让我们简单回顾一下历史。很早以前，是一个库用于单线程应用程序，另一个库用于多线程应用程序。之所以采用这个设计，是由于标准C运行库是在1970年左右发明的。要在很久很久之后，才会在操作系统上出现线程的概念。标准C运行库的发明者根本没有考虑到为多线程应用程序使用C运行库的问题。让我们用一个例子来了解可能遇到的问题。以标准C运行库的全局变量errno为例。有的函数会在出错时设置该变量。假定现在有这样的一个代码段：BOOL fFailure = (system("NOTEPAD.EXE README.TXT") == -1);if (fFailure) {switch (errno) {case E2BIG: // Argument list or environment too bigbreak;case ENOENT: // Command interpreter cannot be foundbreak;case ENOEXEC: // Command interpreter has bad formatbreak;case ENOMEM: // Insufficient memory to run commandbreak;}}假设在调用了system函数之后，并在执行if语句之前，执行上述代码的线程被中断了。另外还假设，这个线程被中断后，同一个进程中的另一个线程开始执行，而且这个新线程将执行另一个C运行库函数，后者设置了全局变量errno。当CPU后来被分配回第一个线程时，对于上述代码中的system函数调用，errno反映的就不再是正确的错误码。为了解决这个问题，每个线程都需要它自己的errno变量。此外，必须有某种机制能够让一个线程引用它自己的errno变量，同时不能让它去碰另一个线程的errno变量。这仅仅是证明了“标准C/C++运行库最初不是为多线程应用程序而设计”的众多例子中的一个。在多线程环境中会出问题的C/C++运行库变量和函数有errno，_doserrno，strtok，_wcstok，strerror，_strerror，tmpnam，tmpfile，asctime，_wasctime，gmtime，_ecvt和_fcvt等等。为了保证C和C++多线程应用程序正常运行，必须创建一个数据结构，并使之与使用了C/C++运行库函数的每个线程关联。然后，在调用C/C++运行库函数时，那些函数必须知道去查找主调线程的数据块，从而避免影响到其他线程。那么，系统在创建新的线程时，是如何知道要分配这个数据块的呢？答案是它并不知道。系统并不知道应用程序是用C/C++来写的，不知道你调用的函数并非天生就是线程安全的。保证线程安全是程序员的责任。创建新线程时，一定不要调用操作系统的CreateThread函数。相反，必须调用C/C++运行库函数_beginthreadex：unsigned long _beginthreadex(void *security,unsigned stack_size,unsigned (*start_address)(void *),void *arglist,unsigned initflag,unsigned *thrdaddr);_beginthreadex函数的参数列表与CreateThread函数的一样，但是参数名称和类型并不完全一样。这是因为Microsoft的C/C++运行库开发组认为，C/C++运行库函数不应该对Windows数据类型有任何依赖。_beginthreadex函数也会返回新建线程的句柄，就像CreateThread那样。所以，如果已经在自己的源代码中调用了CreateThread函数，可以非常方便地用_beginthreadex来全局替换所有CreateThread。但是，由于数据类型并不完相同，所以可能还必须执行一些类型转换，以便顺利地通过编译。为了简化这个工作，我创建了一个名为chBEGINTHREADEX的宏，并在自己的源代码中使用：typedef unsigned (__stdcall *PTHREAD_START) (void *);#define chBEGINTHREADEX(psa, cbStack, pfnStartAddr, pvParam, fdwCreate, pdwThreadID) ((HANDLE) _beginthreadex( (void *) (psa), (unsigned) (cbStackSize), (PTHREAD_START) (pfnStartAddr), (void *) (pvParam), (unsigned) (dwCreateFlags), (unsigned *) (pdwThreadID)))根据Microsoft为C/C++运行库提供的源代码，很容易看出_beginthreadex能而CreateThread不能做的事情。事实上，在搜索了Visual Studio安装文件夹后，我在<Program Files>Microsoft VisualStudio 8VCcrtsrcThreadex.c中找到了_beginthreadex的源代码。为节省篇幅，这里没有全部照抄一遍。相反，我在这里提供了该函数的伪代码版本，强调了其中最有意思的地方：uintptr_t __cdecl _beginthreadex (void *psa,unsigned cbStackSize,unsigned (__stdcall * pfnStartAddr) (void *),void * pvParam,unsigned dwCreateFlags,unsigned *pdwThreadID) {_ptiddata ptd; // Pointer to thread"s data blockuintptr_t thdl; // Thread"s handle// Allocate data block for the new thread.if ((ptd = (_ptiddata)_calloc_crt(1, sizeof(struct _tiddata))) == NULL)goto error_return;// Initialize the data block.initptd(ptd);// Save the desired thread function and the parameter// we want it to get in the data block.ptd->_initaddr = (void *) pfnStartAddr;ptd->_initarg = pvParam;ptd->_thandle = (uintptr_t)(-1);// Create the new thread.thdl = (uintptr_t) CreateThread((LPSECURITY_ATTRIBUTES)psa, cbStackSize,_threadstartex, (PVOID) ptd, dwCreateFlags, pdwThreadID);if (thdl == 0) {// Thread couldn"t be created, cleanup and return failure.goto error_return;}// Thread created OK, return the handle as unsigned long.return(thdl);error_return:// Error: data block or thread couldn"t be created.