Win32 同步機制精通：臨界區、互斥體、信號燈、事件四大核心物件實戰

為何需要同步？

多執行緒並發存取共享資料（全域變數、堆積物件、檔案、硬體）會導致競爭條件。經典範例：iCounter++ 非原子操作（讀-改-寫），兩執行緒同時執行導致更新遺失。

四大同步物件對比

MFC 同步類別統一介面

• 建構：CCriticalSection cs; CMutex mutex(FALSE, _T("MyNamedMutex")); CSemaphore sem(0, 5); CEvent event(FALSE, TRUE); (手動/自動重設事件)。
• 鎖定：cs.Lock() / mutex.Lock() / sem.Lock() (遞減計數) / event.Lock() (等待觸發)。
• 解鎖：cs.Unlock() / mutex.Unlock() / sem.Unlock() (遞增計數) / event.SetEvent() (觸發) / event.ResetEvent() (重設)。
• RAII 鎖： CSingleLock/CMultiLock 建構時自動 Lock，解構自動 Unlock，防止忘記釋放。

實戰模式

1. 保護共享資料 (Critical Section)

CCriticalSection g_cs;
int g_counter = 0;

UINT ThreadFunc(LPVOID) {
    for (int i=0; i<10000; ++i) {
        CSingleLock lock(&g_cs); // 自動 Lock/Unlock
        g_counter++;
    }
    return 0;
}

2. 單一實例應用程式 (Named Mutex)

CMutex mutex(TRUE, _T("Global\\MyAppSingletonMutex"), &bCreated);
if (!bCreated || GetLastError() == ERROR_ALREADY_EXISTS) {
    // 已有實例執行中，啟動既有視窗並退出
    return FALSE;
}
// 正常啟動...

3. 生產者-消費者佇列 (Semaphore + Critical Section)

CQueue g_queue;
CCriticalSection g_qcs;
CSemaphore g_sem(0, MAX_QUEUE); // 可用項目數
CEvent g_exitEvent;

UINT Producer(LPVOID) {
    while (!g_exitEvent.Lock(0)) { // 輪詢退出事件
        Task t = ProduceTask();
        { CSingleLock lock(&g_qcs); g_queue.push(t); }
        g_sem.Unlock(); // 通知消費者
    }
    return 0;
}

UINT Consumer(LPVOID) {
    while (true) {
        if (g_sem.Lock(INFINITE)) { // 等待項目
            if (g_exitEvent.Lock(0)) break; // 收到退出且佇列空
            Task t;
            { CSingleLock lock(&g_qcs); t = g_queue.front(); g_queue.pop(); }
            ProcessTask(t);
        }
    }
    return 0;
}

4. 非同步操作完成通知 (Event)

CEvent opComplete(FALSE, FALSE); // 自動重設，非觸發狀態啟動

// 發起非同步操作，傳遞 event 控制代碼給回呼/完成埠
StartAsyncOperation(opComplete.m_hObject);

// 工作執行緒等待完成
if (opComplete.Lock(5000)) { // 5 秒超時
    // 操作成功完成
} else {
    // 超時處理
}

進階技巧

• 避免死鎖： 固定鎖獲取順序、使用 CMultiLock 同時獲取多鎖 (內部排序)、設定鎖超時而非無限等待。
• 自旋鎖優化： 極短關鍵區 (幾條指令) 可用 InterlockedCompareExchange 實作自旋，避免核心轉換開銷。
• 無鎖資料結構： 高併發場景考慮 Lock-free Queue/Stack (需深厚記憶體模型知識)。

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