Имеются два относительно простых способа избежать проблем многопоточного режима.
Избегайте всеобщего использования глобальных переменных.
Добавьте код синхронизации везде, где используются глобальные переменные.
Первый подход используется в основном в Visual Basic. Когда Вы включаете многопоточный режим в Visual Basic приложения, все глобальные переменные станут локальными для специфического потока. Это свойственно способу, с которым Visual Basic выполняет apartment model threading - подробнее об этом позднее.
Первоначальный выпуск Visual Basic 5.0 позволял использовать многопоточность только в компонентах, которые не имели никаких элементов пользовательского интерфейса. Так было потому что они не имели безопасного потока управления формами. Например: когда Вы создаете форму в Visual Basic, VB дает ей имя глобальной переменной (таким образом, если Вы имеете форму, именованную Form1, Вы можете непосредственно обращаться к ее методам, используя Form1.метод вместо того, чтобы объявить отдельную переменную формы). Этот тип глобальной переменной может вызывать проблемы многопоточного режима, которые Вы видели ранее. Имелись несомненно другие проблемы внутри управления формами.
С service pack 2, управление формами Visual Basic было сделано безопасным потоком. Это говорит о том, что каждый поток имеет собственную глобальную переменную для каждой формы, определенной в проекте.
Что нового в Service Pack 2
Сделав поток управления формами безопасным, Service pack 2 предоставил возможность с помощью Visual Basic создавать клиентские приложения, использующие многопоточный режим.
Приложение должно быть определено как программа ActiveX Exe с установкой запуска из Sub Main:
' MTDemo2 - Multithreading demo program
' Copyright © 1997 by Desaware Inc. All Rights Reserved
Option Explicit
Declare Function FindWindow Lib "user32" Alias "FindWindowA" _
(ByVal lpClassName As String, ByVal lpWindowName As String) As Long
Sub Main()
Dim f As frmMTDemo2
' We need this because Main is called on each new thread
Dim hwnd As Long
hwnd = FindWindow(vbNullString, "Multithreading Demo2")
If hwnd = 0 Then
Set f = New frmMTDemo2
f.Show
Set f = Nothing
End If
End Sub
Первый раз программа загружает и отображает основную форму приложения. Подпрограмма Main должна выяснить, является ли это первым потоком приложения, поэтому этот код выполняется при старте каждого потока. Вы не можете использовать глобальную переменную, чтобы это выяснить, потому что Visual Basic apartment model хранит глобальные переменные специфическими для одиночного потока. В этом примере используется функция API FindWindow, чтобы проверить, была ли загружена основная форма примера. Имеются другие способы выяснить, является ли это основным потоком, включая использование объектов синхронизации системы - но это отдельная тема для разговора.
Многопоточный режим реализуется созданием объекта в новом потоке. Объект должен быть определен, используя модуль класса. В этом случае, простой модуль класса определяется следующим образом:
' MTDemo2 - Multithreading demo program
' Copyright © 1997 by Desaware Inc. All Rights Reserved
Option Explicit
Private Sub Class_Initialize()
Dim f As New frmMTDemo2
f.Show
Set f = Nothing
End Sub
Мы можем установить переменную формы как nothing после того, как она создана, потому что после отображения формы она будет сохранена.
' MTDemo2 - Multithreading demo program
' Copyright © 1997 by Desaware Inc. All Rights Reserved
Option Explicit
Private Sub cmdLaunch1_Click()
Dim c As New clsMTDemo2
c.DisplayObjPtr Nothing
End Sub
Private Sub cmdLaunch2_Click()
Dim c As clsMTDemo2
Set c = CreateObject("MTDemo2.clsMTDemo2")
End Sub
Private Sub Form_Load()
lblThread.Caption = Str$(App.ThreadID)
End Sub
Форма отображает идентификатор потока в метке на форме. Форма содержит две командные кнопки, одна из которых использует оператор New, другая -использует оператор CreateObject.
