Delphi线程中的两个重要概念

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其它关于suspend/resume及线程优先级设置等方面,不是本文的重点,不再赘述。下面要讨论的是本文的另两个重点: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)与delphi中的事件有所不同。从本质上说,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,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,这就是它为什么叫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,但实际使用中就会发现,这样的等待会占用大量的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,有的时候甚至可能会有问题。所以不建议这样用。
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。
以前面那个interlockedincrement为例,我们用criticalsection(windows api)来实现它:
var
interlockedcrit : trtlcriticalsection;
procedure interlockedincrement( var avalue : integer );
begin
entercriticalsection( interlockedcrit );
inc( avalue );
leavecriticalsection( interlockedcrit );
end;
现在再来看前面那个例子:
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了)
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,如下面这样使用临界区才是正确的做法:
entercriticalsection
try
// 操作临界区数据
finally
leavecriticalsection
end;
最后要说明的是,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。
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。
顺便再介绍一下另一个用于线程同步的类:tmultireadexclusivewritesynchronizer,它是在sysutils单元中定义的。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。至于它的用处,我想光看名字就可以知道了,我也就不多说了。
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:
procedure tthread.synchronize(method: tthreadmethod);
begin
fsynchronize.fthread := self;
fsynchronize.fsynchronizeexception := nil;
fsynchronize.fmethod := method;
synchronize(@fsynchronize);
end;
其中fsynchronize是一个记录类型:
psynchronizerecord = ^tsynchronizerecord;
tsynchronizerecord = record
fthread: tobject;
fmethod: tthreadmethod;
fsynchronizeexception: tobject;
end;
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。不过实际中是用它的另一个重载版本(也是类方法)和另一个类方法staticsynchronize。下面是这个synchronize的代码:
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;
这段代码略多一些,不过也不算太复杂。
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;
然后创建一个event,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),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,这一点在后面介绍checksynchronize时会再次看到。
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。
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。
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):
procedure tapplication.hooksynchronizewakeup;
begin
classes.wakemainthread := wakemainthread;
end;
procedure tapplication.unhooksynchronizewakeup;
begin
classes.wakemainthread := nil;
end;

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