临界区段

在同步的程式设计中，临界区段（Critical section）或称为关键区块 ，指的是一个存取共享资源（例如：共享装置或是共享存储器）的程序片段，而这些共享资源又无法同时被多个线程存取的特性。^[1]

当有线程进入临界区段时，其他线程或是行程必须等待（例如：bounded waiting 等待法），有一些同步的机制必须在临界区段的进入点与离开点实现，以确保这些共享资源是被异或的使用，例如：semaphore。

只能被单一线程存取的装置，例如：打印机。

一个最简单的实现方法就是当线程（Thread）进入临界区段时，禁止改变处理器；在Single-Processor系统上，可以用“禁止中断（CLI）”来完成，避免发生系统调用（System Call）导致的上下文切换（Context switching）；当离开临界区段时，处理器回复原先的状态。

Windows操作系统的临界区

在Windows操作系统，CRITICAL_SECTION是一种同步对象类型，用于同一个进程内的多线程同步访问资源。如果是跨进程同步，需要使用互斥锁（mutex）。

临界区对象首先需要初始化，通过调用操作系统API函数InitializeCriticalSection。各个线程调用函数 EnterCriticalSection, TryEnterCriticalSection, 或LeaveCriticalSection来使用临界区。使用结束后或者重初始化临界区之前，需要调用 DeleteCriticalSection 。

WINNT.H中定义的临界区数据结构如下：

struct RTL_CRITICAL_SECTION
{
   PRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG DebugInfo;
   LONG LockCount;
   LONG RecursionCount;
   HANDLE OwningThread;
   HANDLE LockSemaphore;
   ULONG_PTR SpinCount;
};

结构的各域的解释：

DebugInfo 此字段为一个指针，指向系统分配的结构RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG。这一结构中包含更多极有价值的资讯，也定义于 WINNT.H 中。
LockCount 被初始化为数值 -1；此数值等于或大于 0 时，表示此临界区被占用。当其不等于 -1 时，OwningThread 字段包含了拥有此临界区的线程 ID。此字段与 (RecursionCount-1) 数值之间的差值表示有多少个其他线程在等待获得该临界区。
RecursionCount 初始值为0. 此字段包含所有者线程已经获得该临界区的次数。如果该数值为零，下一个尝试获取该临界区的线程将会成功。
OwningThread 此字段包含当前占用此临界区的线程的线程标识符（应为DWORD而不是HANDLE）。此线程 ID 与 GetCurrentThreadId 之类的 API 所返回的 ID 相同。
LockSemaphore 是一个自复位的Event内核对象句柄。首次发生线程申请该临界区被阻止时，操作系统自动创建该句柄。应当调用 DeleteCriticalSection（它将发出一个调用该事件的 CloseHandle 调用，并在必要时释放该调试结构），否则将会发生资源泄漏。
SpinCount 仅用于多处理器系统。MSDN文档：“在多处理器系统中，如果该临界区不可用，调用线程将在对与该临界区相关的信号执行等待操作之前，旋转 dwSpinCount 次。如果该临界区在旋转操作期间变为可用，该调用线程就避免了等待操作。”自旋计数可以在多处理器电脑上提供更佳性能，其原因在于在一个循环中自旋通常要快于进入内核模式等待状态。此字段默认值为零，但可以用InitializeCriticalSectionAndSpinCount API 将其设置为一个不同值。

RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG结构如下：

struct _RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG
{
    WORD   Type;
    WORD   CreatorBackTraceIndex;
    RTL_CRITICAL_SECTION *CriticalSection;
    LIST_ENTRY ProcessLocksList;
    DWORD EntryCount;
    DWORD ContentionCount;
    DWORD Spare[ 2 ];
}

结构的各域的解释：

Type 此字段未使用，被初始化为数值 0。
CreatorBackTraceIndex 此字段仅用于诊断情形中。在注册表项 HKLM\Software\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\Image File Execution Options\YourProgram 之下是 keyfield、GlobalFlag 和 StackTraceDatabaseSizeInMb 值。注意，只有在运行稍后说明的 Gflags 命令时才会显示这些值。这些注册表值的设置正确时，CreatorBackTraceIndex 字段将由堆栈跟踪中所用的一个索引值填充。在 MSDN 中搜索 GFlags 文档中的短语“create user mode stack trace database”和“enlarging the user-mode stack trace database”。
CriticalSection 指向与此结构相关的 RTL_CRITICAL_SECTION
ProcessLocksList： LIST_ENTRY 是用于表示双向链表中节点的标准 Windows 数据结构。RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG 包含了链表的一部分，允许向前和向后遍历该临界区。Flink=NULL为表头，Blink=NULL为表尾
EntryCount/ContentionCount 这些字段在相同的时间、出于相同的原因被递增。这是不能获得临界区而进入等待状态的线程的数目。与 LockCount 和 RecursionCount 字段不同，这些字段永远都不会递减。
Spares 这两个字段未使用，甚至未被初始化。

参考资料

^ Raynal, Michel. Concurrent Programming: Algorithms, Principles, and Foundations. Springer Science & Business Media. 2012: 9. ISBN 978-3642320279.

参见

外部链接

MSDN Library -- Critical section （页面存档备份，存于互联网档案馆）

[1] Raynal, Michel. Concurrent Programming: Algorithms, Principles, and Foundations. Springer Science & Business Media. 2012: 9. ISBN 978-3642320279.

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