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使用線程
Greg Ewing
Clarity Consulting Inc.
2002 年 3 月
摘要：本文論述了各種模式的線程（單線程、單元線程和自由線程）以及每種模式的使用方法。同時，還提供了一個使用線程的 C# 語言代碼示例，以幫助您編寫使用線程的應(yīng)用程序。本文還討論了多線程代碼中的一些重要問題。
下載（英文）示例文件。（請注意，在示例文件中，程序員的注釋使用的是英文，本文中將其譯為中文是為了便于讀者進(jìn)行理解。）
目錄
簡介
線程背景
示例應(yīng)用程序
多線程代碼問題
總結(jié)
簡介
編寫多線程 Microsoft® 消息隊(duì)列 (MSMQ) 觸發(fā)器應(yīng)用程序向來是一件讓人畏懼的事情。不過，.NET 框架線程和消息類的出現(xiàn)使這項(xiàng)工作變得比以前容易了。這些類允許您使用任何適用于 .NET 框架的語言來編寫多線程應(yīng)用程序。以前，像 Microsoft Visual Basic® 之類的工具對線程的支持十分有限。因此不得不使用 C++ 來編寫多線程代碼，通過 Visual Basic 構(gòu)建由多個過程或 ActiveX DLL 組成的解決方案（這種解決方案一點(diǎn)也不理想），或者干脆完全放棄多線程。使用 .NET 框架，您可以構(gòu)建各種多線程應(yīng)用程序，而不用考慮選擇使用哪種語言。
本文將逐步介紹構(gòu)建偵聽并處理來自 Microsoft 消息隊(duì)列的多線程應(yīng)用程序的過程。本文將著重討論兩個名稱空間 System.Threading 和 System.Messaging。示例代碼是用 C# 語言編寫的，但您可以輕松地將其轉(zhuǎn)換為您所使用的語言。
線程背景
在 Win32 環(huán)境中，線程有三種基本模式：單線程、單元線程和自由線程。
單線程
您最初編寫的某些應(yīng)用程序很可能是單線程應(yīng)用程序，僅包含與應(yīng)用程序進(jìn)程對應(yīng)的線程。進(jìn)程可以被定義為應(yīng)用程序的實(shí)例，擁有該應(yīng)用程序的內(nèi)存空間。大多數(shù) Windows 應(yīng)用程序都是單線程的，即用一個線程完成所有工作。
單元線程
單元線程是一種稍微復(fù)雜的線程模式。標(biāo)記用于單元線程的代碼可以在其自己的線程中執(zhí)行，并限制在自己的單元中。線程可以被定義為進(jìn)程所擁有的實(shí)體。處理時將調(diào)度該進(jìn)程。在單元線程模式中，所有線程都在主應(yīng)用程序內(nèi)存中各自的子段范圍內(nèi)運(yùn)行。此模式允許多個代碼實(shí)例同時但獨(dú)立地運(yùn)行。例如，在 .NET 之前，Visual Basic 僅限于創(chuàng)建單元線程組件和應(yīng)用程序。
自由線程
自由線程是最復(fù)雜的線程模式。在自由線程模式中，多個線程可以同時調(diào)用相同的方法和組件。與單元線程不同，自由線程不會被限制在獨(dú)立的內(nèi)存空間。當(dāng)應(yīng)用程序必須進(jìn)行大量相似而又獨(dú)立的數(shù)學(xué)計(jì)算時，您可能需要使用自由線程。在這種情況下，您需要生成多個線程使用相同的代碼示例來執(zhí)行計(jì)算。可能 C++ 開發(fā)人員是僅有的編寫過自由線程應(yīng)用程序的應(yīng)用程序開發(fā)人員，因?yàn)橄?Visual Basic 6.0 這樣的語言幾乎不可能編寫自由線程應(yīng)用程序。
使用線程模式
為了使您對線程模式有一定的概念，我們可以將其想象為從一所屋子搬到另一所屋子。如果您采用單線程方法，則需要您自己完成從打包到扛箱子再到拆包的所有工作。如果您使用單元線程模式，則表示您邀請了好朋友來幫忙。每個朋友在一個單獨(dú)的房間里工作，并且不能幫助在其他房間工作的人。他們各自負(fù)責(zé)自己的空間和空間內(nèi)的物品搬運(yùn)。如果您采用自由線程方法，您仍然邀請相同的朋友來幫忙，但是所有朋友可以隨時在任何一個房間工作，共同打包物品。與此類似，您的房子就是運(yùn)行所有線程的進(jìn)程，每個朋友都是一個代碼實(shí)例，搬運(yùn)的物品為應(yīng)用程序的資源和變量。
本示例解釋了不同線程模式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。單元線程比單線程要快，因?yàn)橛卸鄠�組件實(shí)例在工作。在某些情況下，自由線程比單元線程更快更有效，這是因?yàn)樗惺虑橥瑫r發(fā)生，并且可以共享所有資源。但是，當(dāng)多線程更改共享資源時，這可能會出現(xiàn)問題。假設(shè)一個人開始使用箱子打包廚房用具，此時另一個朋友進(jìn)來了，要使用同一個箱子打包浴室的東西。第一個朋友在箱子上貼上了“廚房用具”，另一個朋友用“洗漱用品”標(biāo)簽覆蓋了原標(biāo)簽。結(jié)果，當(dāng)您拆包時，就會發(fā)生將廚房用品搬到浴室的情況。
