Windows下线程的创建与使用(win32-API)

一、前言

线程是比进程更轻量级的执行单元，允许在一个进程中并发执行多个控制流。每一个线程都有自己的程序计数器、寄存器集和栈空间，但它们共享所属进程的全局数据和资源。这种共享内存模型使线程间的通信比进程间通信更为高效，同时也带来了潜在的同步问题，如死锁和竞态条件，需要通过适当的同步机制来解决。

在程序设计中，线程能够显著提高程序的响应速度和资源利用率，特别是在处理CPU密集型或IO密集型任务时。例如，一个图形用户界面（GUI）应用程序可以使用一个线程处理用户输入，而另一个线程执行耗时的计算或网络请求，这样可以避免UI冻结，保持良好的用户体验。线程还常用于实现并行算法，加快大数据处理、图像渲染等任务的执行速度。

在Windows环境下，C语言可以通过调用Win32 API中的CreateThread函数来创建和管理线程。CreateThread函数允许你指定线程的入口点（即线程函数）、线程的优先级、堆栈大小等参数。

以下是一个使用CreateThread函数创建线程的简单示例：

#include <windows.h>
#include <stdio.h>// 线程函数
DWORD WINAPI ThreadFunction(LPVOID lpParam)
{int id = *(int *)lpParam;printf("Hello from thread %d\n", id);return 0;
}int main()
{HANDLE hThread;DWORD threadID;int threadParameter = 1;// 创建线程hThread = CreateThread(NULL,                   // 默认的安全属性0,                      // 使用默认堆栈大小ThreadFunction,         // 线程函数&threadParameter,       // 传递给线程函数的参数0,                      // 创建标志，0表示立即启动&threadID);             // 返回线程IDif (hThread == NULL){printf("Error creating thread. Error code: %d\n", GetLastError());return 1;}// 等待线程结束WaitForSingleObject(hThread, INFINITE);// 关闭线程句柄CloseHandle(hThread);return 0;
}

在这个示例中，CreateThread函数接收多个参数，包括一个线程函数指针、一个指向线程参数的指针、线程的创建标志等。当线程创建成功后，CreateThread函数返回一个句柄，这个句柄可以用于后续的线程控制操作，如等待线程结束、终止线程或查询线程状态。

通过这种方式，C语言程序员可以在Windows平台上利用多线程编程，有效地提高程序性能和响应能力，同时解决复杂的问题域。多线程编程同时也带来了同步和死锁等问题，需要开发者采用合适的同步机制，如互斥量、信号量、临界区等，以确保线程安全和程序的正确性。

二、实操案例

2.1 CreateThread函数

CreateThread函数是Windows API中用于创建新线程的核心函数。在C或C++语言中，可以从一个现有的进程中启动一个新的执行流。

下面详细介绍了CreateThread函数的原型和每个参数的意义：

HANDLE CreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, // 线程安全性属性SIZE_T                dwStackSize,        // 线程堆栈大小LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,    // 线程函数的入口点LPVOID                lpParameter,        // 传递给线程函数的参数DWORD                 dwCreationFlags,    // 创建线程的标志LPDWORD               lpThreadId          // 输出参数，接收线程ID
);

• lpThreadAttributes: 是一个指向SECURITY_ATTRIBUTES结构的指针，用于指定线程的安全属性，比如权限和安全描述符。如果你不需要特别的安全设置，通常可以传递NULL。

• dwStackSize: 是一个SIZE_T类型的值，用来指定新线程的堆栈大小（以字节为单位）。如果设置为0，则使用系统的默认堆栈大小。

• lpStartAddress: 是一个LPTHREAD_START_ROUTINE类型的指针，指向线程的起始函数。这是一个回调函数，当线程开始执行时会被调用。这个函数的原型通常如下：

  DWORD WINAPI ThreadFunction(LPVOID lpParameter);
  

  其中lpParameter是在CreateThread调用中传递的参数。

• lpParameter: 是一个LPVOID类型的指针，可以用来向线程函数传递参数。这个参数会被直接传递给lpStartAddress所指向的函数。

• dwCreationFlags: 是一个DWORD类型的值，用于指定线程创建的标志。常见的标志包括：

  • 0: 立即开始执行线程。
  • CREATE_SUSPENDED: 创建线程但不立即执行它。线程处于挂起状态，可以通过ResumeThread函数恢复执行。

• lpThreadId: 是一个指向DWORD类型的指针，CreateThread成功创建线程后，会将线程的唯一标识符（ID）写入这个指针所指向的位置。这个ID可以用于后续的线程管理和控制。

CreateThread函数的返回值是一个HANDLE类型的值，这是新创建线程的句柄。这个句柄可以用于后续的线程控制操作，比如WaitForSingleObject（等待线程结束）、TerminateThread（终止线程）或ResumeThread（恢复挂起的线程）。

一旦线程完成执行，或被终止，线程对象仍然存在，直到CloseHandle函数被调用来释放它。因此，在使用CreateThread创建线程后，记得在适当的时候调用CloseHandle来清理资源。

