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  • 多核时代下的多线程编程----帮大家读懂TThread类

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    TThread类在Delphi的RTL里算是比较简单的类,类成员也不多,类属性都很简单明白,本文将只对几个比较重要的类成员方法和唯一的事件:OnTerminate作详细分析。
    首先就是构造函数:
     
    constructor TThread.Create(CreateSuspended: Boolean);
    begin
    inherited Create;
    AddThread;
    FSuspended := CreateSuspended;
    FCreateSuspended := CreateSuspended;
    FHandle := BeginThread(nil, 0, @ThreadProc, Pointer(Self), CREATE_SUSPENDED, FThreadID);
    if FHandle = 0 then
    raise EThread.CreateResFmt(@SThreadCreateError, [SysErrorMessage(GetLastError)]);
    end;
    虽然这个构造函数没有多少代码,但却可以算是最重要的一个成员,因为线程就是在这里被创建的。
    在通过Inherited调用TObject.Create后,第一句就是调用一个过程:AddThread,其源码如下:
    procedure AddThread;
    begin
    InterlockedIncrement(ThreadCount);
    end;
    同样有一个对应的RemoveThread:
    procedure RemoveThread;
    begin
    InterlockedDecrement(ThreadCount);
    end;
    它们的功能很简单,就是通过增减一个全局变量来统计进程中的线程数。只是这里用于增减变量的并不是常用的Inc/Dec过程,而是用了InterlockedIncrement/InterlockedDecrement这一对过程,它们实现的功能完全一样,都是对变量加一或减一。但它们有一个最大的区别,那就是InterlockedIncrement/InterlockedDecrement是线程安全的。即它们在多线程下能保证执行结果正确,而Inc/Dec不能。或者按操作系统理论中的术语来说,这是一对“原语”操作。
     
     
    接下来最重要就是这句了:
    FHandle := BeginThread(nil, 0, @ThreadProc, Pointer(Self), CREATE_SUSPENDED, FThreadID);
     
    BeginThread,它有很多参数,关键的是第三、四两个参数。第三个参数就是前面说到的线程函数,即在线程中执行的代码部分。第四个参数则是传递给线程函数的参数,在这里就是创建的线程对象(即Self)。其它的参数中,第五个是用于设置线程在创建后即挂起,不立即执行(启动线程的工作是在AfterConstruction中根据CreateSuspended标志来决定的),第六个是返回线程ID。
    现在来看TThread的核心:线程函数ThreadProc。特别要注意的是ThreadProc这个线程类的核心不是线程的成员,而是一个全局函数(因为BeginThread过程的参数约定只能用全局函数)。下面是它的代码:
     
    function ThreadProc(Thread: TThread): Integer;
    var
    FreeThread: Boolean;
    begin
    try
    if not Thread.Terminated then
    try
    Thread.Execute;
    except
    Thread.FFatalException := AcquireExceptionObject;
    end;
    finally
    FreeThread := Thread.FFreeOnTerminate;
    Result := Thread.FReturnValue;
    Thread.DoTerminate;
    Thread.FFinished := True;
    SignalSyncEvent;
    if FreeThread then Thread.Free;
    EndThread(Result);
    end;
    end;
     
     
     
    虽然也没有多少代码,但却是整个TThread中最重要的部分,因为这段代码是真正在线程中执行的代码。下面对代码作逐行说明:
    1、首先判断线程类的Terminated标志,如果未被标志为终止,则调用线程类的Execute方法执行线程代码,因为TThread是抽象类,Execute方法是抽象方法,所以本质上是执行派生类中的Execute代码。
    2、Execute就是线程类中的线程函数,所有在Execute中的代码都需要当作线程代码来考虑,如防止访问冲突等。
    3、如果Execute发生异常,则通过AcquireExceptionObject取得异常对象,并存入线程类的FFatalException成员中。
    4、最后是线程结束前做的一些收尾工作。局部变量FreeThread记录了线程类的FreeOnTerminated属性的设置,然后将线程返回值设置为线程类的返回值属性的值。
    5、接下来执行线程类的DoTerminate方法。
    DoTerminate方法的代码如下:
     
    procedure TThread.DoTerminate;
    begin
    if Assigned(FOnTerminate) then Synchronize(CallOnTerminate); //一定要注意这里是用同步主线程的形式来调用的
    end;
     
    很简单,就是通过Synchronize来调用CallOnTerminate方法,而CallOnTerminate方法的代码如下,就是简单地调用OnTerminate事件:
     
    procedure TThread.CallOnTerminate;
    begin
    if Assigned(FOnTerminate) then FOnTerminate(Self);
    end;
     
