Delphi中的线程类

猛禽[Mental Studio]

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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：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Synchronize和WaitFor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。

在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Console或DLL）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Enter和Leave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）