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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行理解。）
目錄
簡介
線程背景
示例應用程序
多線程代碼問題
總結
簡介
編寫多線程 Microsoft® 消息隊列 (MSMQ) 觸發器應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使這項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 構建由多個過程或 ActiveX DLL 組成的解決方案（這種解決方案一點也不理想），或者干脆完全放棄多線程。使用 .NET 框架，您可以構建各種多線程應用程序，而不用考慮選擇使用哪種語言。
本文將逐步介紹構建偵聽并處理來自 Microsoft 消息隊列的多線程應用程序的過程。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換為您所使用的語言。
線程背景
在 Win32 環境中，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用程序很可能是單線程應用程序，僅包含與應用程序進程對應的線程。進程可以被定義為應用程序的實例，擁有該應用程序的內存空間。大多數 Windows 應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雜的線程模式。標記用于單元線程的代碼可以在其自己的線程中執行，并限制在自己的單元中。線程可以被定義為進程所擁有的實體。處理時將調度該進程。在單元線程模式中，所有線程都在主應用程序內存中各自的子段范圍內運行。此模式允許多個代碼實例同時但獨立地運行。例如，在 .NET 之前，Visual Basic 僅限于創建單元線程組件和應用程序。
自由線程
自由線程是最復雜的線程模式。在自由線程模式中，多個線程可以同時調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立的內存空間。當應用程序必須進行大量相似而又獨立的數學計算時，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行計算。可能 C++ 開發人員是僅有的編寫過自由線程應用程序的應用程序開發人員，因為像 Visual Basic 6.0 這樣的語言幾乎不可能編寫自由線程應用程序。
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。他們各自負責自己的空間和空間內的物品搬運。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，您的房子就是運行所有線程的進程，每個朋友都是一個代碼實例，搬運的物品為應用程序的資源和變量。
本示例解釋了不同線程模式的優點和缺點。單元線程比單線程要快，因為有多個組件實例在工作。在某些情況下，自由線程比單元線程更快更有效，這是因為所有事情同時發生，并且可以共享所有資源。但是，當多線程更改共享資源時，這可能會出現問題。假設一個人開始使用箱子打包廚房用具，此時另一個朋友進來了，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”標簽覆蓋了原標簽。結果，當您拆包時，就會發生將廚房用品搬到浴室的情況。
示例應用程序
第一步是要檢查示例應用程序的設計。應用程序將生成多個線程，每個線程都偵聽來自 MSMQ 隊列的消息。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，包括輔助線程運行所需的消息隊列因素。
準備應用程序
要啟動應用程序，請打開 Visual Studio .NET 并創建一個名為 MultiThreadedMQListener 的新 C# Windows 應用程序。打開窗體的屬性，將其命名為 QueueListenerForm。畫出初始窗體后，將兩個標簽、兩個按鈕、一個狀態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。可以保留狀態欄的默認名稱 statusBar1。
下一步，單擊 Project（項目）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），以在項目中添加一個新類。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 構造函數。該名稱空間還包括許多其他高級功能，本文不作詳細討論。System.Messaging 名稱空間允許您訪問 MSMQ 功能，包括向隊列發送消息和接收隊列消息。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;
// 構造函數接收必要的隊列信息。
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()
{
// 創建一個 MessageQueue 對象。
System.Messaging.MessageQueue MQ= new
System.Messaging.MessageQueue();
// 設置 MessageQueue 對象的路徑屬性。
MQ.Path = m_MachineName + "\\private$\\" + m_QueueName;
// 創建一個 Message 對象。
System.Messaging.Message Message = new
System.Messaging.Message();
// 重復上述步驟，直到收到中斷。
while (true)
{
try
{
// 休眠以在中斷發出時捕捉中斷。
System.Threading.Thread.Sleep(100);
// 將 Message 對象設置為與接收函數的結果相等。
// 持續時間（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造函數的函數。該函數封裝每個輔助線程要執行的所有工作。在主線程中，您向線程構造函數傳遞一個對此函數的引用，以便在啟動線程時執行該函數。
Listen 所做的第一件事情是設置一個消息隊列對象。MessageQueue 構造函數通過三種實現進行重載。第一種實現使用兩個參數：一個字符串參數，指定偵聽隊列的位置；一個布爾值參數，指示是否為訪問隊列的第一個應用程序賦予獨占讀取隊列的權限。第二種實現只使用隊列路徑參數，第三種實現不使用參數。為了簡便起見，您可以使用第三種實現，在下一行分配路徑。
如果您引用了隊列，則必須創建一個消息對象。消息構造函數也有三種實現方式。如果您想將消息寫入隊列，則可以使用前兩種實現。這兩種實現采用兩個對象：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，您將從隊列中讀取數據，以初始化空的消息對象。
初始化對象后，您需要輸入執行所有工作的主循環。然后，當主線程調用 Interrupt 終止這些線程時，則只有在線程處于等待、睡眠或連接狀態下才會被中斷。如果沒有處于上述三種狀態，則要等到下次進入這三種狀態中的一種時才會被中斷。要確保輔助線程進入等待、睡眠或連接狀態，請調用位于 System.Threading 名稱空間的 Sleep 方法。對于使用過 Windows API 睡眠函數的 C++ 和 Visual Basic 開發人員而言，Sleep 方法并不陌生。它只使用一個參數：線程處于睡眠狀態的毫秒數。如果您從未調用過 Sleep，輔助線程將永遠不會進入可以接收中斷請求的狀態，而會無限制地繼續下去，除非您手動關閉進程。