    因为OnTerminate事件是在Synchronize中执行的,所以本质上它并不是线程代码,而是主线程代码(具体见后面对Synchronize的分析)。
    执行完OnTerminate后,将线程类的FFinished标志设置为True。
    接下来执行SignalSyncEvent过程,其代码如下:
     
    procedure SignalSyncEvent;
    begin
    SetEvent(SyncEvent);
    end;
     
    6、SignalSyncEvent也很简单,就是设置一下一个全局Event:SyncEvent,关于Event的使用,而SyncEvent的用途将在WaitFor过程中说明。
    7、然后根据FreeThread中保存的FreeOnTerminate设置决定是否释放线程类,在线程类释放时,还有一些些操作,详见接下来的析构函数实现。
    8、最后调用EndThread结束线程,返回线程返回值。
    至此,线程完全结束。
     
     
    说完构造函数,再来看析构函数:
    destructor TThread.Destroy;
    begin
    if (FThreadID <> 0) and not FFinished then
    begin
    Terminate;
    if FCreateSuspended then
    Resume;
    WaitFor;
    end;
    RemoveQueuedEvents(Self, nil);
    if FHandle <> 0 then CloseHandle(FHandle); //关闭线程Handle
    inherited Destroy;
    FFatalException.Free;
    RemoveThread;
    end;
     
    在线程对象被释放前,首先要检查线程是否还在执行中,如果线程还在执行中(线程ID不为0,并且线程结束标志未设置),则调用Terminate过程结束线程。Terminate过程只是简单地设置线程类的Terminated标志,如下面的代码:
     
    procedure TThread.Terminate;
    begin
    FTerminated := True;
    end;
     
    线程结束后,关闭线程Handle(正常线程创建的情况下Handle都是存在的),释放操作系统创建的线程对象。
    然后调用TObject.Destroy释放本对象,并释放已经捕获的异常对象,
    最后调用RemoveThread减小进程的线程数。
     
     
     
    至此我们知道了线程要结束必须等待线程的Execute方法执行完毕,所以一般来说,要让你的线程能够尽快终止,必须在Execute方法中在较短的时间内不断地检查Terminated标志,以便能及时地退出。这是设计线程代码的一个很重要的原则!
     
     
    接下来我们讲讲线程同步的一些方法:
    1、事件(Event),可以这么理解Event其实相当于一个全局的布尔变量。它有两个赋值操作:Set和Reset,相当于把它设置为True或False。而检查它的值是通过WaitFor操作进行。对应在Windows平台上,是三个API函数:SetEvent、ResetEvent、WaitForSingleObject(实现WaitFor功能的API还有几个,这是最简单的一个)。这三个都是原语操作,所以Event可以实现一般布尔变量不能实现的在多线程中的应用。Set和Reset的功能比较简单,现在来说一下WaitFor的功能:
    WaitFor的功能是检查Event的状态是否是Set状态(相当于True),如果是则立即返回,如果不是,则等待它变为Set状态,在等待期间,调用WaitFor的线程处于挂起状态。另外WaitFor有一个参数用于超时设置,如果此参数为0,则不等待,立即返回Event的状态,如果是INFINITE则无限等待,直到Set状态发生,若是一个有限的数值,则等待相应的毫秒数后返回Event的状态。
    当Event从Reset状态向Set状态转换时,唤醒其它由于WaitFor这个Event而挂起的线程。
     
    2、临界区(CriticalSection)则是一项共享数据访问保护的技术。它其实也是相当于一个全局的布尔变量。但对它的操作有所不同,它只有两个操作:Enter和Leave,同样可以把它的这两个状态当作True和False,分别表示现在是否处于临界区中。这两个操作也是原语,所以它可以用于在多线程应用中保护共享数据,防止访问冲突。
    用临界区保护共享数据的方法很简单:在每次要访问共享数据之前调用Enter设置进入临界区标志,然后再操作数据,最后调用Leave离开临界区。它的保护原理是这样的:当一个线程进入临界区后,如果此时另一个线程也要访问这个数据,则它会在调用Enter时,发现已经有线程进入临界区,然后此线程就会被挂起,等待当前在临界区的线程调用Leave离开临界区,当另一个线程完成操作,调用Leave离开后,此线程就会被唤醒,并设置临界区标志,开始操作数据,这样就防止了访问冲突。
    3、最后要说明一点,Event和CriticalSection都是操作系统资源,使用前都需要创建,使用完后也同样需要释放。如TThread类用到的一个全局Event:SyncEvent和全局CriticalSection:TheadLock,都是在InitThreadSynchronization和DoneThreadSynchronization中进行创建和释放的,而它们则是在Classes单元的Initialization和Finalization中被调用的。
    4、由于在TThread中都是用API来操作Event和CriticalSection的,所以前面都是以API为例,其实Delphi已经提供了对它们的封装,在SyncObjs单元中,分别是TEvent类和TCriticalSection类。用法也与前面用API的方法相差无几。因为TEvent的构造函数参数过多,为了简单起见,Delphi还提供了一个用默认参数初始化的Event类:TSimpleEvent。
     
