Delphi中的線程類

猛禽[Mental Studio]

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之四

臨界區（CriticalSection）則是一項共享數據訪問保護的技術。它其實也是相當于一個全局的布爾變量。但對它的操作有所不同，它只有兩個操作：Enter和Leave，同樣可以把它的兩個狀態當作True和False，分別表示現在是否處于臨界區中。這兩個操作也是原語，所以它可以用于在多線程應用中保護共享數據，防止訪問沖突。

用臨界區保護共享數據的方法很簡單：在每次要訪問共享數據之前調用Enter設置進入臨界區標志，然后再操作數據，最后調用Leave離開臨界區。它的保護原理是這樣的：當一個線程進入臨界區后，如果此時另一個線程也要訪問這個數據，則它會在調用Enter時，發現已經有線程進入臨界區，然后此線程就會被掛起，等待當前在臨界區的線程調用Leave離開臨界區，當另一個線程完成操作，調用Leave離開后，此線程就會被喚醒，并設置臨界區標志，開始操作數據，這樣就防止了訪問沖突。

以前面那個InterlockedIncrement為例，我們用CriticalSection（Windows API）來實現它：

Var

  InterlockedCrit : TRTLCriticalSection;

PRocedure InterlockedIncrement( var aValue : Integer );

Begin

  EnterCriticalSection( InterlockedCrit );

  Inc( aValue );

  LeaveCriticalSection( InterlockedCrit );

End;

現在再來看前面那個例子：

1.         線程A進入臨界區（假設數據為3）

2.         線程B進入臨界區，因為A已經在臨界區中，所以B被掛起

3.         線程A對數據加一（現在是4）

4.         線程A離開臨界區，喚醒線程B（現在內存中的數據是4）

5.         線程B被喚醒，對數據加一（現在就是5了）

6.         線程B離開臨界區，現在的數據就是正確的了。

臨界區就是這樣保護共享數據的訪問。

關于臨界區的使用，有一點要注意：即數據訪問時的異常情況處理。因為如果在數據操作時發生異常，將導致Leave操作沒有被執行，結果將使本應被喚醒的線程未被喚醒，可能造成程序的沒有響應。所以一般來說，如下面這樣使用臨界區才是正確的做法：

EnterCriticalSection

Try

   //  操作臨界區數據

Finally

  LeaveCriticalSection

End;

最后要說明的是，Event和CriticalSection都是操作系統資源，使用前都需要創建，使用完后也同樣需要釋放。如TThread類用到的一個全局Event：SyncEvent和全局CriticalSection：TheadLock，都是在InitThreadSynchronization和DoneThreadSynchronization中進行創建和釋放的，而它們則是在Classes單元的Initialization和Finalization中被調用的。

由于在TThread中都是用API來操作Event和CriticalSection的，所以前面都是以API為例，其實Delphi已經提供了對它們的封裝，在SyncObjs單元中，分別是TEvent類和TCriticalSection類。用法也與前面用API的方法相差無幾。因為TEvent的構造函數參數過多，為了簡單起見，Delphi還提供了一個用默認參數初始化的Event類：TSimpleEvent。

順便再介紹一下另一個用于線程同步的類：TMultiReadExclusiveWriteSynchronizer，它是在SysUtils單元中定義的。據我所知，這是Delphi RTL中定義的最長的一個類名，還好它有一個短的別名：TMREWSync。至于它的用處，我想光看名字就可以知道了，我也就不多說了。

有了前面對Event和CriticalSection的準備知識，可以正式開始討論Synchronize和WaitFor了。

我們知道，Synchronize是通過將部分代碼放到主線程中執行來實現線程同步的，因為在一個進程中，只有一個主線程。先來看看Synchronize的實現：

procedure TThread.Synchronize(Method: TThreadMethod);

begin

  FSynchronize.FThread := Self;

  FSynchronize.FSynchronizeException := nil;

  FSynchronize.FMethod := Method;

  Synchronize(@FSynchronize);

end;

其中FSynchronize是一個記錄類型：

  PSynchronizeRecord = ^TSynchronizeRecord;

  TSynchronizeRecord = record

    FThread: TObject;

    FMethod: TThreadMethod;

    FSynchronizeException: TObject;

  end;

用于進行線程和主線程之間進行數據交換，包括傳入線程類對象，同步方法及發生的異常。

在Synchronize中調用了它的一個重載版本，而且這個重載版本比較特別，它是一個“類方法”。所謂類方法，是一種特殊的類成員方法，它的調用并不需要創建類實例，而是像構造函數那樣，通過類名調用。之所以會用類方法來實現它，是因為為了可以在線程對象沒有創建時也能調用它。不過實際中是用它的另一個重載版本（也是類方法）和另一個類方法StaticSynchronize。下面是這個Synchronize的代碼：

class procedure TThread.Synchronize(ASyncRec: PSynchronizeRecord);

var

  SyncProc: TSyncProc;

begin

  if GetCurrentThreadID = MainThreadID then

    ASyncRec.FMethod

  else

  begin

    SyncProc.Signal := CreateEvent(nil, True, False, nil);

    try

      EnterCriticalSection(ThreadLock);

      try

        if SyncList = nil then

          SyncList := TList.Create;

