Delphi中的线程类

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 (FThreadID <> 0) and not FFinished then  begin
      Terminate;
      if FCreateSuspended then
          Resume;
      WaitFor;
  end;
  if FHandle <> 0 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