当Printf遇到多线程

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● 原文作者: 戴晓天 @ 云飞机器人实验室
● 原文地址: 当Printf遇到多线程

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我注意到有很多人通过关键字”printf 多线程”搜索到了我的这篇文章,我也意识到有很多Linux和Windows程序员在编写多线程程序中使用printf导致的种种问题。我猜测这与printf设计时的不可重入性有关,虽然我在文中用嵌入式的串口打印函数作为类比,可是这两个或许还不是一回事。
如果你遇到了这个问题,你可以尝试以下方法,即使用多线程运行时库(Mulit-Thread Runtime Library):

1、VC环境
Project-> Settings-> C/C++-> Code   Generation-> use   run-time   library
如果希望在多线程中使用,那么要选择multithreaded dll
当然如果你只是作为调试,可以使用TRACE宏。

2、Linux环境
Linux环境中如何设置运行时库的参数我不是非常清楚,不过只要保证调用的是多线程运行时库即可。可是,Linux会有这个问题么?

3、更通用的方法
更通用的办法就是使用互斥锁、信号量等方法,不过这可能会改变程序运行的本意。

 

以下才是原文的正文,不过如果你只是来解决以上问题的,本文就对你没有价值了:

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本文作者:云飞工作室(YunFei Studio),戴晓天

联系方式:Automatic.dai@gmail.com

原文地址:www.YFworld.com


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:

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:

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:

#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:

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:

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:

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:

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:

#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。

参考资料:

MSDN Library Visual Studio 6.0, Microsoft Corp, 2000

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