占的问题。有兴趣的读者可以参考uCOSII的相关书籍。
七、结语
随着电子技术的不断发展,处理器的性能越来越高,即使是单片机也在逐渐告别裸奔的时代。所以了解多任务系统,了解多线程编程与传统编程的区别,是非常重要且迫切的。printf是最基本的一个函数,如何去用,何时能用,大家都要心中有数,才不至于在小沟处翻大船。


lukelqz 发表于 2012-8-21 21:23:49

{:5_106:}膜拜

赖赖 发表于 2013-5-15 18:14:12

强烈支持楼主ing……

cqk2980 发表于 2013-5-16 16:30:10

无回帖,不论坛,这才是人道。
页: [1]
查看完整版本: 当printf遇到多线程