2.2 案例1：创建多个线程同时运行

开发环境：在Windows下安装一个VS即可。我当前采用的版本是VS2020。

在C语言中使用多线程，尤其是使用Windows API进行多线程编程，涉及创建和管理多个线程来并发执行任务。

下面代码，演示了如何在C语言中创建多个线程，并让它们同时运行，每个线程执行简单的打印操作。此代码将创建五个线程，每个线程都会打印一条消息。

#include <windows.h>
#include <stdio.h>// 线程函数
DWORD WINAPI PrintMessage(LPVOID lpParam)
{int id = (int)lpParam;printf("Hello from thread ID: %d\n", id);return 0;
}int main()
{HANDLE hThreads[5]; // 数组用于保存所有线程的句柄DWORD threadIDs[5]; // 数组用于保存所有线程的ID// 创建五个线程for (int i = 0; i < 5; i++){hThreads[i] = CreateThread(NULL,                   // 默认安全属性0,                      // 使用默认堆栈大小PrintMessage,           // 线程函数(LPVOID)(i + 1),        // 传递给线程函数的参数0,                      // 创建标志，0表示立即启动&threadIDs[i]);         // 返回线程IDif (hThreads[i] == NULL){printf("Failed to create thread %d.\n", i);return 1;}}// 等待所有线程结束for (int i = 0; i < 5; i++){WaitForSingleObject(hThreads[i], INFINITE);}// 关闭所有线程句柄for (int i = 0; i < 5; i++){CloseHandle(hThreads[i]);}return 0;
}

在这段代码中，PrintMessage函数是每个线程将要执行的任务。它接收一个LPVOID类型的参数，这个参数是在CreateThread函数中传递的。在这个例子中，我们传递了一个整数i+1作为参数，这使得每个线程都有一个唯一的ID。

main函数中，我们使用一个循环来创建五个线程。每个线程的句柄被存储在hThreads数组中，而每个线程的ID则存储在threadIDs数组中。CreateThread函数的最后一个参数&threadIDs[i]是一个指向数组元素的指针，用于接收新创建线程的ID。

在所有线程创建完毕后，再次使用一个循环来等待所有线程结束。WaitForSingleObject函数用于阻塞当前线程，直到指定的线程结束。由于我们使用INFINITE作为超时值，这意味着WaitForSingleObject将一直等待，直到指定的线程确实结束。

最后，使用另一个循环来关闭所有线程的句柄，这是必要的资源清理步骤，以避免资源泄漏。

2.3 案例2：多线程处理并发处理网络请求

开发环境：在Windows下安装一个VS即可。我当前采用的版本是VS2020。

创建一个使用子线程并发处理客户端连接的TCP服务器是一个典型的多线程编程场景。以下是一个使用C语言和Windows Socket API（Winsock）的示例代码，展示了如何创建一个TCP服务器，该服务器在接收到客户端连接时，为每个客户端创建一个子线程来处理通信。

以下是一个示例：

#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")#define SERVER_PORT 27015
#define BUFFER_SIZE 1024// 子线程函数，用于处理客户端连接
DWORD WINAPI ClientHandler(LPVOID clientSocket)
{SOCKET sock = (SOCKET)clientSocket;char buffer[BUFFER_SIZE];int bytesReceived;while ((bytesReceived = recv(sock, buffer, BUFFER_SIZE, 0)) > 0){buffer[bytesReceived] = '\0';printf("Received from client: %s\n", buffer);send(sock, buffer, bytesReceived, 0);}if (bytesReceived == SOCKET_ERROR){printf("recv failed with error: %d\n", WSAGetLastError());}else if (bytesReceived == 0){printf("Client disconnected\n");}closesocket(sock);return 0;
}int main(int argc, char* argv[])
{WSADATA wsaData;SOCKET serverSocket;struct addrinfo hints, *result, *ptr;int iResult;HANDLE hThread;// 初始化WinsockiResult = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);if (iResult != 0){printf("WSAStartup failed: %d\n", iResult);return 1;}ZeroMemory(&hints, sizeof(hints));hints.ai_family = AF_UNSPEC;hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;hints.ai_protocol = IPPROTO_TCP;hints.ai_flags = AI_PASSIVE;// 解析服务器地址和端口iResult = getaddrinfo(NULL, "27015", &hints, &result);if (iResult != 0){printf("getaddrinfo failed: %d\n", iResult);WSACleanup();return 1;}// 创建服务器套接字ptr = result;serverSocket = socket(ptr->ai_family, ptr->ai_socktype, ptr->ai_protocol);if (serverSocket == INVALID_SOCKET){printf("socket failed with error: %ld\n", WSAGetLastError());freeaddrinfo(result);WSACleanup();return 1;}// 绑定套接字iResult = bind(serverSocket, ptr->ai_addr, (int)ptr->ai_addrlen);if (iResult == SOCKET_ERROR){printf("bind failed with error: %d\n", WSAGetLastError());freeaddrinfo(result);closesocket(serverSocket);WSACleanup();return 1;}freeaddrinfo(result);// 开始监听iResult = listen(serverSocket, SOMAXCONN);if (iResult == SOCKET_ERROR){printf("listen failed with error: %d\n", WSAGetLastError());closesocket(serverSocket);WSACleanup();return 1;}printf("Server is ready to accept connections...\n");while (1){SOCKET clientSocket = accept(serverSocket, NULL, NULL);if (clientSocket == INVALID_SOCKET){printf("accept failed: %d\n", WSAGetLastError());break;}// 创建子线程来处理客户端连接hThread = CreateThread(NULL, 0, ClientHandler, (LPVOID)clientSocket, 0, NULL);if (hThread == NULL){printf("CreateThread failed with error: %d\n", GetLastError());closesocket(clientSocket);continue;}CloseHandle(hThread);}// 清理closesocket(serverSocket);WSACleanup();return 0;
}

这段代码初始化Winsock，创建一个监听特定端口的TCP服务器。每当有客户端连接时，服务器就创建一个新的线程来处理该客户端的通信。在子线程中，ClientHandler函数接收来自客户端的数据，将其打印出来，并将同样的数据回传给客户端。

由于CreateThread函数创建的线程默认是守护线程（非前台线程），因此主线程结束时，子线程也将被终止。在上面的代码中，CloseHandle函数被用来关闭线程句柄，但这并不意味着线程立即结束，它只是释放了主线程对线程句柄的引用。