     
     
    OK, 有了前面对Event和CriticalSection的准备知识,可以正式开始讨论Synchronize和WaitFor了。
    我们知道,Synchronize是通过将部分代码放到主线程中执行来实现线程同步的,因为在一个进程中,只有一个主线程。先来看看Synchronize的实现:
     
    procedure TThread.Synchronize(AMethod: TThreadMethod);
    begin
    FSynchronize.FThread := Self;
    FSynchronize.FSynchronizeException := nil;
    FSynchronize.FMethod := AMethod;
    Synchronize(@FSynchronize); //调用重载版本
    end;
     
    其中FSynchronize是一个记录类型:
    PSynchronizeRecord = ^TSynchronizeRecord;
    TSynchronizeRecord = record
    FThread: TObject;
    FMethod: TThreadMethod;
    FSynchronizeException: TObject;
    end;
     
    TsynchronizeRecord记录类型是非常重要的:用于进行线程和主线程之间进行数据交换,包括传入线程类对象,同步方法及发生的异常。
     
    在Synchronize中调用了它的一个重载版本,而且这个重载版本比较特别,它是一个“类方法”。
    所谓类方法,是一种特殊的类成员方法,它的调用并不需要创建类实例,而是像构造函数那样,通过类名调用。
    之所以会用类方法来实现它,是因为为了可以在线程对象没有创建时也能调用它。
    下面是这个Synchronize的代码:
     
     
     
    class procedure TThread.Synchronize(ASyncRec: PSynchronizeRecord; QueueEvent: Boolean = False);
    var
    SyncProc: TSyncProc;
    SyncProcPtr: PSyncProc;
    begin
    if GetCurrentThreadID = MainThreadID then //判断线程是否是主线程
    ASyncRec.FMethod
    else
    begin
    if QueueEvent then
    New(SyncProcPtr)
    else
    SyncProcPtr := @SyncProc;
    if not QueueEvent then
    SyncProcPtr.Signal := CreateEvent(nil, True, False, nil)
    else
    SyncProcPtr.Signal := 0;
    try
    EnterCriticalSection(ThreadLock);
    try
    SyncProcPtr.Queued := QueueEvent;
    if SyncList = nil then
    SyncList := TList.Create;
    SyncProcPtr.SyncRec := ASyncRec;
    SyncList.Add(SyncProcPtr);
     
    //与CheckSynchronize里的ResetSyncEvent相对应,在Linux下才有用。
    //当前线程如果被主线程WaitFor 这句也是很关键的,它使MsgWaitForMultipleObjects能够返回
    SignalSyncEvent; //注意SyncEvent是定义在Classes.pas单元的全局变量:SyncEvent: THandle;
     
    if Assigned(WakeMainThread) then
    WakeMainThread(SyncProcPtr.SyncRec.FThread); //投递完消息后会调用CheckSynchronize,而CheckSynchronize又会用到ThreadLock
    if not QueueEvent then
    begin
    LeaveCriticalSection(ThreadLock); //这里请大家注意了,调用WaitForSingleObject前先退出临界区,目的就是防止线程死锁
    try
    WaitForSingleObject(SyncProcPtr.Signal, INFINITE);
    finally
    EnterCriticalSection(ThreadLock);
    end;
    end;
    finally
    LeaveCriticalSection(ThreadLock);
    end;
    finally
    if not QueueEvent then
    CloseHandle(SyncProcPtr.Signal);
    end;
    if not QueueEvent and Assigned(ASyncRec.FSynchronizeException) then
    raise ASyncRec.FSynchronizeException;
    end;
    end;
     
     
    这段代码略多一些,不过也不算太复杂。
    1、首先是判断当前线程是否是主线程,如果是,则简单地执行同步方法后返回。
    如果不是主线程,则准备开始同步过程。
    通过局部变量SyncProc记录在线程之前交换数据(参数)和一个Event Handle,其记录结构如下:
    TSyncProc = record
    SyncRec: PSynchronizeRecord;
    Signal: THandle;
    end;
     
