接着上文介绍TThread。
现在开始说明 Synchronize和WaitFor
但是在介绍这两个函数之前,需要先介绍另外两个线程同步技术:事件和临界区
事件(Event)
事件(Event)与Delphi中的事件有所不同。从本质上讲,Event其实就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、WaitForSignalObject(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,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的功能前面已经说过了,现在来说一下WaitFor的功能:
WaitFor的功能是检查Event的状态是不是为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则无线等待这,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之后返回Event的状态
当Event从Reset状态向Set状态转换时,唤醒其他由于WaitFor这个Event而挂起的线程,这就是他为什么叫Event的原因。所谓“事件”就是指“状态的转换”。通过Event可以在线程间传递这种“状态转换”信息。
当然用一个受保护(见下面的临界区介绍——)的布尔变量也能实现类似的功能,只要用一个循环检查此布尔值的代码来代替WaitFor即可,从功能上说完全没有问题,但是实际使用中就会发现,这样会占用大量的CPU资源,降低系统性能,影响到别的线程的执行速度,所以是不经济的,有时候甚至可能出问题,所以不建议这么做
临界区(Critical Section)
临界区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,同样可以把它的两个状态当做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:在每次要共享数据之前调用Enter设置进入临界区标识,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之后,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时,调用Leave离开后,次线程就会被唤醒,并设置临界区标志,开始操作数据,这样就防止了访问冲突
以前面那个InterlockedIncrement为例,我们用CriticalSection(Windows API)来实现它
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var
InterlockedCrit: TRTLCriticalSection;
procedure
InterlockedIncrement(
var
aValue:
Integer
);
begin
EnterCriticalSection(InterlockedCrit);
Inc(aValue);
LeaveCriticalSection(InterlockedCrit);
end
;
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注意使用临界区的语法格式:先Enter临界区,再对某个数据进行操作,然后Leave临界区
现在再来看前面的那个例子(在上篇博客里)
1)线程A进入临界区(假设数据为3)
2)线程B进入临界区,因为此时A已经在临界区中,所以B被挂起
3)线程A对数据加一(现在是4)
4)线程A离开临界区,唤醒线程B(现在内存中的数据是4)
5)线程B被唤醒,对数据加一(现在就是5)
6)线程B离开临界区,现在的数据就是正确的了
临界区就是这样保护共享数据的访问
关于临界区的使用,有一点要注意:即数据访问时的异常情况处理。因为如果在数据操作时发生异常,将导致Leave操作没有被执行,结果将使本应该被唤醒的线程未被唤醒,可能造成程序的没有响应。所以一般来说,如下面这样访问临界区才是正确的做法:
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EnterCriticalSection( InterlockedCrit );
try
//操作临界区数据
finally
LeaveCriticalSection( InterlockedCrit );
end
;
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最后要说的是,Event和CriticalSection都是操作系统资源,使用前都需要创建,使用完成之后也同样需要释放。如
TThread类用到的一个全局Event:SyncEvent 和全局CriticalSection: ThreadLock,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。
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已经提供它们的封装,在 SyncObjs单元中,分别是 TEvent类 和 TCriticalSection类。用法也和前面用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
顺便再介绍一下另一个用于线程同步的类:TMultiReadExclusiveWriteSynchronizer, 它是在 SysUtils 单元里面定义的。据我所知,这是Delphi RTL中定义的最长的一个类名,还好它有一个短的别名: TMREWSync。至于他的用处,光看名字就可以知道了
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
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procedure
TThread
.
Synchronize(Method: TTheadMethod);
begin
FSynchronize
.
FThread:= Self;
FSynchronize
.
FSynchronize
.
Exception:=
nil
;
FSynchronize
..
FMethod:= Method;
Synchronize(@FSynchronize);
end
;
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其中FSynchronize是一个记录类型:
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PSynchronizeRecord= ^TSynchronizeRecord;
TSynchronizeRecord =
record
FThread: TObject;
FMethod: TThreadMethod;
FSynchronizeException: TObject;
end
;
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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,而是想构造函数那样,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还没有被创建的时候也能调用它。不过实际中用它的是另外一个重载版本(也是类方法)和另一个类方法StaticSynchronize。
下面是这个Synchronize的代码
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class
procedure
TThread
.
Synchronize(ASyncRec: PSynchronizeRecord);
var
SyncProc: TSyncProc;
begin
if
GetCurrentThreadID = MainThreadID
then
ASyncRec
.
FMethod
// 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。
else
begin
SyncProc
.
Signal := CreateEvent(
nil
,
True
,
False
,
nil
);
{ 通过局部变量SyncProc记录线程交换数据(参数)和一个Event Handle,其记录结构如下:
TSyncProc = record
SyncRec: PSynchronizeRecord;
Signal: THandle;
end; }
try
EnterCriticalSection(ThreadLock);
{
接着进入临界区(通过全局变量ThreadLock进行,因为同时只能有一个线程进入Synchronize状态,所以可以用全局变量记录)
}
try
{ 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)。 }
if
SyncList =
nil
then
SyncList := TList
.
Create;
//
SyncProc
.
SyncRec := ASyncRec;
SyncList
.
Add(@SyncProc);
{ 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。 }
SignalSyncEvent;
{ 接下来就是最主要的部分了:调用WakeMainThread事件进行同步操作。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。 }
if
Assigned(WakeMainThread)
then
WakeMainThread(SyncProc
.
SyncRec
.
FThread);
LeaveCriticalSection(ThreadLock);
// 在执行完WakeMainThread事件后,就退出临界区
try
WaitForSingleObject(SyncProc
.