示例應(yīng)用程序
第一步是要檢查示例應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。應(yīng)用程序?qū)⑸啥鄠�線程，每個線程都偵聽來自 MSMQ 隊(duì)列的消息。本示例使用兩個類，主 Form 類和自定義 MQListen 類。Form 類將處理用戶界面并創(chuàng)建，管理和破壞輔助線程。MQListen 類包含所有代碼，包括輔助線程運(yùn)行所需的消息隊(duì)列因素。
準(zhǔn)備應(yīng)用程序
要啟動應(yīng)用程序，請打開 Visual Studio .NET 并創(chuàng)建一個名為 MultiThreadedMQListener 的新 C# Windows 應(yīng)用程序。打開窗體的屬性，將其命名為 QueueListenerForm。畫出初始窗體后，將兩個標(biāo)簽、兩個按鈕、一個狀態(tài)欄和兩個文本框拖放到窗體上。將第一個文本框命名為 Server，第二個文本框命名為 Queue。將第一個按鈕命名為 StartListening，第二個按鈕命名為 StopListening�？梢员Ａ魻顟B(tài)欄的默認(rèn)名稱 statusBar1。
下一步，單擊 Project（項(xiàng)目）菜單并單擊 Add Reference（添加引用），以向 System.Messaging 名稱空間添加一個引用。在 .NET 組件列表中找到并選擇 System.Messaging.Dll。名稱空間包含與 MSMQ 隊(duì)列通信所使用的類。
下一步，單擊 File（文件）菜單，然后單擊 Add New Item（添加新項(xiàng)），以在項(xiàng)目中添加一個新類。選擇 Class（類）模板并將其命名為 MQListen。在類的頂部添加下列 using 語句：
// C#
using System.Threading;
using System.Messaging;
System.Threading 名稱空間允許您訪問所有必要的線程功能，在本例中，您可以訪問 Thread 類和 ThreadInterruptException 構(gòu)造函數(shù)。該名稱空間還包括許多其他高級功能，本文不作詳細(xì)討論。System.Messaging 名稱空間允許您訪問 MSMQ 功能，包括向隊(duì)列發(fā)送消息和接收隊(duì)列消息。在本例中，您將使用 MessageQueue 類來接收消息。還必須在主窗體代碼中添加 using System.Threading。
所有引用就位后，您就可以開始編寫代碼了。
輔助線程
首先需要構(gòu)建封裝所有線程工作的 MQListen 類。將下列代碼插入 MQListen 中。
// C#
public class MQListen
{
private string m_MachineName;
private string m_QueueName;
// 構(gòu)造函數(shù)接收必要的隊(duì)列信息。
public MQListen(string MachineName, string QueueName)
{
m_MachineName = MachineName;
m_QueueName = QueueName;
}
// 每個線程用來偵聽 MQ 消息的一種唯一方法
public void Listen()
{
// 創(chuàng)建一個 MessageQueue 對象。
System.Messaging.MessageQueue MQ= new
System.Messaging.MessageQueue();
// 設(shè)置 MessageQueue 對象的路徑屬性。
MQ.Path = m_MachineName + "\\private$\\" + m_QueueName;
// 創(chuàng)建一個 Message 對象。
System.Messaging.Message Message = new
System.Messaging.Message();
// 重復(fù)上述步驟，直到收到中斷。
while (true)
{
try
{
// 休眠以在中斷發(fā)出時捕捉中斷。
System.Threading.Thread.Sleep(100);
// 將 Message 對象設(shè)置為與接收函數(shù)的結(jié)果相等。
// 持續(xù)時間（天、小時、分鐘、秒）。
Message = MQ.Receive(new TimeSpan(0, 0, 0, 1));