Если Вы запустите программу внутри среды Visual Basic, то увидите, что формы всегда создаются в одном и том же потоке. Это происходит, потому что среда Visual Basic поддерживает только одиночный поток. Если Вы скомпилируете и запустите программу, то увидите, что подход, использующий CreateObject создает и clsMTDemo2 и ее форму в новом потоке.
Почему многопоточность
Откуда вся суета относительно многопоточного режима, если он включает так много потенциальной опасности? Потому что, в некоторых ситуациях, многопоточный режим может значительно улучшать эффективность приложения. В некоторых случаях это может улучшать эффективность некоторых операций синхронизации типа ожидания завершения приложения. Это позволяет сделать архитектуру приложения более гибкой. Например, операция Add a long в форме MTDEMO2 со следующим кодом:
Private Sub cmdLongOp_Click()
Dim l&
Dim s$
For l = 1 To 1000000
s = Chr$(l And &H7F)
Next l
End Sub
Запустите несколько экземпляров формы, используя кнопку cmdLaunch1. Когда Вы нажимаете на кнопку cmdLongOp на любой из форм, то увидите, что это действие замораживает операции на всех других формах. Так происходит, потому что все формы выполняются в одиночном потоке - и этот поток занят выполнением длинного цикла. Если Вы запустите несколько экземпляров формы кнопкой cmdLaunch2 и нажимете кнопку cmdLongOp на форму, то только эта форма будет заморожена - другие формы будут активными. Они выполняются в собственных потоках, и длинный цикл будет выполняться только в собственном потоке. Конечно, в любом случае, Вы вероятно не должны размещать длительные операции такого типа в ваших формах.
Дальше краткое резюме, когда важен многопоточный режим:
Сервер ActiveX EXE – без общих ресурсов.
Когда Вы имеете ActiveX EXE сервер, который Вы собираетесь совместно использовать среди нескольких приложений, многопоточный режим предотвращает приложения от нежелательных взаимодействий с друг другом. Если одно приложение выполняет длинную операцию на объекте в однопоточном сервере, другие приложения будут вытеснены, т.е. будут ждать, когда освободится сервер. Многопоточный режим рещает эту проблему. Однако, имеются случаи, где Вы можете хотеть использовать ActiveX EXE сервер, чтобы регулировать доступ к общедоступнному ресурсу (shared resource). Например, сервер stock quote, описанный в моей книге Developing ActiveX Components. В этом случае сервер stock quote выполняется в одиночном потоке и который доступен для всех приложений, использующих сервер по очереди.
Многопоточный клиент – выполняемый как ActiveX EXE сервер
Простая форма этого подхода продемонстрирована в приложении MTDEMO2. Этот подход используется, когда приложение поддерживает множественные окна, которые должны исходить из одного приложения, но работать полностью независимо. Интернет-браузер - хороший пример такого многопоточного клиента, где каждое окно выполняется в собственном потоке. Здесь следует обратить внимание на то, что многопоточный режим не должен использоваться как замена для хорошего событийно управляемого проекта.
Многопоточные серверы DLL или EXE
В архитектуре клиент-сервер, многопоточный режим может увеличить эффективность, если Вы имеете смесь длинных и коротких клиентских запросов. Будьте внимательным, хотя - если все ваши клиентские запросы имеют подобную длину, многопоточный режим может фактически замедлять среднее время ответа сервера! Никогда не принимайте на веру тот факт, что если ваш сервер является многопоточным, то обязательно его эффективность увеличится.
Соглашение о потоках
Верите или нет, но все это было введением. Часть этого материала является обзором материала, который описан в моей книге Developing ActiveX Components, другая часть материала описывает новую информацию для service pack 2.
Теперь, позволите задавать вопрос, который имеет отношение к многопоточному режиму, использующему COM (модель многокомпонентных объектов, на которой основаны не только все Visual Basic объекты, но и другие windows приложения, использующие технологии OLE).
