当printf遇到多线程

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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：
[cpp] 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：

[cpp] 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：

[cpp] 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：

[cpp] 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：

[cpp] 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：

[cpp] 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：

[cpp] 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：

[cpp] 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。

  

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