// 顯示已接收消息的標(biāo)簽
System.Windows.Forms.MessageBox.Show(" Label: " + Message.Label);
}
catch (ThreadInterruptedException e)
{
// 從主線程捕捉 ThreadInterrupt 并退出。
Console.WriteLine("Exiting Thread");
Message.Dispose();
MQ.Dispose();
break;
}
catch (Exception GenericException)
{
// 捕捉接收過程中拋出的所有異常。
Console.WriteLine(GenericException.Message);
}
}
}
}
代碼討論
MQListen 類包含一個不同于構(gòu)造函數(shù)的函數(shù)。該函數(shù)封裝每個輔助線程要執(zhí)行的所有工作。在主線程中，您向線程構(gòu)造函數(shù)傳遞一個對此函數(shù)的引用，以便在啟動線程時執(zhí)行該函數(shù)。
Listen 所做的第一件事情是設(shè)置一個消息隊(duì)列對象。MessageQueue 構(gòu)造函數(shù)通過三種實(shí)現(xiàn)進(jìn)行重載。第一種實(shí)現(xiàn)使用兩個參數(shù)：一個字符串參數(shù)，指定偵聽隊(duì)列的位置；一個布爾值參數(shù)，指示是否為訪問隊(duì)列的第一個應(yīng)用程序賦予獨(dú)占讀取隊(duì)列的權(quán)限。第二種實(shí)現(xiàn)只使用隊(duì)列路徑參數(shù)，第三種實(shí)現(xiàn)不使用參數(shù)。為了簡便起見，您可以使用第三種實(shí)現(xiàn)，在下一行分配路徑。
如果您引用了隊(duì)列，則必須創(chuàng)建一個消息對象。消息構(gòu)造函數(shù)也有三種實(shí)現(xiàn)方式。如果您想將消息寫入隊(duì)列，則可以使用前兩種實(shí)現(xiàn)。這兩種實(shí)現(xiàn)采用兩個對象：一個是位于消息正文中的對象；一個是定義如何將對象序列化到消息正文的 IMessageFormatter 對象。在本例中，您將從隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù)，以初始化空的消息對象。
初始化對象后，您需要輸入執(zhí)行所有工作的主循環(huán)。然后，當(dāng)主線程調(diào)用 Interrupt 終止這些線程時，則只有在線程處于等待、睡眠或連接狀態(tài)下才會被中斷。如果沒有處于上述三種狀態(tài)，則要等到下次進(jìn)入這三種狀態(tài)中的一種時才會被中斷。要確保輔助線程進(jìn)入等待、睡眠或連接狀態(tài)，請調(diào)用位于 System.Threading 名稱空間的 Sleep 方法。對于使用過 Windows API 睡眠函數(shù)的 C++ 和 Visual Basic 開發(fā)人員而言，Sleep 方法并不陌生。它只使用一個參數(shù)：線程處于睡眠狀態(tài)的毫秒數(shù)。如果您從未調(diào)用過 Sleep，輔助線程將永遠(yuǎn)不會進(jìn)入可以接收中斷請求的狀態(tài)，而會無限制地繼續(xù)下去，除非您手動關(guān)閉進(jìn)程。
MQ Receive 方法有兩種實(shí)現(xiàn)。第一種實(shí)現(xiàn)不使用參數(shù)，將一直等待接收消息。第二種實(shí)現(xiàn)（本例使用這種實(shí)現(xiàn)）使用 TimeSpan 對象指定一個超時值。TimeSpan 構(gòu)造函數(shù)包含四個參數(shù)：日、小時、分鐘和秒。在本例中，Receive 方法在超時和返回前將等待一秒種。
收到的消息將被分配給先前創(chuàng)建的消息對象，然后，便可以對其進(jìn)行處理了。本例打開一個帶有標(biāo)簽的消息框，并刪除了此消息。如果您想在實(shí)際使用中采用此代碼，則可以在此處放置任何消息處理代碼。
當(dāng)輔助線程收到 Interrupt 請求后，將發(fā)出一個 ThreadInterruptedException 異常。要捕捉此異常，請?jiān)?try-catch 塊中包含 Sleep 和 Receive 函數(shù)。您應(yīng)當(dāng)指定兩個捕獲：第一個用于捕獲中斷異常，第二個用于處理捕獲到的錯誤異常。捕獲到中斷異常時，請首先將其寫入線程正在退出的調(diào)試窗口。下一步，對隊(duì)列對象和消息對象調(diào)用 Dispose 方法，以保證所有內(nèi)存都被清空并發(fā)送到內(nèi)存回收器。最后，中斷 while 循環(huán)。