// GetLastError() is mapped into errno corresponding values// if something wrong happened in CreateThread._free_crt(ptd);return((uintptr_t)0L);}对于_beginthreadex函数，以下几点需要重点关注。U001000be 每个线程都有自己的专用_tiddata内存块，它们是从C/C++运行库的堆（heap）上分配的。U001000be 传给_beginthreadex的线程函数的地址保存在_tiddata内存块中。(_tiddata结构在Mtdll.h文件的C++源代码中。)纯粹是为了增加趣味性，我在下面重现了这个结构。要传入_beginthreadex函数的参数也保存在这个数据块中。U001000be _beginthreadex确实会在内部调用CreateThread，因为操作系统只知道用这种方式来创建一个新线程。U001000be CreateThread函数被调用时，传给它的函数地址是_threadstartex（而非pfnStartAddr）。另外，参数地址是_tiddata结构的地址，而非pvParam。U001000be 如果一切顺利，会返回线程的句柄，就像CreateThread那样。任何操作失败，会返回0。struct _tiddata {unsigned long _tid; /* thread ID */unsigned long _thandle; /* thread handle */int _terrno; /* errno value */unsigned long _tdoserrno; /* _doserrno value */unsigned int _fpds; /* Floating Point data segment */unsigned long _holdrand; /* rand() seed value */char* _token; /* ptr to strtok() token */wchar_t* _wtoken; /* ptr to wcstok() token */unsigned char* _mtoken; /* ptr to _mbstok() token *//* following pointers get malloc"d at runtime */char* _errmsg; /* ptr to strerror()/_strerror() buff */wchar_t* _werrmsg; /* ptr to _wcserror()/__wcserror() buff */char* _namebuf0; /* ptr to tmpnam() buffer */wchar_t* _wnamebuf0; /* ptr to _wtmpnam() buffer */char* _namebuf1; /* ptr to tmpfile() buffer */wchar_t* _wnamebuf1; /* ptr to _wtmpfile() buffer */char* _asctimebuf; /* ptr to asctime() buffer */wchar_t* _wasctimebuf; /* ptr to _wasctime() buffer */void* _gmtimebuf; /* ptr to gmtime() structure */char* _cvtbuf; /* ptr to ecvt()/fcvt buffer */unsigned char _con_ch_buf[MB_LEN_MAX];/* ptr to putch() buffer */unsigned short _ch_buf_used; /* if the _con_ch_buf is used *//* following fields are needed by _beginthread code */void* _initaddr; /* initial user thread address */void* _initarg; /* initial user thread argument *//* following three fields are needed to support signal handling and runtime errors */void* _pxcptacttab; /* ptr to exception-action table */void* _tpxcptinfoptrs;/* ptr to exception info pointers */int _tfpecode; /* float point exception code *//* pointer to the copy of the multibyte character information used by the thread */pthreadmbcinfo ptmbcinfo;/* pointer to the copy of the locale information used by the thread */pthreadlocinfo ptlocinfo;int _ownlocale; /* if 1, this thread owns its own locale *//* following field is needed by NLG routines */unsigned long _NLG_dwCode;/** Per-Thread data needed by C++ Exception Handling*/void* _terminate; /* terminate() routine */void* _unexpected; /* unexpected() routine */void* _translator; /* S.E. translator */void* _purecall; /* called when pure virtual happens */void* _curexception; /* current exception */void* _curcontext; /* current exception context */int _ProcessingThrow; /* for uncaught_exception */void* _curexcspec; /* for handling exceptions thrown from std::unexpected */#if defined (_M_IA64) || defined (_M_AMD64)void* _pExitContext;void* _pUnwindContext;void* _pFrameInfoChain;unsigned __int64 _ImageBase;#if defined (_M_IA64)unsigned __int64 _TargetGp;#endif /* defined (_M_IA64) */unsigned __int64 _ThrowImageBase;void* _pForeignException;#elif defined (_M_IX86)void* _pFrameInfoChain;#endif /* defined (_M_IX86) */_setloc_struct _setloc_data;void* _encode_ptr; /* EncodePointer() routine */void* _decode_ptr; /* DecodePointer() routine */void* _reserved1; /* nothing */void* _reserved2; /* nothing */void* _reserved3; /* nothing */int _ cxxReThrow; /* Set to True if it"s a rethrown C++ Exception */unsigned long __initDomain; /* initial domain used by _beginthread[ex] for managedfunction */};typedef struct _tiddata * _ptiddata;为新线程分配并初始化_tiddata结构之后，接着应该知道这个结构是如何与线程关联的。来看看_threadstartex函数(它也在C/C++运行库的Threadex.c文件中)。下面是我为这个函数及其helper函数__callthreadstartex编写的伪代码版本：static unsigned long WINAPI _threadstartex (void* ptd) {// Note: ptd is the address of this thread"s tiddata block.// Associate the tiddata block with this thread so// _getptd() will be able to find it in _callthreadstartex.TlsSetValue(__tlsindex, ptd);// Save this thread ID in the _tiddata block.((_ptiddata) ptd)->_tid = GetCurrentThreadId();// Initialize floating-point support (code not shown).// call helper function._callthreadstartex();// We never get here; the thread dies in _callthreadstartex.return(0L);}static void _callthreadstartex(void) {_ptiddata ptd; /* pointer to thread"s _tiddata struct */// get the pointer to thread data from TLSptd = _getptd();// Wrap desired thread function in SEH frame to// handle run-time errors and signal support.__try {// Call desired thread function, passing it the desired parameter.// Pass thread"s exit code value to _endthreadex._endthreadex(( (unsigned (WINAPI *)(void *))(((_ptiddata)ptd)->_initaddr) )( ((_ptiddata)ptd)->_initarg ) ) ;}__except(_XcptFilter(GetExceptionCode(), GetExceptionInformation())){// The C run-time"s exception handler deals with run-time errors// and signal support; we should never get it here._exit(GetExceptionCode());}}关于_threadstartex函数，要注意以下重点：U001000be 新的线程首先执行RtlUserThreadStart (在NTDLL.dll文件中)，然后再跳转到_threadstartex。U001000be _threadstartex惟一的参数就是新线程的_tiddata内存块的地址。U001000be TlsSetValue是一个操作系统函数，它将一个值与主调线程关联起来。这就是所谓的线程本地存储(Thread Local Storage，TLS)，详情参见第21章。_threadstartex函数将_tiddata内存块与新建线程关联起来。U001000be 在无参数的helper函数_callthreadstartex中，一个SEH帧将预期要执行的线程函数包围起来。这个帧处理着与运行库有关的许多事情——比如运行时错误(如抛出未被捕捉的C++异常)——和C/C++运行库的signal函数。这一点相当重要。如果用CreateThread函数新建了一个线程，然后调用C/C++运行库的signal函数，那么signal函数不能正常工作。U001000be 预期要执行的线程函数会被调用，并向其传递预期的参数。前面讲过，函数的地址和参数由_beginthreadex保存在TLS的_tiddata数据块中；并会在_callthreadstartex中从TLS中获取。U001000be 线程函数的返回值被认为是线程的退出代码。