Дано:
Многопоточный режим является потенциально опасным вообще, и особенно попытки многопоточного кодирования приложений, которые не разработаны для поддержки многопоточного режима, скорее всего приведут к фатальным ошибкам и сбоям системы.
Вопрос:
Как это возможно, что Visual Basic позволяет Вам создавать объекты и использовать их с одиночными и многопоточными средами безотносительно к тому, разработаны ли они для одиночного или многопоточного использования?
Другими словами - Как многопоточные Visual Basic приложения могут использовать объекты, которые не разработаны для безопасного выполнения в многопоточной среде? Как могут другие многопоточные приложения использовать однопоточные объекты Visual Basic?
Коротко: как COM поддерживает потоки?
Если Вы знаете COM, то Вы знаете, что COM определяет структуру соглашения. Объект COM соглашается следовать некоторым правилам так, чтобы этим можно было успешно пользоваться из любого приложения или объекта, который поддерживает COM.
Большинство людей сначала думает о интерфейсной части соглашения - о методах и свойствах, которые предоставляет объект.
Но Вы не можете не знать того, что COM также определяет поточность как часть соглашения. И подобно любой части соглашения COM - если Вы нарушаете эти условия, то будете иметь проблемы. Visual Basic, естественно, скрывает от Вас большинство механизмов COM, но чтобы понять как использовать многопоточность в Visual Basic, Вы должны разобраться COM модели потоков.
Модель одиночного потока:
Однопоточный сервер - самый простой тип реализации сервера. И самый простой для понимания. В этом случае EXE сервер выполняется в одиночном потоке. Все объекты создаются в этом потоке. Все вызовы методов каждого объекта, поддерживаемого сервером должны прибыть в этот поток.
Но что будет, если клиент выполняется в другом потоке? В том случае, для объекта сервера должен быть создан промежуточный объект (proxy object). Этот промежуточный объект выполняется в потоке клиента и отражает методы и свойства фактического объекта. Когда вызывается метод промежуточного объекта, он выполняет операции, необходимые для подключению к потоку объекта, а затем вызывает метод фактического объекта, используя параметры, переданные к промежуточному объекту. Естественно, что этот подход требует значительного времени на выполнение задачи, однако он позволяет выполнить все соглашения. Этот процесс переключения потоков и пересылки данных от промежуточного объекта к фактическому объекту и обратно называется marshalling. Эта тема обсуждается в главе 6 моей книги Developing ActiveX Components.
В случае DLL серверов, одиночная потоковая модель требует, чтобы все объекты в сервере создавались и вызывались в том же самом потоке что и первый объект, созданный сервером.
Модель Apartment Threading
Обратите внимание, что модель Apartment Threading как определено COM не требует, чтобы каждый поток имел собственный набор глобальных переменных. Visual Basic таким образом реализует модель Apartment Threading. Модель Apartment Threading декларирует, что каждый объект может быть создан в собственном потоке, однако, как только объект создан, его методы и свойства могут вызываться только тем же самым потоком, которая создал объект. Если объект другого потока захочет иметь доступ к методам этого объекта, то он должен действовать через промежуточный объект.
Такая модель относительно проста для реализации. Если Вы устраняете глобальные переменные (как делает Visual Basic), модель Apartment Threading автоматически гарантирует безопасность потока - так как каждый объект действительно выполняется в собственном потоке, и благодаря отсутствию глобальных переменных, объекты в разных потоках не взаимодействуют друг с другом.
Модель свободных потоков
Модель свободных потоков (Free Threading Model) заключается в следующем.. Любой объект может быть создан в любом потоке. Все методы и свойства любого объекта могут быть вызываны в любое время из любого потока. Объект принимает на себя всю ответственность за обработку любой необходимой синхронизации.
Это самая трудная в реализации модель, так как требуется, чтобы всю синхронизацию обрабатывал программист. Фактически до недавнего времени, технология OLE непосредственно не поддерживала эту модель! Однако, с тех пор marshalling никогда не требуется и это наиболее эффективная модель потоков.