    2、然后创建一个Event,接着进入临界区,然后就是把这个记录数据存入SyncList这个列表中(如果这个列表不存在的话,则创建它)。可见ThreadLock这个临界区就是为了保护对SyncList的访问,这一技巧在后面介绍CheckSynchronize时会再次看到。
     
    3、再接下就是调用SignalSyncEvent,其代码在前面介绍TThread的构造函数时已经介绍过了,它的功能就是简单地将SyncEvent作一个Set的操作。关于这个SyncEvent的用途,将在后面介绍WaitFor时再详述。
    4、接下来就是最主要的部分了:调用WakeMainThread事件进行同步操作。WakeMainThread在Tthread线程里并没有实现它,那它是来自哪里呢??大家可以用搜索的方法喽,可以找到是在Forms单元里进行的设置,如下两个过程:
     
    procedure TApplication.HookSynchronizeWakeup;
    begin
    Classes.WakeMainThread := WakeMainThread;
    end;
     
    procedure TApplication.UnhookSynchronizeWakeup;
    begin
    Classes.WakeMainThread := nil;
    end;
     
    上面两个方法分别是在TApplication类的构造函数和析构函数中被调用。
    这就是在Application对象中WakeMainThread事件响应的代码,消息就是在这里被发出的,它利用了一个空消息来实现:
     
    procedure TApplication.WakeMainThread(Sender: TObject);
    begin
    PostMessage(Handle, WM_NULL, 0, 0);
    end;
     
    WakeMainThread是一个TNotifyEvent类型的全局事件。这里之所以要用事件进行处理,是因为Synchronize方法本质上是通过消息,将需要同步的过程放到主线程中执行,如果在一些没有消息循环的应用中(如Console或DLL)是无法使用的,所以要使用这个事件进行处理。
     
    5、同时这个消息的响应也是在Application对象中实现的,见下面的代码(删除无关的部分):
    procedure TApplication.WndProc(var Message: TMessage);
    begin
    try
    with Message do
    case Msg of
    WM_NULL:
    CheckSynchronize;
    except
    HandleException(Self);
    end;
    end;
    其中的CheckSynchronize也是定义在Classes单元中的,由于它比较复杂,我们后面再来讲,现在只要知道它是具体处理Synchronize功能的部分就好,现在继续分析Synchronize的代码。
    6、在执行完WakeMainThread事件后,就退出临界区,然后调用WaitForSingleObject开始等待在进入临界区前创建的那个Event。这个Event的功能是等待这个同步方法的执行结束,关于这点,在后面分析CheckSynchronize时会再说明。
    7、最后释放开始时创建的Event,如果被同步的方法返回异常的话,还会在这里再次抛出异常。
    8、接下来来讲前面没讲的那个CheckSynchronize,见下面的代码:
     
    function CheckSynchronize(Timeout: Integer = 0): Boolean;
    var
    SyncProc: PSyncProc;
    LocalSyncList: TList;
    begin
    if GetCurrentThreadID <> MainThreadID then
    raise EThread.CreateResFmt(@SCheckSynchronizeError, [GetCurrentThreadID]);
    if Timeout > 0 then
    WaitForSyncEvent(Timeout)
    else
    ResetSyncEvent; //注意SyncEvent是定义在Classes.pas单元的全局变量:SyncEvent: THandle;
    LocalSyncList := nil;
    EnterCriticalSection(ThreadLock); //进入临界区
    try
    Integer(LocalSyncList) := InterlockedExchange(Integer(SyncList), Integer(LocalSyncList));
    try
    Result := (LocalSyncList <> nil) and (LocalSyncList.Count > 0);
    if Result then
    begin
    while LocalSyncList.Count > 0 do
    begin
    SyncProc := LocalSyncList[0]; //终于在这里进行线程间的信息传递了
    LocalSyncList.Delete(0);
    LeaveCriticalSection(ThreadLock);
    try
    try
    SyncProc.SyncRec.FMethod; //执行同步方法
    except
    if not SyncProc.Queued then
    SyncProc.SyncRec.FSynchronizeException := AcquireExceptionObject
    else
    raise;
    end;
    finally
    EnterCriticalSection(ThreadLock);
    end;
    if not SyncProc.Queued then
    SetEvent(SyncProc.Signal) //通知线程提交过来的需要同步的方法已经执行完了
    else
    begin
    Dispose(SyncProc.SyncRec);
    Dispose(SyncProc);
    end;
    end;
    end;
    finally
    LocalSyncList.Free;
    end;
    finally
    LeaveCriticalSection(ThreadLock);
    end;
    end;
     
