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delphi中的线程类
delphi中的线程类
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WindowsAPI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:
HANDLECreateThread(
LPSECURITY_ATTRIBUTESlpThreadAttributes,
DWORDdwStackSize,
LPTHREAD_START_ROUTINElpStartAddress,
LPVOIDlpParameter,
DWORDdwCreationFlags,
LPDWORDlpThreadId
);
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。
整个线程的执行过程如下图所示:
因为CreateThread参数很多,而且是Windows的API,所以在CRuntimeLibrary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):
unsignedlong_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:
functionBeginThread(SecurityAttributes:
Pointer;StackSize:
LongWord;ThreadFunc:
TThreadFunc;Parameter:
Pointer;CreationFlags:
LongWord;varThreadId:
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:
WindowsAPI:
VOIDExitThread(DWORDdwExitCode);
CRuntimeLibrary:
void_endthread(void);
DelphiRuntimeLibrary:
procedureEndThread(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(RuntimeLibrary)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;
procedureCallOnTerminate;
classprocedureSynchronize(ASyncRec:
PSynchronizeRecord);overload;
functionGetPriority:
TThreadPriority;
procedureSetPriority(Value:
TThreadPriority);
procedureSetSuspended(Value:
Boolean);
protected
procedureCheckThreadError(ErrCode:
Integer);overload;
procedureCheckThreadError(Success:
Boolean);overload;
procedureDoTerminate;virtual;
procedureExecute;virtual;abstract;
procedureSynchronize(Method:
TThreadMethod);overload;
propertyReturnValue:
IntegerreadFReturnValuewriteFReturnValue;
propertyTerminated:
BooleanreadFTerminated;
public
constructorCreate(CreateSuspended:
Boolean);
destructorDestroy;override;
procedureAfterConstruction;override;
procedureResume;
procedureSuspend;
procedureTerminate;
functionWaitFor:
LongWord;
classprocedureSynchronize(AThread:
TThread;AMethod:
TThreadMethod);overload;
classprocedureStaticSynchronize(AThread:
TThread;AMethod:
TThreadMethod);
propertyFatalException:
TObjectreadFFatalException;
propertyFreeOnTerminate:
BooleanreadFFreeOnTerminatewriteFFreeOnTerminate;
propertyHandle:
THandlereadFHandle;
propertyPriority:
TThreadPriorityreadGetPrioritywriteSetPriority;
propertySuspended:
BooleanreadFSuspendedwriteSetSuspended;
propertyThreadID:
THandlereadFThreadID;
propertyOnTerminate:
TNotifyEventreadFOnTerminatewriteFOnTerminate;
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:
constructorTThread.Create(CreateSuspended:
Boolean);
begin
inheritedCreate;
AddThread;
FSuspended:
=CreateSuspended;
FCreateSuspended:
=CreateSuspended;
FHandle:
=BeginThread(nil,0,@ThreadProc,Pointer(Self),CREATE_SUSPENDED,FThreadID);
ifFHandle=0then
raiseEThread.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:
procedureAddThread;
begin
InterlockedIncrement(ThreadCount);
end;
同样有一个对应的RemoveThread:
procedureRemoveThread;
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(Tooccuratthesametime),另一个是“协调一致”(Tooperateinunison)。
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DelphiRTL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:
functionThreadProc(Thread:
TThread):
Integer;
var
FreeThread:
Boolean;
begin
try
ifnotThread.Terminatedthen
try
Thread.Execute;
except
Thread.FFatalException:
=AcquireExceptionObject;
end;
finally
FreeThread:
=Thread.FFreeOnTerminate;
Result:
=Thread.FReturnValue;
Thread.DoTerminate;
Thread.FFinished:
=True;
SignalSyncEvent;
ifFreeThreadthenThread.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:
procedureTThread.DoTerminate;
begin
ifAssigned(FOnTerminate)thenSynchronize(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:
procedureTThread.CallOnTerminate;
begin
ifAssigned(FOnTerminate)thenFOnTerminate(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:
procedureSignalSyncEvent;
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:
destructorTThread.Destroy;
begin
if(FThreadID<>0)andnotFFinishedthen
begin
Terminate;
ifFCreateSuspendedthen
Resume;
WaitFor;
end;
ifFHandle<>0thenCloseHandle(FHandle);
inheritedDestroy;
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:
procedureTThread.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AccessViolation。
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(WindowsAPI)来实现它:
Var
InterlockedCrit:
TRTLCriticalSection;
ProcedureInterlockedIncrement(varaValue:
Integer);
Begin
EnterCriticalS
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