Delphi中的线程类

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文章来源: http://liukun966123.my.gsdn.net/2004/10/22/4797/ delphi中的线程类
转贴于 华夏黑客同盟 http://www.77169.org delphi中有一个线程类tthread是用来实现多线程编程的,这个绝大多数delphi书藉都有说到,但基本上都是对
tthread类的几个成员作一简单介绍,再说明一下execute的实现和synchronize的用法就完了。然而这并不是多线程编
程的全部,我写此文的目的在于对此作一个补充。
线程本质上是进程中一段并发运行的代码。一个进程至少有一个线程,即所谓的主线程。同时还可以有多个子线程。
当一个进程中用到超过一个线程时,就是所谓的“多线程”。
那么这个所谓的“一段代码”是如何定义的呢?其实就是一个函数或过程(对delphi而言)。
如果用windows api来创建线程的话,是通过一个叫做createthread的api函数来实现的,它的定义为:
handle createthread(
lpsecurity_attributes lpthreadattributes,
dword dwstacksize,
lpthread_start_routine lpstartaddress,
lpvoid lpparameter,
dword dwcreationflags,
lpdword lpthreadid
);
其各参数如它们的名称所说,分别是:线程属性(用于在nt下进行线程的安全属性设置,在9x下无效),堆栈大小,
起始地址,参数,创建标志(用于设置线程创建时的状态),线程id,最后返回线程handle。其中的起始地址就是线
程函数的入口,直至线程函数结束,线程也就结束了。
因为createthread参数很多,而且是windows的api,所以在c runtime library里提供了一个通用的线程函数(理论上
可以在任何支持线程的os中使用):
unsigned long _beginthread(void (_userentry *__start)(void *), unsigned __stksize, void *__arg);
delphi也提供了一个相同功能的类似函数:
function beginthread(
securityattributes: pointer;
stacksize: longword;
threadfunc: tthreadfunc;
parameter: pointer;
creationflags: longword;
var threadid: longword
): integer;
这三个函数的功能是基本相同的,它们都是将线程函数中的代码放到一个独立的线程中执行。线程函数与一般函数的
最大不同在于,线程函数一启动,这三个线程启动函数就返回了,主线程继续向下执行,而线程函数在一个独立的线
程中执行,它要执行多久,什么时候返回,主线程是不管也不知道的。
正常情况下,线程函数返回后,线程就终止了。但也有其它方式:
windows api:
void exitthread( dword dwexitcode );
c runtime library:
void _endthread(void);
delphi runtime library:
procedure endthread(exitcode: integer);
为了记录一些必要的线程数据(状态/属性等),os会为线程创建一个内部object,如在windows中那个handle便是这
个内部object的handle,所以在线程结束的时候还应该释放这个object。
虽然说用api或rtl(runtime library)已经可以很方便地进行多线程编程了,但是还是需要进行较多的细节处理,为此
delphi在classes单元中对线程作了一个较好的封装,这就是vcl的线程类:tthread
使用这个类也很简单,大多数的delphi书籍都有说,基本用法是:先从tthread派生一个自己的线程类(因为tthread
是一个抽象类,不能生成实例),然后是override抽象方法:execute(这就是线程函数,也就是在线程中执行的代码
部分),如果需要用到可视vcl对象,还需要通过synchronize过程进行。关于之方面的具体细节,这里不再赘述,请
参考相关书籍。
本文接下来要讨论的是tthread类是如何对线程进行封装的,也就是深入研究一下tthread类的实现。因为只是真正地
了解了它,才更好地使用它。
下面是delphi7中tthread类的声明(本文只讨论在windows平台下的实现,所以去掉了所有有关linux平台部分的代码
):
tthread = class
private
fhandle: thandle;
fthreadid: thandle;
fcreatesuspended: boolean;
fterminated: boolean;
fsuspended: boolean;
ffreeonterminate: boolean;
ffinished: boolean;
freturnvalue: integer;
fonterminate: tnotifyevent;
fsynchronize: tsynchronizerecord;
ffatalexception: tobject;
procedure callonterminate;
class procedure synchronize(asyncrec: psynchronizerecord); overload;
function getpriority: tthreadpriority;
procedure setpriority(value: tthreadpriority);
procedure setsuspended(value: boolean);
protected
procedure checkthreaderror(errcode: integer); overload;
procedure checkthreaderror(success: boolean); overload;
procedure doterminate; virtual;
procedure execute; virtual; abstract;
procedure synchronize(method: tthreadmethod); overload;
property returnvalue: integer read freturnvalue write freturnvalue;
property terminated: boolean read fterminated;
public
constructor create(createsuspended: boolean);
destructor destroy; override;
procedure afterconstruction; override;
procedure resume;