MQ Receive 方法有兩種實現。第一種實現不使用參數，將一直等待接收消息。第二種實現（本例使用這種實現）使用 TimeSpan 對象指定一個超時值。TimeSpan 構造函數包含四個參數：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建的消息對象，然后，便可以對其進行處理了。本例打開一個帶有標簽的消息框，并刪除了此消息。如果您想在實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。
當輔助線程收到 Interrupt 請求后，將發出一個 ThreadInterruptedException 異常。要捕捉此異常，請在 try-catch 塊中包含 Sleep 和 Receive 函數。您應當指定兩個捕獲：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試窗口。下一步，對隊列對象和消息對象調用 Dispose 方法，以保證所有內存都被清空并發送到內存回收器。最后，中斷 while 循環。
函數退出 while 循環后，關聯的線程也將立即結束，代碼為 0。在調試窗口，您將看到一則消息，例如“The thread '<name>' (0x660) has exited with code 0 (0x0)”（線程 '<name>' (0x660) 已經退出，代碼為 0 (0x0)）。現在，線程已經退出該環境，并已自動被破壞。主線程和輔助線程都不需要執行專門的清除操作。
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：
// C#
private void StartThreads()
{
int LoopCounter; // 線程計數
StopListeningFlag = false; // 跟蹤輔助線程是否應當
// 終止的標志。
// 將一個包含 5 個線程的數組聲明為輔助線程。
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++)
{
// 創建一個 Thread 對象。
ThreadArray[LoopCounter] = new Thread(new
ThreadStart(objMQListen.Listen));
// 啟動線程將調用 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，讓系統處理其他事件。
System.Windows.Forms.Application.DoEvents();
}
statusBar1.Text = "Stop request received, stopping threads";
// 向每個線程發送一個中斷請求。
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，請創建一個包含 5 個項目的線程數組。此數組將保持對所有線程的引用，以備將來使用。
MQListen 類的構造函數使用兩個參數：包含消息隊列的計算機名以及要偵聽的隊列的名稱。構造函數使用文本框中的值來為這兩個參數賦值。
要創建線程，您需要進入循環以初始化每個線程對象。Thread 構造函數要求您向其傳遞一個委托，該委托在調用線程的 Start 方法時指向要調用的函數。您希望線程開始使用 MQListen.Listen 函數，但該線程并不是一個委托。為了滿足線程構造函數的要求，您必須傳遞一個 ThreadStart 對象，該對象將創建一個給定函數名稱的委托。此時，請向 ThreadStart 對象傳遞一個對 MQListen.Listen 函數的引用。由于該數組元素已被初始化，請立即調用 Start 來開始線程。
所有線程開始后，請用相應的消息來更新窗體中的狀態欄。隨著線程的運行和偵聽隊列，主線程將等待用戶請求應用程序停止偵聽。為此，主線程將進入一個 while 循環，直至您單擊 StopListening 按鈕更改 StopListeningFlag 的值。在此等待循環中，將允許應用程序使用 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。
當用戶單擊 StopListening 按鈕時，該循環將退出并進入線程關閉代碼。要關閉所有線程，代碼必須檢查線程數組，并向每個線程發送一個中斷信號。在此循環內部，請對數組中的每個線程調用 Interrupt 方法。調用此方法之前，MQListen 類中的代碼將繼續正常執行。因此，您可以對每個輔助線程調用 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，請在退出前更新主窗體中的狀態欄。
現在，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();
這將更新狀態欄并調用 StartThreads 方法。對于 StopListening 按鈕，您只需使用以下代碼將 StopListeningFlag 設置為 True：
// C#
StopListeningFlag = true;
最后一步是為 StopListeningFlag 添加窗體級的變量。請在窗體代碼的頂部添加以下行：
// C#
private bool StopListeningFlag = false;
要測試應用程序，您可以下載 MQWrite，這是一個寫入消息隊列的示例應用程序。
多線程代碼問題
您已經完成了示例代碼，因此您已經具備編寫自己的多線程應用程序所需的工具。線程可以顯著提高某些應用程序的性能和可伸縮性。在功能增強的同時，您還必須了解線程有危險的一面。使用線程可能會破壞您的應用程序，這樣的情況確實存在。線程可能會阻止運行，造成無法預料的后果，甚至會導致應用程序停止運行。
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某一點或完成的情況。如果操作錯誤，可能會導致死鎖狀態，兩個線程都無法完成，因為它們都在相互等待。
如果多線程要求訪問不能輕易共享的資源（如軟盤驅動器、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，或者會導致數據損壞。
使用線程的另一個常見問題是競爭狀態。如果一個線程正在將數據寫入文件，而另一個線程正在從該文件中讀取數據，您將無法知道哪個線程先完成。這種情況稱為競爭狀態，因為兩個線程都在競相到達文件末尾。如果讀取線程快于寫入線程，則將返回無法預料的結果。
使用線程時，還應當考慮所有線程是否都能夠完全獨立地進行工作。如果確實需要來回傳遞數據，在數據相對簡單的情況下，只要小心操作即可。傳遞復雜對象時，來回移動這些對象的封送代價將十分可觀。這將導致操作系統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交給其他開發人員的傳遞成本。雖然 .NET 確實使線程變得容易，但請注意，維護您代碼的下一位開發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，但您在設計應用程序和決定是否使用線程時應該考慮到這些問題。遺憾的是，本文無法詳細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您使用其他解決方案。
總結
有了上述信息，您就可以編寫使用線程的應用程序。不過，在編寫過程中，請記住上面提到的問題。如果使用得當，那么，與單線程相比，多線程應用程序將具有更好的性能和可伸縮性。但是，如果使用不當，使用線程會適得其反，并且會導致應用程序不穩定。
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