Какую модель поддерживает ваш сервер?
Как приложение или сама Windows узнает, которую модель потоков использует сервер? Эта информация включена в системный реестр (registry). Когда Visual Basic создает объект, он проверяет системный реестр, чтобы определить, в каких случаях требуется использовать промежуточный объект (proxy object) и в каких - marshalling.
Эта проверка является обязанностью клиента и необходима для строгой поддержки требований многопоточности для каждого объекта, которого он создает.
Функция API CreateThread
Теперь давайте посмотрим, как с Visual Basic может использоваться функция API CreateThread. Скажем, Вы имеете класс, что Вы хотите выполненять в другом потоке, например, чтобы выполнить некоторую фоновую операцию. Характерный класс такого типа мог бы иметь следующий код (из примера MTDemo 3):
' Class clsBackground
' MTDemo 3 - Multithreading example
' Copyright © 1997 by Desaware Inc. All Rights Reserved
Option Explicit
Event DoneCounting()
Dim l As Long
Public Function DoTheCount(ByVal finalval&) As Boolean
Dim s As String
If l = 0 Then
s$ = "In Thread " & App.threadid
Call MessageBox(0, s$, "", 0)
End If
l = l + 1
If l >= finalval Then
l = 0
DoTheCount = True
Call MessageBox(0, "Done with counting", "", 0)
RaiseEvent DoneCounting
End If
End Function
Класс разработан так, чтобы функция DoTheCount могла неоднократно вызываться из непрерывного цикла в фоновом потоке. Мы могли бы поместить цикл непосредственно в сам объект, но вы вскоре увидите, что были веские причины для проектирования объекта как показано в примере. При первом вызове функции DoTheCount появляется MessageBox, в котором показан идентификатор потока, по которому мы можем определить поток, в котором выполняется код. Вместо VB команды MessageBox используется MessageBox API, потому что функция API, как известно, поддерживает безопасное выполнение потоков. Второй MessageBox появляется после того, как закончен подсчет и сгенерировано событие, которое указывает, что операция закончена.
Фоновый поток запускается при помощи следующего кода в форме frmMTDemo3: Private Sub cmdCreateFree_Click()
Set c = New clsBackground
StartBackgroundThreadFree c
End Sub
Функция StartBackgroundThreadFree определена в модуле modMTBack следующим образом:
Declare Function CreateThread Lib "kernel32" _
(ByVal lpSecurityAttributes As Long, ByVal _
dwStackSize As Long, ByVal lpStartAddress As Long, _
ByVal lpParameter As Long, ByVal dwCreationFlags _
As Long, lpThreadId As Long) As Long
Declare Function CloseHandle Lib "kernel32" _
(ByVal hObject As Long) As Long
' Start the background thread for this object
' using the invalid free threading approach.
Public Function StartBackgroundThreadFree (ByVal qobj As clsBackground)
Dim threadid As Long
Dim hnd&
Dim threadparam As Long
' Free threaded approach
threadparam = ObjPtr(qobj)
hnd = CreateThread(0, 2000, AddressOf _
BackgroundFuncFree, threadparam, 0, threadid)
If hnd = 0 Then
' Return with zero (error)
Exit Function
End If
' We don't need the thread handle
CloseHandle hnd
StartBackgroundThreadFree = threadid
End Function
Функция CreateThread имеет шесть параметров:
lpSecurityAttributes - обычно устанавливается в нуль, чтобы использовать заданные по умолчанию атрибуты защиты.
dwStackSize - размер стека. Каждый поток имеет собственный стек.
lpStartAddress - адрес памяти, где стартует поток. Он должен быть равен адресу функции в стандартном модуле, полученном при использовании оператора AddressOf.
lpParameter - long 32 разрядный параметр, который передается функции, запускающей новый поток.
dwCreationFlags - 32 бит переменная флагов, которая позволяет Вам управлять запуском потока (активный, приостановленный и т.д.). Подробнее об этих флагах можно почитать в Microsoft's online 32 bit reference.
lpThreadId - переменная, в которую загружается уникальный идентификатором нового потока.