注意_callthreadstartex不是简单地返回到_threadstartex，继而到RtlUserThreadStart；如果是那样的话，线程会终止运行，其退出代码也会被正确设置，但线程的_tiddata内存块不会被销毁。这会导致应用程序出现内存泄漏。为防止出现这个问题，会调用_endthreadex（也是一个C/C++运行库函数），并向其传递退出代码。最后一个需要关注的函数是_endthreadex(也在C运行库的Threadex.c文件中)。下面是我编写的该函数的伪代码版本：void __cdecl _endthreadex (unsigned retcode) {_ptiddata ptd; // Pointer to thread"s data block// Clean up floating-point support (code not shown).// Get the address of this thread"s tiddata block.ptd = _getptd_noexit ();// Free the tiddata block.if (ptd != NULL)_freeptd(ptd);// Terminate the thread.ExitThread(retcode);}对于_endthreadex函数，要注意几下几点：U001000be C运行库的_getptd_noexit函数在内部调用操作系统的TlsGetValue函数，后者获取主调线程的tiddata内存块的地址。U001000be 然后，此数据块被释放，调用操作系统的ExitThread函数来实际地销毁线程。当然，退出代码会被传递，并被正确地设置。在本章早些时候，我曾建议大家应该避免使用ExitThread函数。这是千真万确的，而且我在这里并不打算自相矛盾。前面说过，此函数会杀死主调线程，而且不允许它从当前执行的函数返回。由于函数没有返回，所以构造的任何C++对象都不会被析构。现在，我们又有了不调用ExitThread函数的另一个理由：它会阻止线程的_tiddata内存块被释放，使应用程序出现内存泄漏（直到整个进程终止）。Microsoft的C++开发团队也意识到，总有一些开发人员喜欢调用ExitThread。所以，他们必须使这成为可能，同时尽可能避免应用程序出现内存泄漏的情况。如果真的想要强行杀死自己的线程，可以让它调用_endthreadex(而不是ExitThread)来释放线程的_tiddata块并退出。不过，我并不鼓励你调用_endthreadex。现在，你应该理解了C/C++运行库函数为什么要为每一个新线程准备一个独立的数据块，而且应该理解了_beginthreadex如何分配和初始化此数据块，并将它与新线程关联起来。另外，你还应理解了_endthreadex函数在线程终止运行时是如何释放该数据块的。一旦这个数据块被初始化并与线程关联，线程调用的任何需要“每线程实例数据”的C/C++运行库函数都可以轻易获取主调线程的数据块的地址(通过TlsGetValue)，并操纵线程的数据。这对函数来说是没有问题的。但是，对于errno之类的全局变量，它又是如何工作的呢？errno是在标准C headers中定义的，如下所示：_CRTIMP extern int * __cdecl _errno(void);#define errno (*_errno())int* __cdecl _errno(void) {_ptiddata ptd = _getptd_noexit();if (!ptd) {return &ErrnoNoMem;} else {return (&ptd->_terrno);}}任何时候引用errno，实际都是在调用内部的C/C++运行库函数_errno。该函数将地址返回给“与主调线程关联的数据块”中的errno数据成员。注意，errno宏被定义为获取该地址的内容。这个定义是必要的，因为很可能写出下面这样的代码：int *p = &errno;if (*p == ENOMEM) {...}如果内部函数_errno只是返回errno的值，上述代码将不能通过编译。C/C++运行库还围绕特定的函数放置了同步原语（synchronization primitives）。例如，如果两个线程同时调用malloc，堆就会损坏。C/C++运行库函数阻止两个线程同时从内存堆中分配内存。具体的办法是让第2个线程等待，直至第1个线程从malloc函数返回。然后，才允许第2个线程进入。(线程同步将在第8章和第9章详细讨论。)显然，所有这些额外的工作影响了C/C++运行库的多线程版本的性能。C/C++运行库函数的动态链接版本被写得更加泛化，使其可以被使用了C/C++运行库函数的所有运行的应用程序和DLL共享。因此，库只有一个多线程版本。由于C/C++运行库是在一个DLL中提供的，所以应用程序(.exe文件)和DLL不需要包含C/C++运行库函数的代码，所以可以更小一些。另外，如果Microsoft修复了C/C++运行库DLL的任何bug，应用程序将自动获得修复。就像你期望的一样，C/C++运行库的启动代码为应用程序的主线程分配并初始化了一个数据块。这样一来，主线程就可以安全地调用任何C/C++运行库函数。当主线程从其入口函数返回的时候，C/C++运行库函数会释放关联的数据块。此外，启动代码设置了正确的结构化异常处理代码，使主线程能成功调用C/C++运行库的signal函数。6.7.1 用_beginthreadex 而不要用CreateThread 创建线程你可能会好奇，假如调用CreateThread而不是C/C++运行库的_beginthreadex来创建新线程，会发生什么呢？当一个线程调用一个需要_tiddata结构的C/C++运行库函数时，会发生下面的情况。(大多数C/C++运行库函数都是线程安全的，不需要这个结构。)首先，C/C++运行库函数尝试取得线程数据块的地址(通过调用TlsGetValue)。如果NULL被作为_tiddata块的地址返回，表明主调线程没有与之关联的_tiddata块。在这个时候，C/C++运行库函数会为主调线程分配并初始化一个_tiddata块。然后，这个块会与线程关联(通过TlsSetValue) ，而且只要线程还在运行，这个块就会一直存在并与线程关联。现在，C/C++运行库函数可以使用线程的_tiddata块，以后调用的任何C/C++运行库函数也都可以使用。当然，这是相当诱人的，因为线程（几乎）可以顺畅运行。但事实上，问题还是有的。第一个问题是，假如线程使用了C/C++运行库的signal函数，则整个进程都会终止，因为结构化异常处理（SEH）帧没有就绪。第二个问题是，假如线程不是通过调用_endthreadex来终止的，数据块就不能被销毁，从而导致内存泄漏。(对于一个用CreateThread函数来创建的线程，谁会调用_endthreadex呢？)
