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Delphi中的线程类--之(4)

2019-11-18 18:28:02
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来源:转载
供稿:网友
 

Delphi中的线程类

 

猛禽[Mental Studio]

http://mental.mentsu.com

 

之四

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:EnterLeave,同样可以把它的两个状态当作TrueFalse,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CriticalSectionWindows 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,EventCriticalSection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EventSyncEvent和全局CriticalSectionTheadLock,都是在InitThreadSynchronizationDoneThreadSynchronization中进行创建和释放的,而它们则是在Classes单元的InitializationFinalization中被调用的。

由于在TThread中都是用API来操作EventCriticalSection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EventCriticalSection的准备知识,可以正式开始讨论SynchronizeWaitFor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。

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ConsoleDLL)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;

上面两个方法分别是在TApplication类的构造函数和析构函数中被调用。

这就是在Application对象中WakeMainThread事件响应的代码,消息就是在这里被发出的,它利用了一个空消息来实现:

procedure TApplication.WakeMainThread(Sender: TObject);

begin

  PostMessage(Handle, WM_NULL, 0, 0);

end;

而这个消息的响应也是在Application对象中,见下面的代码(删除无关的部分):

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也是定义在Classes单元中的,由于它比较复杂,暂时不详细说明,只要知道它是具体处理Synchronize功能的部分就好,现在继续分析Synchronize的代码。

在执行完WakeMainThread事件后,就退出临界区,然后调用WaitForSingleObject开始等待在进入临界区前创建的那个Event。这个Event的功能是等待这个同步方法的执行结束,关于这点,在后面分析CheckSynchronize时会再说明。

注意在WaitForSingleObject之后又重新进入临界区,但没有做任何事就退出了,似乎没有意义,但这是必须的!

因为临界区的EnterLeave必须严格的一一对应。那么是否可以改成这样呢:

        if Assigned(WakeMainThread) then

          WakeMainThread(SyncProc.SyncRec.FThread);

        WaitForSingleObject(SyncProc.Signal, INFINITE);

      finally

        LeaveCriticalSection(ThreadLock);

      end;

上面的代码和原来的代码最大的区别在于把WaitForSingleObject也纳入临界区的限制中了。看上去没什么影响,还使代码大大简化了,但真的可以吗?

事实上是不行!

因为我们知道,在Enter临界区后,如果别的线程要再进入,则会被挂起。而WaitFor方法则会挂起当前线程,直到等待别的线程SetEvent后才会被唤醒。如果改成上面那样的代码的话,如果那个SetEvent的线程也需要进入临界区的话,死锁(Deadlock)就发生了(关于死锁的理论,请自行参考操作系统原理方面的资料)。

死锁是线程同步中最需要注意的方面之一!

最后释放开始时创建的Event,如果被同步的方法返回异常的话,还会在这里再次抛出异常。

(待续)


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