Функция возвращает дескриптор потока.
В этом случае мы передаем указатель на объект clsBackground, который мы будем использовать в новом потоке. ObjPtr восстанавливает значение указателя интерфейса в переменную qobj. После создания потока закрывается дескриптор при помощи функции CloseHandle. Это действие не завершает поток, - поток продолжает выполняться до выхода из функции BackgroundFuncFree. Однако, если мы не закрыли дескриптор, то объект потока будет существовать даже после выхода из функции BackgroundFuncFree. Все дескрипторы потока должны быть закрыты и при завершении потока система освобождает занятые потоком ресурсы.
Функция BackgroundFuncFree имеет следующий код:
' A free threaded callback.
' A free threaded callback.
' This is an invalid approach, though it works
' in this case.
Public Function BackgroundFuncFree(ByVal param As IUnknown) As Long
Dim qobj As clsBackground
Dim res&
' Free threaded approach
Set qobj = param
Do While Not qobj.DoTheCount(100000)
Loop
' qobj.ShowAForm ' Crashes!
' Thread ends on return
End Function
Параметром этой функции является- указатель на интерфейс (ByVal param As IUnknown). При этом мы можем избежать неприятностей, потому что под COM каждый интерфейс основывается на IUnknown, так что такой тип параметра допустим независимо от типа интерфейса, передаваемого функции. Мы, однако, должны немедленно определить param как тип объекта, чтобы затем его использовать. В этом случае qobj установливается как объект clsBackground, который был передан к объекту StartBackgroundThreadFree.
Функция затем выполняет бесконечный цикл, в течение которого может выполняться любая требуемая операция, в этом случае повторный счет. Подобный подход мог бы использоваться здесь, чтобы выполнить операцию ожидания, которая приостанавливает поток пока не произойдкт системное событие (типа завершения процесса). Поток затем мог бы вызвать метод класса, чтобы сообщить приложению, что событие произошло.
Доступ к объекту qobj чрезвычайно быстр из-за использования подхода свободного потока (free threading) - никакая переадресация (marshalling) при этом не используется.
Обратите внимание на то, что если Вы попробуете использовать объект clsBackground, который показывает форму, то это приведет к сбоям приложения. Обратите также внимание на то, что событие завершения никогда не происходит в клиентской форме. Действительно, даже Microsoft Systems Journal, который описывает этот подход, содержит очень много предупреждений о том, что при использовании этого подхода есть некоторые вещи, которые не работают.
Некоторые разработчики, кто пробовали развертывать приложения, применяющие этот тип многопоточности, обнаружили, что их приложения вызывают сбои после обновления к VB5 service pack 2.
Является ли это дефектом Visual Basic?
Означает ли это, что Microsoft не обеспечила совместимость?
Ответ на оба вопроса: Нет
Проблема не в Microsoft или Visual Basic.
Проблема состоит в том, что вышеупомянутый код является мусором.
Проблема проста - Visual Basic поддерживает объекты и в модели одиночного потока и в apartment model. Позвольте мне перефразировать это: объекты Visual Basic являются COM объектами и они,согласно COM соглашению, будут правильно работать как в модели одиночного потока так и в apartment model. Это означает, что каждый объект ожидает, что любые вызовы методов будут происходить в том же самом потоке, который создал объект.
Пример, показанный выше, нарушает это правило.
Это нарушает соглашение COM.
Что это означает?
Это означает, что поведение объекта подчиненно изменениям, так как Visual Basic постоянно модифицируется.
Это означает, что любая попытка объекта обратиться к другим объектам или формам может потерпеть неудачу и что причины отказов могут изменяться, поскольку эти объекты модифицируются.
Это означает, что даже код, который сейчас работает, может внезапно вызвыть сбой, поскольку другие объекты добавляются, удаляются или изменяются.
