Delphi中的线程类

2019-11-18 18:06:16

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供稿：网友

Delphi中的线程类--之（1）
Delphi中的线程类--之（1）    Raptor（原作）

关键字     Thread Event CriticalSection Synchronize

Delphi中的线程类

猛禽[Mental Studio]

http://mental.mentsu.com

（之一）

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。
整个线程的执行过程如下图：
此主题相关图片如下：

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。

（待续）

Delphi中的线程类--之（2）
Delphi中的线程类--之（2）    Raptor（原作）

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之二

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