函數(shù)退出 while 循環(huán)后，關(guān)聯(lián)的線程也將立即結(jié)束，代碼為 0。在調(diào)試窗口，您將看到一則消息，例如“The thread '<name>' (0x660) has exited with code 0 (0x0)”（線程 '<name>' (0x660) 已經(jīng)退出，代碼為 0 (0x0)）。現(xiàn)在，線程已經(jīng)退出該環(huán)境，并已自動被破壞。主線程和輔助線程都不需要執(zhí)行專門的清除操作。
主窗體
下一步是向窗體添加代碼以生成輔助線程并針對各輔助線程啟動 MQListen 類。首先，請向窗體添加下列函數(shù)：
// C#
private void StartThreads()
{
int LoopCounter; // 線程計(jì)數(shù)
StopListeningFlag = false; // 跟蹤輔助線程是否應(yīng)當(dāng)
// 終止的標(biāo)志。
// 將一個包含 5 個線程的數(shù)組聲明為輔助線程。
Thread[] ThreadArray = new Thread[5];
// 聲明包含輔助線程的所有代碼的類。
MQListen objMQListen = new
MQListen(this.ServerName.Text,this.QueueName.Text);
for (LoopCounter = 0; LoopCounter < NUMBER_THREADS; LoopCounter++)
{
// 創(chuàng)建一個 Thread 對象。
ThreadArray[LoopCounter] = new Thread(new
ThreadStart(objMQListen.Listen));
// 啟動線程將調(diào)用 ThreadStart 委托。
ThreadArray[LoopCounter].Start();
}
statusBar1.Text = LoopCounter.ToString() + " listener threads started";
while (!StopListeningFlag)
{
// 等待用戶按下停止按鈕。
// 在等待過程中，讓系統(tǒng)處理其他事件。
System.Windows.Forms.Application.DoEvents();
}
statusBar1.Text = "Stop request received, stopping threads";
// 向每個線程發(fā)送一個中斷請求。
for (LoopCounter = 0;LoopCounter < NUMBER_THREADS; LoopCounter++)
{
ThreadArray[LoopCounter].Interrupt();
}
statusBar1.Text = "All Threads have been stopped";
}
代碼討論
要啟動此函數(shù)，請創(chuàng)建一個包含 5 個項(xiàng)目的線程數(shù)組。此數(shù)組將保持對所有線程的引用，以備將來使用。
MQListen 類的構(gòu)造函數(shù)使用兩個參數(shù)：包含消息隊(duì)列的計(jì)算機(jī)名以及要偵聽的隊(duì)列的名稱。構(gòu)造函數(shù)使用文本框中的值來為這兩個參數(shù)賦值。
要創(chuàng)建線程，您需要進(jìn)入循環(huán)以初始化每個線程對象。Thread 構(gòu)造函數(shù)要求您向其傳遞一個委托，該委托在調(diào)用線程的 Start 方法時指向要調(diào)用的函數(shù)。您希望線程開始使用 MQListen.Listen 函數(shù)，但該線程并不是一個委托。為了滿足線程構(gòu)造函數(shù)的要求，您必須傳遞一個 ThreadStart 對象，該對象將創(chuàng)建一個給定函數(shù)名稱的委托。此時，請向 ThreadStart 對象傳遞一個對 MQListen.Listen 函數(shù)的引用。由于該數(shù)組元素已被初始化，請立即調(diào)用 Start 來開始線程。
所有線程開始后，請用相應(yīng)的消息來更新窗體中的狀態(tài)欄。隨著線程的運(yùn)行和偵聽隊(duì)列，主線程將等待用戶請求應(yīng)用程序停止偵聽。為此，主線程將進(jìn)入一個 while 循環(huán)，直至您單擊 StopListening 按鈕更改 StopListeningFlag 的值。在此等待循環(huán)中，將允許應(yīng)用程序使用 Forms.Application.DoEvents 方法處理其他需要處理的工作。對于熟悉 Visual Basic 的讀者來說，這一點(diǎn)與舊的 DoEvents 方法相同。對于熟悉 C++ 的讀者來說，這等于編寫一個 MSG 泵。
