第8章 多线程程序设计技术
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图8-1 并发模型工作原理图 8
将一个接受的连接递交给另外一个套接字的方法很简
单，只要利用accept()函数的返回值即可，程序代码如下：
SOCKET m_socket,
//the socket for waiting
connection
AcceptSocket; //the socket for accepting a
第8章 多线程程序设计技术
8.1 服务器线程模型 8.2 多线程应用环境 8.3 线程基本操作函数 8.4 线程同步 8.5 并发线程模型服务器设计 8.6 完成端口服务器设计 小结
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通过前面几章的学习，读者已经基本掌握了在主要几 种网络协议下，进程之间进行网络数据通信的程序设计的 基本方法。然而，实际的网络服务程序的开发设计要复杂 得多，需要运用一些辅助技术，例如处理并发服务的多线 程技术、快速开发网络程序的封装技术等。因此，从本章 开始将陆续介绍一些网络编程的相关技术。
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8.1 服务器线程模型
网络服务器设计可以采用两种线程模型，即串行模型 和并发模型。
串行模型采用单个线程等待客户端的请求，当请求到 来时，该线程醒来并处理请求，这种模型可以应用于简单 的服务器程序，其优点是服务器接受的请求比较少，而且 请求能被很快地处理。
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串行模型的缺点也十分明显，当多个客户端同时向服务器 发出请求时，这些请求必须依次被接受，并且后一个请求 总是在前一个请求处理完毕后才能被接受。然而，在网络 服务应用程序工作中，随时可能面临为多个不同时间到达 的请求提供服务的局面(互联网上几乎所有服务程序都面临 这样的问题)，显然，这种局面是串行模型无法应对的。
在C/S工作模式下，总是少量的服务器为众多的、数量 不可预测的多个客户端服务。客户端服务请求的到达不但 难以预测，而且具有显著的并发性，为此服务器必须设计 成能够服务于并发请求，且具有伸缩性。
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本章将从多线程概念入手，介绍可伸缩服务，继而介绍线 程同步的方法以及完成端口技术。本章内容多使用在服务 器端，因此在程序设计的方法介绍上更加侧重于服务器编 程。
connection
…
AcceptSocket=accept(m_socket,NULL,NULL);
程序中的m_socket用于主线程监听网络连接，
Aቤተ መጻሕፍቲ ባይዱceptSocket用于接收一个m_socket已经接受的网络连接，
更详细的代码可以参考8.5节中的程序示例。
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8.2 多线程应用环境
多线程是指程序中包含多个执行流，即在一个程序中 可以同时运行多个不同的执行路径(线程)来执行不同的任 务，也就是说，允许单个程序创建多个并行执行的子程序 来完成各自的任务。例如，一个公司里有很多各司其职的 职员，那么可以认为这个正常运作的公司就是一个进程， 而公司里的职员就是线程。公司(进程)作为一个功能整体 完成某一宏观任务，而员工在这个整体框架下，各负其责 完成自己的工作。
多线程程序设计通过分割、组织工作任务，合理利用 了任务的阻塞时间，有效地提高了程序的运行效率，但是 本质上它并没有提升硬件设备本身的性能，因此并不是任 何场合都适用，归纳起来它能够适合以下几种编程环境：
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(1) 通过网络(例如，与Web服务器、数据库或远程对 象)进行通信；
(2) 执行需要较长时间因而可能导致 UI 冻结的本地操 作；
(3) 区分各种优先级的任务； (4) 提高应用程序启动和初始化的性能。 进行多线程程序设计时应当注意：线程越多，占用内 存也越多，线程之间需要协调和管理，对共享资源的访问 会相互影响，太多的线程会导致控制复杂和系统不稳定(线 程之间的切换会耗费大量的CPU计算时间)。这些都是使用 多线程时的不利因素，因此应当慎重。
为了解决串行模型存在的问题，可以使用并发模型。 并发模型使用单个线程等待客户端请求，当请求到来时， 创建新线程来处理请求。等待客户请求的线程继续等待另 一个客户端请求，新线程完成请求处理。当新线程处理完 客户端请求后，随即退出。