Signal, INFINITE);
{ 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。 }
finally
EnterCriticalSection(ThreadLock);
end
;
{ 注意在WaitForSingleObject之后又重新进入临界区,但没有做任何事就退出了,似乎没有意义,但这是必须的!
因为临界区的Enter和Leave必须严格的一一对应。那么是否可以改成这样呢:
if Assigned(WakeMainThread) then
WakeMainThread(SyncProc.SyncRec.FThread);
WaitForSingleObject(SyncProc.Signal, INFINITE);
finally
LeaveCriticalSection(ThreadLock);
end;
上面的代码和原来的代码最大的区别在于把WaitForSingleObject也纳入临界区的限制中了。看上去没什么影响,还使代码大大简化了,但真的可以吗?事实上是不行!
因为我们知道,在Enter临界区后,如果别的线程要再进入,则会被挂起。而WaitFor方法则会挂起当前线程,直到等待别的线程SetEvent后才会被唤醒。如果改成上面那样的代码的话,如果那个SetEvent的线程也需要进入临界区的话,死锁(Deadlock)就发生了(关于死锁的理论,请自行参考操作系统原理方面的资料)。死锁是线程同步中最需要注意的方面之一!
}
finally
LeaveCriticalSection(ThreadLock);
end
;
finally
CloseHandle(SyncProc
.
Signal);
end
;
// 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。
if
Assigned(ASyncRec
.
FSynchronizeException)
then
raise
ASyncRec
.
FSynchronizeException;
end
;
end
;
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这段代码略多一些,不过也不算复杂。
可见ThreadLock这个临界区就是为了保护对SyncList的访问,这一点在后面介绍CheckSynchronize时会再次看到。
而响应这个事件的是Application对象,下面两个方法分别用于设置和清空 WakeMainThread事件的响应(来自Forms单元)
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procedure
TApplication
.
HookSynchronizeWakeup;
begin
Classes
.
WakeMianThread:= WakeMainThread;
end
;
procedure
TApplication
.
UnhookSynchronizeWakeup;
begin
Classes
.
WakeMainThread:=
nil
;
end
;
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上面这两个方法分别是在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,它利用一个空消息来实现
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procedure
TApplication
.
WakeMainThread(Sender: TObject);
begin
PostMessage(Handle, WM_NULL,
0
,
0
);
end
;
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而这个消息的响应也是在Application对象中,见下面的代码(删除无关的部分)
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procedure
TApplication
.
WndProc(
var
Message: TMessage);
...
begin
try
…
with
Message
do
case
Msg
of
…
WM_NULL:
CheckSynchronize;
…
except
HandleException(Self);
end
;
end
;
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其中的CheckSynchronize也是定义在Classes单元中的,由于他比较复杂,暂时不详细说明,只要知道它是具体处理Synchronize功能的部分就好,回到前面CheckSynchronize,见下面的代码
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function
CheckSynchronize(Timeout:
Integer
=
0
):
Boolean
;
var
SyncProc: PSyncProc;
LocalSyncList: TList;
begin
// 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。
if
GetCurrentThreadID <> MainThreadID
then
raise
EThread
.
CreateResFmt(@SCheckSynchronizeError, [GetCurrentThreadID]);
{ 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)。 }
if
Timeout >
0
then
WaitForSyncEvent(Timeout)
else
ResetSyncEvent;
{ 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步方法时,主线程可能一时无法处理,所以需要一个列表来记录它们。 }
LocalSyncList :=
nil
;
EnterCriticalSection(ThreadLock);
try
Integer
(LocalSyncList) := InterlockedExchange(
Integer
(SyncList),
Integer
(LocalSyncList));
try
Result := (LocalSyncList <>
nil
)
and
(LocalSyncList
.
Count >
0
);
if
Result
then
begin
{ 在这里用一个局部变量LocalSyncList来交换SyncList,这里用的也是一个原语:InterlockedExchange。同样,这里也是用临界区将对SyncList的访问保护起来。只要LocalSyncList不为空,则通过一个循环来依次处理累积的所有同步方法调用。最后把处理完的LocalSyncList释放掉,退出临界区。 }
while
LocalSyncList
.
Count >
0
do
begin
{ 再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。 }
SyncProc := LocalSyncList[
0
];
LocalSyncList
.
Delete(
0
);
LeaveCriticalSection(ThreadLock);
try
try
SyncProc
.
SyncRec
.
FMethod;
except
// 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。
SyncProc
.
SyncRec
.
FSynchronizeException := AcquireExceptionObject;
end
;
finally
EnterCriticalSection(ThreadLock);
{ 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)。 }
end
;
SetEvent(SyncProc
.
signal);
end
;
end
;
finally
LocalSyncList
.
Free;
// 等list的序列全部执行完后,释放list的资源
end
;
finally
LeaveCriticalSection(ThreadLock);
end
;
end
;
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至此,整个Synchronize的实现介绍完成。
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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;
repeat
{ This prevents a potential deadlock if the background thread does a SendMessage to the foreground thread }
if
WaitResult = WAIT_OBJECT_0 +
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then
PeekMessage(Msg,
0
,
0
,
0
, PM_NOREMOVE);
WaitResult := MsgWaitForMultipleObjects(
2
, H,
False
,
1000
,
QS_SENDMESSAGE);
CheckThreadError(WaitResult <> WAIT_FAILED);
if
WaitResult = WAIT_OBJECT_0 +
1
then
CheckSynchronize;
until
WaitResult = WAIT_OBJECT_0;
end
else
WaitForSingleObject(H[
0
], INFINITE);
CheckThreadError(GetExitCodeThread(H[
0
], Result));
end
;
|
如果不是在主线程中执行WaitFor的话,很简单,只要调用 WaitForSignalObject 等待此线程的Handle为Signaled状态即可
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)。