技术演进中的开发沉思-9：window编程系列-内核对象线程同步(下)

今天我们继续走进 Windows 内核的世界，就昨天没说完的内核对象与线程同步内容接着继续，它们就像精密仪器里的齿轮，虽不显眼，却至关重要。

异步设备 I/O

在 Windows 系统中，异步设备 I/O 就像是一场精心编排的接力赛。想象一下，我们的计算机系统是一个庞大的工厂，各个设备（比如硬盘、网卡）就是工厂里忙碌的工人，而应用程序则是负责下订单的客户。当应用程序需要从硬盘读取数据时，如果采用同步 I/O，就好比客户站在工厂门口，眼巴巴地等着工人把货物一件件搬出来，在这个过程中，客户什么都做不了，只能干等。而异步 I/O 则不同，它允许客户下完订单后，不用傻等，继续去做其他事情，工厂（设备）在准备好货物后，会主动通知客户来取。

在 Windows 编程中，使用重叠 I/O（一种异步 I/O 方式）来实现这个过程。下面是一段简单的 VC++ 代码示例，展示如何使用异步 I/O 从文件中读取数据：


#include <windows.h>#include <stdio.h>int main() {HANDLE hFile = CreateFile(TEXT("test.txt"),GENERIC_READ,0,NULL,OPEN_EXISTING,FILE_FLAG_OVERLAPPED,NULL);if (hFile == INVALID_HANDLE_VALUE) {printf("Failed to open file. Error: %d\n", GetLastError());return 1;}OVERLAPPED overlapped = { 0 };overlapped.Offset = 0;overlapped.OffsetHigh = 0;overlapped.hEvent = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);DWORD bytesRead;if (!ReadFile(hFile, NULL, 0, &bytesRead, &overlapped)) {if (GetLastError() != ERROR_IO_PENDING) {printf("ReadFile failed. Error: %d\n", GetLastError());CloseHandle(hFile);CloseHandle(overlapped.hEvent);return 1;}}// 可以在等待数据读取完成的过程中做其他事情// 当数据读取完成，事件会被触发WaitForSingleObject(overlapped.hEvent, INFINITE);CloseHandle(hFile);CloseHandle(overlapped.hEvent);return 0;}

在这段代码里，CreateFile函数打开文件时设置了FILE_FLAG_OVERLAPPED标志，开启异步模式。ReadFile函数在数据未准备好时立即返回，我们通过等待overlapped.hEvent事件来得知数据是否读取完成。这样，程序就不会在读取数据时卡住，而是可以高效地利用时间，处理其他任务，就像接力赛中，下一棒选手可以提前做好准备，而不是傻傻地站在原地等待。

二、WaitForInputIdle 函数

WaitForInputIdle函数就像是一位耐心的管家。在 Windows 系统中，当我们启动一个新的进程，比如打开一个应用程序时，这个程序可能需要一些时间来初始化，加载资源、设置窗口布局等等。在这个过程中，如果我们立即对它进行操作，可能会出现混乱，就好比一个刚起床还没收拾好的人，你马上让他去接待客人，肯定会手忙脚乱。

WaitForInputIdle函数的作用就是让我们等待程序完成初始化，准备好接收用户输入后，再进行后续操作。它就像管家在门口守着，告诉我们：“先别着急进去打扰，等里面准备好了，我再通知你。” 以下是一个简单的使用示例：


#include <windows.h>#include <stdio.h>int main() {SHELLEXECUTEINFO ShExecInfo = { 0 };ShExecInfo.cbSize = sizeof(SHELLEXECUTEINFO);ShExecInfo.fMask = SEE_MASK_NOCLOSEPROCESS;ShExecInfo.hwnd = NULL;ShExecInfo.lpVerb = NULL;ShExecInfo.lpFile = TEXT("notepad.exe");ShExecInfo.lpParameters = NULL;ShExecInfo.lpDirectory = NULL;ShExecInfo.nShow = SW_NORMAL;ShExecInfo.hInstApp = NULL;if (ShellExecuteEx(&ShExecInfo)) {// 等待记事本程序准备好接收用户输入WaitForInputIdle(ShExecInfo.hProcess, INFINITE);printf("Notepad is ready for input.\n");// 可以在这里添加对记事本的操作代码CloseHandle(ShExecInfo.hProcess);} else {printf("Failed to launch Notepad. Error: %d\n", GetLastError());}return 0;}

在这段代码中，我们使用ShellExecuteEx函数启动记事本程序，然后调用WaitForInputIdle函数等待记事本完成初始化。只有当记事本准备就绪，程序才会继续执行后续操作，这就避免了因过早操作而可能引发的问题，让整个过程更加顺畅、有序。

