2024年4月2日发(作者：)

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深入理解CRITICAL_SECTION

摘要

临界区是一种防止多个线程同时执行一个特定代码节的机制，这一主题并没有引起太多关

注，因而人们未能对其深刻理解。在需要跟踪代码中的多线程处理的性能时，对 Windows

中临界区的深刻理解非常有用。本文深入研究临界区的原理，以揭示在查找死锁和确认性

能问题过程中的有用信息。它还包含一个便利的实用工具程序，可以显示所有临界区及其

当前状态。

在我们许多年的编程实践中，对于 Win32 临界区没有受到非常多的“under the hood”关

注而感到非常奇怪。当然，您可能了解有关临界区初始化与使用的基础知识，但您是否曾

经花费时间来深入研究 WINNT.H 中所定义的 CRITICAL_SECTION 结构呢？在这一结构中有

一些非常有意义的好东西被长期忽略。我们将对此进行补充，并向您介绍一些很有意义的

技巧，这些技巧对于跟踪那些难以察觉的多线程处理错误非常有用。更重要的是，使用我

们的 MyCriticalSections 实用工具，可以明白如何对 CRITICAL_SECTION 进行微小地扩

展，以提供非常有用的特性，这些特性可用于调试和性能调整（要下载完整代码，参见本

文顶部的链接）。

老实说，作者们经常忽略 CRITICAL_SECTION 结构的部分原因在于它在以下两个主要

Win32 代码库中的实现有很大不同：Microsoft Windows 95 和 Windows NTＨ嗣侵勒饬街

执肟舛家丫⒄钩龃罅亢笮姹荆ㄆ渥钚掳姹痉直鹞 Windows Me 和 Windows XP），但没有必

要在此处将其一一列出。关键在于 Windows XP 现在已经发展得非常完善，开发商可能很

快就会停止对 Windows 95 系列操作系统的支持。我们在本文中就是这么做的。

诚然，当今最受关注的是 Microsoft .NET Framework，但是良好的旧式 Win32 编程不会

很快消失。如果您拥有采用了临界区的现有 Win32 代码，您会发现我们的工具以及对临界

区的说明都非常有用。但是请注意，我们只讨论 Windows NT 及其后续版本，而没有涉及

与 .NET 相关的任何内容，这一点非常重要。

临界区：简述

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如果您非常熟悉临界区，并可以不假思索地进行应用，那就可以略过本节。否则，请向下

阅读，以对这些内容进行快速回顾。如果您不熟悉这些基础内容，则本节之后的内容就没

有太大意义。

临界区是一种轻量级机制，在某一时间内只允许一个线程执行某个给定代码段。通常在修

改全局数据（如集合类）时会使用临界区。事件、多用户终端执行程序和信号量也用于多

线程同步，但临界区与它们不同，它并不总是执行向内核模式的控制转换，这一转换成本

昂贵。稍后将会看到，要获得一个未占用临界区，事实上只需要对内存做出很少的修改，

其速度非常快。只有在尝试获得已占用临界区时，它才会跳至内核模式。这一轻量级特性

的缺点在于临界区只能用于对同一进程内的线程进行同步。

临界区由 WINNT.H 中所定义的 RTL_CRITICAL_SECTION 结构表示。因为您的 C++ 代码通

常声明一个 CRITICAL_SECTION 类型的变量，所以您可能对此并不了解。研究 WINBASE.H

后您会发现：

typedef RTL_CRITICAL_SECTION CRITICAL_SECTION;

我们将在短时间内揭示 RTL_CRITICAL_SECTION 结构的实质。此时，重要问题在于

CRITICAL_SECTION（也称作 RTL_CRITICAL_SECTION）只是一个拥有易访问字段的结构，这

些字段可以由 KERNEL32 API 操作。

在将临界区传递给 InitializeCriticalSection 时（或者更准确地说，是在传递其地址

时），临界区即开始存在。初始化之后，代码即将临界区传递给 EnterCriticalSection

和 LeaveCriticalSection API。一个线程自 EnterCriticalSection 中返回后，所有其他

调用 EnterCriticalSection 的线程都将被阻止，直到第一个线程调用

LeaveCriticalSection 为止。最后，当不再需要该临界区时，一种良好的编码习惯是将其

传递给 DeleteCriticalSection。

在临界区未被使用的理想情况中，对 EnterCriticalSection 的调用非常快速，因为它只

是读取和修改用户模式内存中的内存位置。否则（在后文将会遇到一种例外情况），阻止

于临界区的线程有效地完成这一工作，而不需要消耗额外的 CPU 周期。所阻止的线程以内

核模式等待，在该临界区的所有者将其释放之前，不能对这些线程进行调度。如果有多个

线程被阻止于一个临界区中，当另一线程释放该临界区时，只有一个线程获得该临界区。

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