Delphi中的线程类

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delphi中的线程类

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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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