三、MsgWaitForMultipleObjects（ex）函数

MsgWaitForMultipleObjects（ex）函数就像是一个忙碌的交通指挥员，它负责管理多个内核对象和消息队列。在 Windows 系统中，我们的程序可能会创建多个线程，每个线程可能有自己的任务，同时，程序还需要处理各种消息（比如用户的鼠标点击、键盘输入）。这些线程和消息就像道路上川流不息的车辆，如果没有一个好的指挥，很容易造成混乱和拥堵。

MsgWaitForMultipleObjects（ex）函数可以同时等待多个内核对象（比如事件、信号量）变为有信号状态，并且在等待过程中，还能处理消息队列中的消息。它会根据不同的情况，决定是继续等待内核对象，还是先处理消息，就像交通指挥员根据道路情况，灵活地指挥车辆通行，保证整个系统的流畅运行。下面是一个简单的示例代码：


#include <windows.h>#include <stdio.h>DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter) {// 模拟线程执行任务for (int i = 0; i < 5; ++i) {printf("Thread is working...\n");Sleep(1000);}// 线程完成任务后设置事件HANDLE hEvent = (HANDLE)lpParameter;SetEvent(hEvent);return 0;}int main() {HANDLE hEvent = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);HANDLE hThread = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, (LPVOID)hEvent, 0, NULL);DWORD result = MsgWaitForMultipleObjects(1,&hEvent,FALSE,INFINITE,QS_ALLINPUT);if (result == WAIT_OBJECT_0) {printf("Thread completed its task.\n");} else {printf("Error occurred. Result: %d\n", result);}CloseHandle(hThread);CloseHandle(hEvent);return 0;}

在这个示例中，我们创建了一个线程和一个事件。MsgWaitForMultipleObjects函数等待事件hEvent变为有信号状态，同时在等待过程中，它还会处理消息队列中的消息。当线程完成任务并设置事件后，MsgWaitForMultipleObjects函数就会返回，程序继续执行后续操作，整个过程有条不紊，就像交通指挥员让车辆顺利通过繁忙的路口。

四、WaitForDebugEvent 函数

WaitForDebugEvent函数就像一位严谨的质检员，专门负责监控和调试程序的运行状态。在软件开发过程中，程序难免会出现各种问题，就像生产线上的产品可能会有瑕疵。WaitForDebugEvent函数可以帮助我们捕获程序运行时的各种事件（比如断点命中、异常抛出），就像质检员仔细检查每一个产品，不放过任何一个可能存在的问题。

当我们使用调试器调试程序时，WaitForDebugEvent函数会等待调试事件的发生。一旦有调试事件出现，它就会通知调试器进行相应的处理，比如暂停程序执行、查看变量值等。以下是一个简单的调试示例代码框架：


#include <windows.h>#include <stdio.h>int main() {STARTUPINFO si = { sizeof(si) };PROCESS_INFORMATION pi;if (!CreateProcess(NULL,TEXT("test.exe"),NULL,NULL,FALSE,DEBUG_PROCESS,NULL,NULL,&si,&pi)) {printf("Failed to create process. Error: %d\n", GetLastError());return 1;}DEBUG_EVENT debugEvent;while (WaitForDebugEvent(&debugEvent, INFINITE)) {// 处理调试事件switch (debugEvent.dwDebugEventCode) {case EXCEPTION_DEBUG_EVENT:// 处理异常事件break;case CREATE_PROCESS_DEBUG_EVENT:// 处理进程创建事件break;// 其他类型的调试事件处理default:break;}ContinueDebugEvent(debugEvent.dwProcessId, debugEvent.dwThreadId, DBG_CONTINUE);}CloseHandle(pi.hProcess);CloseHandle(pi.hThread);return 0;}

在这段代码中，我们使用CreateProcess函数以调试模式启动一个程序（这里假设为test.exe），然后通过WaitForDebugEvent函数循环等待调试事件的发生。一旦捕获到调试事件，就根据事件类型进行相应的处理，处理完后使用ContinueDebugEvent函数让程序继续执行。这就像质检员发现产品问题后，进行记录和处理，确保产品质量符合要求，帮助开发者找到并解决程序中的问题。

五、SignalObjectAndWait 函数

SignalObjectAndWait函数就像一位默契的桥梁搭建者，它在两个内核对象之间建立起一种特殊的联系，实现原子操作。想象一下，有两个任务，一个任务完成后需要通知另一个任务开始执行，同时还要确保在通知的过程中，不会出现其他干扰，保证整个过程的原子性（即要么都完成，要么都不完成）。

SignalObjectAndWait函数可以先将一个内核对象（比如事件）设置为有信号状态，然后立即等待另一个内核对象变为有信号状态。在这个过程中，它会确保设置信号和等待信号这两个操作是连续进行的，不会被其他线程打断。以下是一个示例代码：