        SyncProc.SyncRec := ASyncRec;

        SyncList.Add(@SyncProc);

        SignalSyncEvent;

        if Assigned(WakeMainThread) then

          WakeMainThread(SyncProc.SyncRec.FThread);

        LeaveCriticalSection(ThreadLock);

        try

          WaitForSingleObject(SyncProc.Signal, INFINITE);

        finally

          EnterCriticalSection(ThreadLock);

        end;

      finally

        LeaveCriticalSection(ThreadLock);

      end;

    finally

      CloseHandle(SyncProc.Signal);

    end;

    if Assigned(ASyncRec.FSynchronizeException) then raise ASyncRec.FSynchronizeException;

  end;

end;

這段代碼略多一些，不過也不算太復雜。

首先是判斷當前線程是否是主線程，如果是，則簡單地執行同步方法后返回。

如果不是主線程，則準備開始同步過程。

通過局部變量SyncProc記錄線程交換數據（參數）和一個Event Handle，其記錄結構如下：

  TSyncProc = record

    SyncRec: PSynchronizeRecord;

    Signal: THandle;

  end;

然后創建一個Event，接著進入臨界區（通過全局變量ThreadLock進行，因為同時只能有一個線程進入Synchronize狀態，所以可以用全局變量記錄），然后就是把這個記錄數據存入SyncList這個列表中（如果這個列表不存在的話，則創建它）。可見ThreadLock這個臨界區就是為了保護對SyncList的訪問，這一點在后面介紹CheckSynchronize時會再次看到。

再接下就是調用SignalSyncEvent，其代碼在前面介紹TThread的構造函數時已經介紹過了，它的功能就是簡單地將SyncEvent作一個Set的操作。關于這個SyncEvent的用途，將在后面介紹WaitFor時再詳述。

接下來就是最主要的部分了：調用WakeMainThread事件進行同步操作。WakeMainThread是一個TNotifyEvent類型的全局事件。這里之所以要用事件進行處理，是因為Synchronize方法本質上是通過消息，將需要同步的過程放到主線程中執行，如果在一些沒有消息循環的應用中（如Console或DLL）是無法使用的，所以要使用這個事件進行處理。

而響應這個事件的是application對象，下面兩個方法分別用于設置和清空WakeMainThread事件的響應（來自Forms單元）：

procedure TApplication.HookSynchronizeWakeup;

begin

  Classes.WakeMainThread := WakeMainThread;

end;

procedure TApplication.UnhookSynchronizeWakeup;

begin

  Classes.WakeMainThread := nil;

end;

上面兩個方法分別是在TApplication類的構造函數和析構函數中被調用。

這就是在Application對象中WakeMainThread事件響應的代碼，消息就是在這里被發出的，它利用了一個空消息來實現：

procedure TApplication.WakeMainThread(Sender: TObject);

begin

  PostMessage(Handle, WM_NULL, 0, 0);

end;

而這個消息的響應也是在Application對象中，見下面的代碼（刪除無關的部分）：

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也是定義在Classes單元中的，由于它比較復雜，暫時不詳細說明，只要知道它是具體處理Synchronize功能的部分就好，現在繼續分析Synchronize的代碼。

在執行完WakeMainThread事件后，就退出臨界區，然后調用WaitForSingleObject開始等待在進入臨界區前創建的那個Event。這個Event的功能是等待這個同步方法的執行結束，關于這點，在后面分析CheckSynchronize時會再說明。

注意在WaitForSingleObject之后又重新進入臨界區，但沒有做任何事就退出了，似乎沒有意義，但這是必須的！

因為臨界區的Enter和Leave必須嚴格的一一對應。那么是否可以改成這樣呢：

        if Assigned(WakeMainThread) then

          WakeMainThread(SyncProc.SyncRec.FThread);

        WaitForSingleObject(SyncProc.Signal, INFINITE);

      finally

        LeaveCriticalSection(ThreadLock);

      end;

上面的代碼和原來的代碼最大的區別在于把WaitForSingleObject也納入臨界區的限制中了。看上去沒什么影響，還使代碼大大簡化了，但真的可以嗎？

事實上是不行！

因為我們知道，在Enter臨界區后，如果別的線程要再進入，則會被掛起。而WaitFor方法則會掛起當前線程，直到等待別的線程SetEvent后才會被喚醒。如果改成上面那樣的代碼的話，如果那個SetEvent的線程也需要進入臨界區的話，死鎖（Deadlock）就發生了（關于死鎖的理論，請自行參考操作系統原理方面的資料）。

死鎖是線程同步中最需要注意的方面之一！

最后釋放開始時創建的Event，如果被同步的方法返回異常的話，還會在這里再次拋出異常。

（待續）