Это означает, что невозможно характеризовать поведение приложения или предсказать, будет ли оно работать или может ли работать в любой данной среде.
Это означает, что невозможно предсказать, будет ли код работать на любой данной системе, и что его поведение может зависеть от используемой операционной, числа используемых процессоров и других проблем конфигурации системы.
Вы видите, что как только Вы нарушаете соглашение COM, Вы больше не защищены теми возможностями COM, которые позволяют объектам успешно взаимодействовать друг с другом и с клиентами.
Этот подход является программной алхимией. Это безответственно и ни один программист не должен когда-либо использовать это. Точка.
Обратно к функции API CreateThread
Теперь, когда я показал Вам, почему подход к использованию CreateThread API, показанный в некоторых статьях, является мусором, я покажу Вам, как можно использовать эту API функцию безопасно. Прием прост - Вы должны просто твердо придержаться соглашения COM о потоках. Это займет немного больше времени и усилий, но практика показала, что получаются очень надежные результаты.
Пример MTDEMO3 демонстрирует этот подход в форме frmMTDemo3, имеющей код, который запускает класс фона в apartment model следующим образом:
Private Sub cmdCreateApt_Click()
Set c = New clsBackground
StartBackgroundThreadApt c
End Sub
Пока это выглядит очень похоже на подход свободных потоков. Вы создаете экземпляр класса и передаете его функции, которая запускает фоновый поток. В модуле modMTBack появляется следующий код:
' Structure to hold IDispatch GUID
Type GUID
Data1 As Long
Data2 As Integer
Data3 As Integer
Data4(7) As Byte
End Type
Public IID_IDispatch As GUID
Declare Function CoMarshalInterThreadInterfaceInStream Lib _
"ole32.dll" (riid As GUID, ByVal pUnk As IUnknown, _
ppStm As Long) As Long
Declare Function CoGetInterfaceAndReleaseStream Lib _
"ole32.dll" (ByVal pStm As Long, riid As GUID, _
pUnk As IUnknown) As Long
Declare Function CoInitialize Lib "ole32.dll" (ByVal _
pvReserved As Long) As Long
Declare Sub CoUninitialize Lib "ole32.dll" ()
' Start the background thread for this object
' using the apartment model
' Returns zero on error
Public Function StartBackgroundThreadApt(ByVal qobj As clsBackground)
Dim threadid As Long
Dim hnd&, res&
Dim threadparam As Long
Dim tobj As Object
Set tobj = qobj
' Proper marshaled approach
InitializeIID
res = CoMarshalInterThreadInterfaceInStream (IID_IDispatch, qobj, threadparam)
If res <> 0 Then
StartBackgroundThreadApt = 0
Exit Function
End If
hnd = CreateThread(0, 2000, AddressOf BackgroundFuncApt, threadparam, 0, threadid)
If hnd = 0 Then
' Return with zero (error)
Exit Function
End If
' We don't need the thread handle
CloseHandle hnd
StartBackgroundThreadApt = threadid
End Function
Функция StartBackgroundThreadApt немного более сложна чем ее эквивалент при применении подхода свободных потоков. Первая новая функция называется InitializeIID. Она имеет следующий код:
' Initialize the GUID structure
Private Sub InitializeIID()
Static Initialized As Boolean
If Initialized Then Exit Sub
With IID_IDispatch
.Data1 = &H20400
.Data2 = 0
.Data3 = 0
.Data4(0) = &HC0
.Data4(7) = &H46
End With
Initialized = True
End Sub
Вы видите, нам необходим идентификатор интерфейса - 16 байтовая структура, которая уникально определяет интерфейс. В частности нам необходим идентификатор интерфейса для интерфейса IDispatch (подробная информация относительно IDispatch может быть найдена в моей книге Developing ActiveX Components). Функция InitializeIID просто инициализирует структуру IID_IDISPATCH к корректным значениям для идентификатора интерфейса IDispatch. Значение Это значение получается с помощью использования утилиты просмотра системного реестра.