當(dāng)用戶單擊 StopListening 按鈕時，該循環(huán)將退出并進(jìn)入線程關(guān)閉代碼。要關(guān)閉所有線程，代碼必須檢查線程數(shù)組，并向每個線程發(fā)送一個中斷信號。在此循環(huán)內(nèi)部，請對數(shù)組中的每個線程調(diào)用 Interrupt 方法。調(diào)用此方法之前，MQListen 類中的代碼將繼續(xù)正常執(zhí)行。因此，您可以對每個輔助線程調(diào)用 Interrupt，而不必考慮線程是否正在處理其他事件。完成后，線程類將處理所有線程的清除。最后，請?jiān)谕顺銮案轮鞔绑w中的狀態(tài)欄。
現(xiàn)在，您需要在按鈕后添加代碼。請向 StartListening 按鈕的 Click 事件添加以下代碼：
// C#
statusBar1.Text = "Starting Threads";
StartThreads();
這將更新狀態(tài)欄并調(diào)用 StartThreads 方法。對于 StopListening 按鈕，您只需使用以下代碼將 StopListeningFlag 設(shè)置為 True：
// C#
StopListeningFlag = true;
最后一步是為 StopListeningFlag 添加窗體級的變量。請?jiān)诖绑w代碼的頂部添加以下行：
// C#
private bool StopListeningFlag = false;
要測試應(yīng)用程序，您可以下載 MQWrite，這是一個寫入消息隊(duì)列的示例應(yīng)用程序。
多線程代碼問題
您已經(jīng)完成了示例代碼，因此您已經(jīng)具備編寫自己的多線程應(yīng)用程序所需的工具。線程可以顯著提高某些應(yīng)用程序的性能和可伸縮性。在功能增強(qiáng)的同時，您還必須了解線程有危險(xiǎn)的一面。使用線程可能會破壞您的應(yīng)用程序，這樣的情況確實(shí)存在。線程可能會阻止運(yùn)行，造成無法預(yù)料的后果，甚至?xí)䦟?dǎo)致應(yīng)用程序停止運(yùn)行。
如果您有多個線程，請確保它們之間不存在互相等待以到達(dá)某一點(diǎn)或完成的情況。如果操作錯誤，可能會導(dǎo)致死鎖狀態(tài)，兩個線程都無法完成，因?yàn)樗鼈兌荚谙嗷サ却?br>
如果多線程要求訪問不能輕易共享的資源（如軟盤驅(qū)動器、串行端口或紅外線端口），您可能需要避免使用線程或需要使用一種更高級的線程工具（如 synclocks 或 mutexes）來管理并發(fā)性。如果兩個線程試圖同時訪問這些資源，其中一個線程將無法獲得資源，或者會導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞。
使用線程的另一個常見問題是競爭狀態(tài)。如果一個線程正在將數(shù)據(jù)寫入文件，而另一個線程正在從該文件中讀取數(shù)據(jù)，您將無法知道哪個線程先完成。這種情況稱為競爭狀態(tài)，因?yàn)閮蓚�線程都在競相到達(dá)文件末尾。如果讀取線程快于寫入線程，則將返回?zé)o法預(yù)料的結(jié)果。
使用線程時，還應(yīng)當(dāng)考慮所有線程是否都能夠完全獨(dú)立地進(jìn)行工作。如果確實(shí)需要來回傳遞數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)相對簡單的情況下，只要小心操作即可。傳遞復(fù)雜對象時，來回移動這些對象的封送代價(jià)將十分可觀。這將導(dǎo)致操作系統(tǒng)管理的額外開銷并且會降低總體性能。
另一個問題是將代碼轉(zhuǎn)交給其他開發(fā)人員的傳遞成本。雖然 .NET 確實(shí)使線程變得容易，但請注意，維護(hù)您代碼的下一位開發(fā)人員必須了解要使用的線程。盡管這不是避免使用線程的理由，但是它充分說明了應(yīng)該提供足夠的代碼注釋。
這些問題本身并不能打消您使用線程的熱情，但您在設(shè)計(jì)應(yīng)用程序和決定是否使用線程時應(yīng)該考慮到這些問題。遺憾的是，本文無法詳細(xì)論述某些避免這些問題的方法。如果您已決定使用線程但遇到了上述某些問題，請檢查 synclocks 或 mutexes 看是否能解決問題或引導(dǎo)您使用其他解決方案。
總結(jié)
有了上述信息，您就可以編寫使用線程的應(yīng)用程序。不過，在編寫過程中，請記住上面提到的問題。如果使用得當(dāng)，那么，與單線程相比，多線程應(yīng)用程序?qū)⒕哂懈玫男阅芎涂缮炜s性。但是，如果使用不當(dāng)，使用線程會適得其反，并且會導(dǎo)致應(yīng)用程序不穩(wěn)定。
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