#include <windows.h>#include <stdio.h>int main() {HANDLE hEvent1 = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);HANDLE hEvent2 = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);// 启动一个线程，等待hEvent1变为有信号状态HANDLE hThread = CreateThread(NULL, 0, [](LPVOID lpParameter) -> DWORD {WaitForSingleObject((HANDLE)lpParameter, INFINITE);printf("Thread received signal and started working.\n");// 线程完成任务后设置hEvent2为有信号状态SetEvent((HANDLE)((DWORD_PTR)lpParameter + 1));return 0;}, (LPVOID)hEvent1, 0, NULL);// 主线程等待一段时间后，使用SignalObjectAndWait函数Sleep(2000);SignalObjectAndWait(hEvent1, hEvent2, INFINITE, FALSE);printf("Main thread completed the operation.\n");CloseHandle(hThread);CloseHandle(hEvent1);CloseHandle(hEvent2);return 0;}

在这个示例中，主线程使用SignalObjectAndWait函数先将hEvent1设置为有信号状态，通知线程开始执行任务，然后等待hEvent2变为有信号状态，即等待线程完成任务。整个过程通过SignalObjectAndWait函数实现了任务之间的有序协作，就像桥梁搭建者在两个地点之间建起一座稳固的桥梁，让任务的传递和执行更加顺畅、可靠。

六、使用等待链遍历 API 来检测死锁

在多线程编程中，死锁是一个令人头疼的问题，就像道路上车辆相互卡住，谁也动不了，导致整个系统陷入僵局。而使用等待链遍历 API 来检测死锁，就像一位敏锐的故障侦探，能够及时发现这些潜在的问题。

死锁通常发生在多个线程互相等待对方释放资源的情况下。等待链遍历 API 可以帮助我们检查线程之间的等待关系，通过分析等待链，找出是否存在循环等待的情况，从而判断是否发生了死锁。下面是一个简单的死锁检测示例代码框架（实际应用中会更复杂）：


#include <windows.h>#include <stdio.h>// 模拟两个线程竞争资源可能导致死锁的情况DWORD WINAPI Thread1Proc(LPVOID lpParameter) {HANDLE hMutex1 = (HANDLE)((DWORD_PTR)lpParameter);HANDLE hMutex2 = (HANDLE)((DWORD_PTR)lpParameter + 1);WaitForSingleObject(hMutex1, INFINITE);Sleep(1000);WaitForSingleObject(hMutex2, INFINITE);ReleaseMutex(hMutex2);ReleaseMutex(hMutex1);return 0;}DWORD WINAPI Thread2Proc(LPVOID lpParameter) {HANDLE hMutex1 = (HANDLE)((DWORD_PTR)lpParameter);HANDLE hMutex2 = (HANDLE)((DWORD_PTR)lpParameter + 1);WaitForSingleObject(hMutex2, INFINITE);Sleep(1000);WaitForSingleObject(hMutex1, INFINITE);ReleaseMutex(hMutex1);ReleaseMutex(hMutex2);return 0;}int main() {HANDLE hMutex1 = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);HANDLE hMutex2 = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, Thread1Proc, (LPVOID)hMutex1, 0, NULL);HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, Thread2Proc, (LPVOID)hMutex1, 0, NULL);// 模拟等待一段时间后进行死锁检测Sleep(3000);// 这里可以使用等待链遍历API进行死锁检测，实际代码会更复杂// 为简化说明，暂不展开具体检测代码CloseHandle(hThread1);CloseHandle(hThread2);CloseHandle(hMutex1);CloseHandle(hMutex2);return 0;}

在这个示例中，两个线程Thread1Proc和Thread2Proc以不同的顺序获取互斥锁hMutex1和hMutex2，很可能会导致死锁。在实际应用中，我们可以使用等待链遍历 API 来检测线程之间的等待关系，一旦发现存在循环等待的情况，就可以判断发生了死锁，并及时采取措施进行处理，就像侦探发现案件线索后，迅速展开调查并解决问题，保证系统的正常运行。

最后小结:

在我眼里，异步设备 I/O 如接力赛，通过重叠 I/O 实现异步读取，让程序在等待数据时能处理其他任务；WaitForInputIdle函数像耐心管家，确保新启动程序完成初始化后再接收操作，避免混乱；MsgWaitForMultipleObjects（ex）函数是忙碌的交通指挥员，兼顾多个内核对象与消息队列，维持系统运行秩序。

WaitForDebugEvent函数如同严谨质检员，在程序调试时捕获各类事件，助力开发者定位问题；SignalObjectAndWait函数是默契的桥梁搭建者，实现内核对象间原子操作，保障任务有序协作；等待链遍历 API 则像敏锐的故障侦探，通过分析线程等待关系检测死锁，保障系统稳定。今天的内容就到这里吧！下一节，我们将梳理一下windows中很重要I/O相关的问题，未完待续.........