procedure suspend;
procedure terminate;
function waitfor: longword;
class procedure synchronize(athread: tthread; amethod: tthreadmethod); overload;
class procedure staticsynchronize(athread: tthread; amethod: tthreadmethod);
property fatalexception: tobject read ffatalexception;
property freeonterminate: boolean read ffreeonterminate write ffreeonterminate;
property handle: thandle read fhandle;
property priority: tthreadpriority read getpriority write setpriority;
property suspended: boolean read fsuspended write setsuspended;
property threadid: thandle read fthreadid;
property onterminate: tnotifyevent read fonterminate write fonterminate;
end;
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。
以加一为例来说明二者实现细节上的不同:
一般来说,对内存数据加一的操作分解以后有三个步骤:
1、 从内存中读出数据
2、 数据加一
3、 存入内存
现在假设在一个两个线程的应用中用inc进行加一操作可能出现的一种情况:
1、 线程a从内存中读出数据(假设为3)
2、 线程b从内存中读出数据(也是3)
3、 线程a对数据加一(现在是4)
4、 线程b对数据加一(现在也是4)
5、 线程a将数据存入内存(现在内存中的数据是4)
6、 线程b也将数据存入内存(现在内存中的数据还是4,但两个线程都对它加了一,应该是5才对,所以这里出现了
错误的结果)
而用interlockincrement过程则没有这个问题,因为所谓“原语”是一种不可中断的操作,即操作系统能保证在一个
“原语”执行完毕前不会进行线程切换。所以在上面那个例子中,只有当线程a执行完将数据存入内存后,线程b才可
以开始从中取数并进行加一操作,这样就保证了即使是在多线程情况下,结果也一定会是正确的。
前面那个例子也说明一种“线程访问冲突”的情况,这也就是为什么线程之间需要“同步”(synchronize),关于这
个,在后面说到同步时还会再详细讨论。
说到同步,有一个题外话:加拿大滑铁卢大学的教授李明曾就synchronize一词在“线程同步”中被译作“同步”提出
过异议,个人认为他说的其实很有道理。在中文中“同步”的意思是“同时发生”,而“线程同步”目的就是避免这
种“同时发生”的事情。而在英文中,synchronize的意思有两个:一个是传统意义上的同步(to occur at the same
time),另一个是“协调一致”(to operate in unison)。在“线程同步”中的synchronize一词应该是指后面一种
意思,即“保证多个线程在访问同一数据时,保持协调一致,避免出错”。不过像这样译得不准的词在it业还有很多
,既然已经是约定俗成了,本文也将继续沿用,只是在这里说明一下,因为软件开发是一项细致的工作,该弄清楚的
,绝不能含糊。
扯远了,回到tthread的构造函数上,接下来最重要就是这句了:
fhandle := beginthread(nil, 0, @threadproc, pointer(self), create_suspended, fthreadid);
这里就用到了前面说到的delphi rtl函数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。有意思的是这个线程类的核心却不是线程的成员,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:
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。
所以说,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。
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。
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。然后执行线程类的doterminate方法。
doterminate方法的代码如下:
procedure tthread.doterminate;
begin
if assigned(fonterminate) then synchronize(callonterminate);
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;
也很简单,就是设置一下一个全局event:syncevent,关于event的使用,本文将在后文详述,而syncevent的用途将
在waitfor过程中说明。
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。
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 (fthreadid0 then closehandle(fhandle);
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;
所以线程仍然必须继续执行到正常结束后才行,而不是立即终止线程,这一点要注意。
在这里说一点题外话:很多人都问过我,如何才能“立即”终止线程(当然是指用tthread创建的线程)。结果当然是
不行!终止线程的唯一办法就是让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!
当然如果你一定要能“立即”退出线程,那么tthread类不是一个好的选择,因为如果用api强制终止线程的话,最终
会导致tthread线程对象不能被正确释放,在对象析构时出现access violation。这种情况你只能用api或rtl函数来创
建线程。
如果线程处于启动挂起状态,则将线程转入运行状态,然后调用waitfor进行等待,其功能就是等待到线程结束后才继
续向下执行。关于waitfor的实现,将放到后面说明。
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。
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synchr

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