     
    1、首先,这个方法必须在主线程中被调用(如前面通过消息传递到主线程),否则就抛出异常。
    2、接下来调用ResetSyncEvent(它与前面SetSyncEvent对应的,之所以不考虑WaitForSyncEvent的情况,是因为只有在Linux版下才会调用带参数的CheckSynchronize,Windows版下都是调用默认参数0的CheckSynchronize)。
    3、现在可以看出SyncList的用途了:它是用于记录所有未被执行的同步方法的。因为主线程只有一个,而子线程可能有很多个,当多个子线程同时调用同4、接下来看对同步方法的处理:首先是从列表中移出(取出并从列表中删除)第一个同步方法调用数据。然后退出临界区(原因当然也是为了防止死锁)。
    接着就是真正的调用同步方法了。如果同步方法中出现异常,将被捕获后存入同步方法数据记录中。
    5、重新进入临界区后,调用SetEvent通知调用线程,同步方法执行完成了(详见前面Synchronize中的WaitForSingleObject调用)。
     
    至此,整个Synchronize过程的实现介绍完成。
     
    最后来说一下WaitFor,它的功能就是等待线程执行结束。其代码如下:
     
    function TThread.WaitFor: LongWord;
    var
    H: array[0..1] of THandle;
    WaitResult: Cardinal;
    Msg: TMsg;
    begin
    H[0] := FHandle;
    if GetCurrentThreadID = MainThreadID then
    begin
    WaitResult := 0;
    H[1] := SyncEvent; //注意SyncEvent是定义在Classes.pas单元的全局变量:SyncEvent: THandle;
    repeat
    { This prevents a potential deadlock if the background thread
    does a SendMessage to the foreground thread }
    if WaitResult = WAIT_OBJECT_0 + 2 then
    PeekMessage(Msg, 0, 0, 0, PM_NOREMOVE);
    WaitResult := MsgWaitForMultipleObjects(2, H, False, 1000, QS_SENDMESSAGE); //这里很重要
    CheckThreadError(WaitResult <> WAIT_FAILED);
    if WaitResult = WAIT_OBJECT_0 + 1 then
    CheckSynchronize; //有线程进入同步的时候会调用
    until WaitResult = WAIT_OBJECT_0;
    end else WaitForSingleObject(H[0], INFINITE);
    CheckThreadError(GetExitCodeThread(H[0], Result));
    end;
     
     
    1、如果不是在主线程中执行WaitFor的话,很简单,只要调用WaitForSingleObject等待此线程的Handle为Signaled状态即可。
    2、如果是在主线程中执行WaitFor则比较麻烦。首先要在Handle数组中增加一个SyncEvent,然后循环等待,直到线程结束(即MsgWaitForMultipleObjects返回WAIT_OBJECT_0,详见MSDN中关于此API的说明)。
    3、在循环等待中作如下处理:如果有消息发生,则通过PeekMessage取出此消息(但并不把它从消息循环中移除),然后调用MsgWaitForMultipleObjects来等待线程Handle或SyncEvent出现Signaled状态,同时监听消息(QS_SENDMESSAGE参数,详见MSDN中关于此API的说明)。可以把此API当作一个可以同时等待多个Handle的WaitForSingleObject。如果是SyncEvent被SetEvent(返回WAIT_OBJECT_0 + 1),则调用CheckSynchronize处理同步方法。
    4、为什么在主线程中调用WaitFor必须用MsgWaitForMultipleObjects,而不能用WaitForSingleObject等待线程结束呢?因为防止死锁。由于在线程函数Execute中可能调用Synchronize处理同步方法,而同步方法是在主线程中执行的,如果用WaitForSingleObject等待的话,则主线程在这里被挂起,同步方法无法执行,导致线程也被挂起,于是发生死锁。而改用WaitForMultipleObjects则没有这个问题。因为:它的第三个参数为False,表示只要线程Handle或SyncEvent中只要有一个Signaled即可使主线程被唤醒,至于加上QS_SENDMESSAGE是因为Synchronize是通过消息传到主线程来的,所以还要防止消息被阻塞。这样,当线程中调用Synchronize时,主线程就会被唤醒并处理同步调用,在调用完成后继续进入挂起等待状态,直到线程结束。
     
    至此,对线程类TThread的分析可以告一个段落了。
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