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由于并发模型为每个客户端都会创建一个新的线程，客户 端请求能够很快地被处理，并且每个客户端请求都有自己 的线程，因此服务效率要明显好于串行模型，且基于并发 模型的服务器程序具有良好的伸缩性，当升级硬件时，服 务器程序的性能可以得到提高。
下面以WinSock的面向连接服务器编程为例，说明并 发模型的工作原理(如图8-1所示)。
首先安排主线程作为监听线程(执行路径)，创建一个 套接字监听客户端的连接请求。当有一个连接请求到达时， 让主线程创建一个新的套接字。
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监听套接字将接受的客户端连接递交给新的套接字，然后 创建一个线程并由该线程提供具体的服务，而主线程继续 监听来自客户端的连接请求。线程服务结束后，释放资源。 当主线程再次收到下一个连接请求时(前面线程的服务不一 定结束)，再创建一个新套接字接收连接请求，并创建相应 线程提供服务。依次类推，从而实现服务器的并行服务。 这样不但满足了少量服务器端为多个客户端服务的需求， 也为各个用户数据传输的独立性提供了保证，可以说是对 并发服务请求问题的初步解决(更深层次的问题讨论参见8.6 节)。
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一个公司至少得有一个职员，同理，一个进程至少包含一 个线程(事实上目前几乎已经没有单线程的网络商业应用软 件)，浏览器就是一个很好的多线程的例子。在浏览器中， 用户可以同时完成下载Java小应用程序或图像、滚动页面、 播放动画和声音、打印文件等，就是基于多线程技术实现 的。多线程的使用可以提高CPU的利用率，这是因为在多 线程程序中，当一个线程必须等待时，CPU可以运行其他 的线程而不是等待，从而大大提高了程序的效率。
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8.3 线程基本操作函数
线程在操作系统中的存在有多种状态，好比人的生老 病死，相对应于初始态、可运行态、阻塞/非可运行态和死 亡态等四种状态。程序设计中，进入或改变这些状态需要 一些函数的支持，学会运用这些函数也就掌握了多线程的 编程技术。Windows为用户提供了完备的基本线程操作， 下面具体来看一下这些基本线程操作函数。
图8-1 并发模型工作原理图 8
将一个接受的连接递交给另外一个套接字的方法很简
单，只要利用accept()函数的返回值即可，程序代码如下：
SOCKET m_socket,
//the socket for waiting
connection
AcceptSocket; //the socket for accepting a
第8章 多线程程序设计技术
8.1 服务器线程模型 8.2 多线程应用环境 8.3 线程基本操作函数 8.4 线程同步 8.5 并发线程模型服务器设计 8.6 完成端口服务器设计 小结
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通过前面几章的学习，读者已经基本掌握了在主要几 种网络协议下，进程之间进行网络数据通信的程序设计的 基本方法。然而，实际的网络服务程序的开发设计要复杂 得多，需要运用一些辅助技术，例如处理并发服务的多线 程技术、快速开发网络程序的封装技术等。因此，从本章 开始将陆续介绍一些网络编程的相关技术。
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8.1 服务器线程模型
网络服务器设计可以采用两种线程模型，即串行模型 和并发模型。
串行模型采用单个线程等待客户端的请求，当请求到 来时，该线程醒来并处理请求，这种模型可以应用于简单 的服务器程序，其优点是服务器接受的请求比较少，而且 请求能被很快地处理。
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串行模型的缺点也十分明显，当多个客户端同时向服务器 发出请求时，这些请求必须依次被接受，并且后一个请求 总是在前一个请求处理完毕后才能被接受。然而，在网络 服务应用程序工作中，随时可能面临为多个不同时间到达 的请求提供服务的局面(互联网上几乎所有服务程序都面临 这样的问题)，显然，这种局面是串行模型无法应对的。
在C/S工作模式下，总是少量的服务器为众多的、数量 不可预测的多个客户端服务。客户端服务请求的到达不但 难以预测，而且具有显著的并发性，为此服务器必须设计 成能够服务于并发请求，且具有伸缩性。
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本章将从多线程概念入手，介绍可伸缩服务，继而介绍线 程同步的方法以及完成端口技术。本章内容多使用在服务 器端，因此在程序设计的方法介绍上更加侧重于服务器编 程。
