Windows 核心编程 _ 用户模式：线程同步一

概述

1. 当所有线程都能独自运行而不需要相互通信的时候，Microsoft Windows将进程最佳运行状态。
2. 系统中的所有线程必须访问系统资源，比如堆、串口、文件、窗口以及无数其他资源。
   如果一个线程独占了对某个资源的访问，那么其他线程就无法完成它们的工作。
3. 以下两种基本情况下，线程间需要相互通信：
   1. 需要让多个线程同时访问一个共享资源，同时不能破坏资源的完整性。
   2. 一个线程需要通知其他线程某项任务已完成。

原子访问：Interlocked系列函数

1. 关于这些Interlocked函数如何工作的，取决于代码运行的CPU平台。
   如果是X86系列CPU，那么Interlocked函数会在总线上维持一个硬件信号，这个信号会阻止其他CPU访问同一个内存地址。
2. 我们必须确保传给这个函数的变量地址是经过对齐的，否则这些函数可能会失败。
   1. C运行库提供了一个_aligned_malloc函数，这个函数可以用来分配一块对齐过的内存。

3. 对于32位应用程序而言，InterlockedExchange和InterlockedExchangePointer是以一个32的值替换了32的值。
   对64位应用程序而言，InterlockedExchange替换的是一个32位的值，而InterlockedExchangePointer替换的是64位的值。
   这两个函数都会返会原来的值。
4. 此外，必须保证变量和锁所保护的数据位于不同的高速缓存行中。
   如果锁变量和数据共享同一高速缓存行，那么使用资源的CPU就会与任何试图访问该资源的CPU发生争夺，从而影响到性能。

5. 下面这个函数以原子的方式执行一个测试和设置操作。
   对32位应用程序而言，这两个函数都是对32位的值进行操作。
   对64位应用程序而言，InterlockedCompareExchange对32位值进行操作，而InterlockedCompareExchangePointer对64位值进行操作。

6. 从Windows XP开始，除了能对整数或布尔值进行这些原子操作外，还能用一系列其他的函数对一种被称为Interlocked单向链表的栈进行操作。
   栈中的每个操作，如入栈或出栈，必定是以原子的方式进行的。

高速缓存行

1. 当CPU从内存中读取一个字节的时候，它并不只是从内存中取回一个字节，而是取回一个高速缓存行。
2. 高速缓存行可能包含32个字节（老式CPU），64个字节，甚至是128个字节（具体取决于CPU），它们始终都对齐到32字节边界，64字节边界或128字节边界。
3. 高速缓存行的存在的目的是为了提高性能。
   一般来说，应用程序会对一组相邻的字节进行操作。如果所有字节都在高速缓存中，那CPU就不必访问内存总线，因为后者耗费的时间要多得多。
4. 当一个CPU修改了高速缓存行中的一个字节时，机器中的其他CPU会收到通知，并使自己的高速缓存行作废。
5. 意味着应该按照高速缓存行的大小来将应用程序的数据组织在一起，并将数据与缓存行的边界对齐。
   目的是为了确保不同的CPU能够各自访问不同的内存地址，而且，这些内存地址不再同一个高速缓存行中。
   此外，还应该把只读的数据（或者不经常读的数据），与可读可写的数据区分开来存放。
   还应该把差不多会同一段时间访问的数据组织在一起。

缓存行的大小

1. 调用Win32的GetLogicalProcessorInformation函数，可以返回一个SYSTEM_LOGICAL_PROCESSOR_INFORMATION的结构体数组。
2. 在这个结构体数组里面，每个结构的Cache字段，是一个CACHE_DESCRIPTOR结构，这个结构里面的LineSize就表示的是CPU的高速缓存行的大小。
3. 根据这个缓存行的大小，我们可以使用C/C++编译器的__declspec(align(#))指示符来对字段加以控制。

关于高级线程同步

1. 当线程想要访问一个共享资源或想要得到一些“特殊”事件的通知时，线程必须调用操作系统的一个函数，并将线程正在等待的东西作为参数传入。
2. 如果操作系统检测到，资源已经可供使用了，或者特殊事件已经发生了，那么这个函数会立即返回，这样线程将仍然保持可调度状态。
3. 如果无法取得对资源的访问权，或者特殊事件尚未发生，那么系统会将线程切换到等待状态，使线程变得不可调度，从而避免了让线程浪费CPU时间。
4. 当线程在等待的时候，系统会充当它的代理。系统会记住线程想要访问什么资源，当资源可供使用的时候，系统会自动将线程唤醒（线程的执行与特殊事件是同步的）。

volatile

1. 这个限定符高速编译器不要对这个变量进行任何形式的优化，而是始终从变量在内存中的位置读取变量的值。
2. 给一个结构体加volatile限定符，等于给结构中的每一个成员都加上volatile限定符。可以确保任何一个成员始终都是从内存中读取的。