connection
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AcceptSocket=accept(m_socket,NULL,NULL);
程序中的m_socket用于主线程监听网络连接，
Aቤተ መጻሕፍቲ ባይዱceptSocket用于接收一个m_socket已经接受的网络连接，
更详细的代码可以参考8.5节中的程序示例。
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8.2 多线程应用环境
多线程是指程序中包含多个执行流，即在一个程序中 可以同时运行多个不同的执行路径(线程)来执行不同的任 务，也就是说，允许单个程序创建多个并行执行的子程序 来完成各自的任务。例如，一个公司里有很多各司其职的 职员，那么可以认为这个正常运作的公司就是一个进程， 而公司里的职员就是线程。公司(进程)作为一个功能整体 完成某一宏观任务，而员工在这个整体框架下，各负其责 完成自己的工作。
多线程程序设计通过分割、组织工作任务，合理利用 了任务的阻塞时间，有效地提高了程序的运行效率，但是 本质上它并没有提升硬件设备本身的性能，因此并不是任 何场合都适用，归纳起来它能够适合以下几种编程环境：
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(1) 通过网络(例如，与Web服务器、数据库或远程对 象)进行通信；
(2) 执行需要较长时间因而可能导致 UI 冻结的本地操 作；
(3) 区分各种优先级的任务； (4) 提高应用程序启动和初始化的性能。 进行多线程程序设计时应当注意：线程越多，占用内 存也越多，线程之间需要协调和管理，对共享资源的访问 会相互影响，太多的线程会导致控制复杂和系统不稳定(线 程之间的切换会耗费大量的CPU计算时间)。这些都是使用 多线程时的不利因素，因此应当慎重。
为了解决串行模型存在的问题，可以使用并发模型。 并发模型使用单个线程等待客户端请求，当请求到来时， 创建新线程来处理请求。等待客户请求的线程继续等待另 一个客户端请求，新线程完成请求处理。当新线程处理完 客户端请求后，随即退出。
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由于并发模型为每个客户端都会创建一个新的线程，客户 端请求能够很快地被处理，并且每个客户端请求都有自己 的线程，因此服务效率要明显好于串行模型，且基于并发 模型的服务器程序具有良好的伸缩性，当升级硬件时，服 务器程序的性能可以得到提高。
下面以WinSock的面向连接服务器编程为例，说明并 发模型的工作原理(如图8-1所示)。
首先安排主线程作为监听线程(执行路径)，创建一个 套接字监听客户端的连接请求。当有一个连接请求到达时， 让主线程创建一个新的套接字。
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监听套接字将接受的客户端连接递交给新的套接字，然后 创建一个线程并由该线程提供具体的服务，而主线程继续 监听来自客户端的连接请求。线程服务结束后，释放资源。 当主线程再次收到下一个连接请求时(前面线程的服务不一 定结束)，再创建一个新套接字接收连接请求，并创建相应 线程提供服务。依次类推，从而实现服务器的并行服务。 这样不但满足了少量服务器端为多个客户端服务的需求， 也为各个用户数据传输的独立性提供了保证，可以说是对 并发服务请求问题的初步解决(更深层次的问题讨论参见8.6 节)。
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一个公司至少得有一个职员，同理，一个进程至少包含一 个线程(事实上目前几乎已经没有单线程的网络商业应用软 件)，浏览器就是一个很好的多线程的例子。在浏览器中， 用户可以同时完成下载Java小应用程序或图像、滚动页面、 播放动画和声音、打印文件等，就是基于多线程技术实现 的。多线程的使用可以提高CPU的利用率，这是因为在多 线程程序中，当一个线程必须等待时，CPU可以运行其他 的线程而不是等待，从而大大提高了程序的效率。
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8.3 线程基本操作函数
线程在操作系统中的存在有多种状态，好比人的生老 病死，相对应于初始态、可运行态、阻塞/非可运行态和死 亡态等四种状态。程序设计中，进入或改变这些状态需要 一些函数的支持，学会运用这些函数也就掌握了多线程的 编程技术。Windows为用户提供了完备的基本线程操作， 下面具体来看一下这些基本线程操作函数。