使用线程
Greg Ewing
Clarity Consulting Inc.


2002 年 3 月

摘要：本文论述了各种模式的线程（单线程、单元线程和自由线程）以及每种模式的使用方法。同时，还提供了一个使用线程的 C# 语言代码示例，以帮助您编写使用线程的应用程序。本文还讨论了多线程代码中的一些重要问题。

下载（英文）示例文件。（请注意，在示例文件中，程序员的注释使用的是英文，本文中将其译为中文是为了便于读者进行理解。）
目录
简介
线程背景
示例应用程序
多线程代码问题
总结

简介
编写多线程 Microsoft® 消息队列 (MSMQ) 触发器应用程序向来是一件让人畏惧的事情。不过，.NET 框架线程和消息类的出现使这项工作变得比以前容易了。这些类允许您使用任何适用于 .NET 框架的语言来编写多线程应用程序。以前，像 Microsoft Visual Basic® 之类的工具对线程的支持十分有限。因此不得不使用 C++ 来编写多线程代码，通过 Visual Basic 构建由多个过程或 ActiveX DLL 组成的解决方案（这种解决方案一点也不理想），或者干脆完全放弃多线程。使用 .NET 框架，您可以构建各种多线程应用程序，而不用考虑选择使用哪种语言。

本文将逐步介绍构建侦听并处理来自 Microsoft 消息队列的多线程应用程序的过程。本文将着重讨论两个名称空间 System.Threading 和 System.Messaging。示例代码是用 C# 语言编写的，但您可以轻松地将其转换为您所使用的语言。

线程背景
在 Win32 环境中，线程有三种基本模式：单线程、单元线程和自由线程。

单线程
您最初编写的某些应用程序很可能是单线程应用程序，仅包含与应用程序进程对应的线程。进程可以被定义为应用程序的实例，拥有该应用程序的内存空间。大多数 Windows 应用程序都是单线程的，即用一个线程完成所有工作。

单元线程
单元线程是一种稍微复杂的线程模式。标记用于单元线程的代码可以在其自己的线程中执行，并限制在自己的单元中。线程可以被定义为进程所拥有的实体。处理时将调度该进程。在单元线程模式中，所有线程都在主应用程序内存中各自的子段范围内运行。此模式允许多个代码实例同时但独立地运行。例如，在 .NET 之前，Visual Basic 仅限于创建单元线程组件和应用程序。

自由线程
自由线程是最复杂的线程模式。在自由线程模式中，多个线程可以同时调用相同的方法和组件。与单元线程不同，自由线程不会被限制在独立的内存空间。当应用程序必须进行大量相似而又独立的数学计算时，您可能需要使用自由线程。在这种情况下，您需要生成多个线程使用相同的代码示例来执行计算。可能 C++ 开发人员是仅有的编写过自由线程应用程序的应用程序开发人员，因为像 Visual Basic 6.0 这样的语言几乎不可能编写自由线程应用程序。

使用线程模式
为了使您对线程模式有一定的概念，我们可以将其想象为从一所屋子搬到另一所屋子。如果您采用单线程方法，则需要您自己完成从打包到扛箱子再到拆包的所有工作。如果您使用单元线程模式，则表示您邀请了好朋友来帮忙。每个朋友在一个单独的房间里工作，并且不能帮助在其他房间工作的人。他们各自负责自己的空间和空间内的物品搬运。如果您采用自由线程方法，您仍然邀请相同的朋友来帮忙，但是所有朋友可以随时在任何一个房间工作，共同打包物品。与此类似，您的房子就是运行所有线程的进程，每个朋友都是一个代码实例，搬运的物品为应用程序的资源和变量。

本示例解释了不同线程模式的优点和缺点。单元线程比单线程要快，因为有多个组件实例在工作。在某些情况下，自由线程比单元线程更快更有效，这是因为所有事情同时发生，并且可以共享所有资源。但是，当多线程更改共享资源时，这可能会出现问题。假设一个人开始使用箱子打包厨房用具，此时另一个朋友进来了，要使用同一个箱子打包浴室的东西。第一个朋友在箱子上贴上了“厨房用具”，另一个朋友用“洗漱用品”标签覆盖了原标签。结果，当您拆包时，就会发生将厨房用品搬到浴室的情况。

示例应用程序
第一步是要检查示例应用程序的设计。应用程序将生成多个线程，每个线程都侦听来自 MSMQ 队列的消息。本示例使用两个类，主 Form 类和自定义 MQListen 类。Form 类将处理用户界面并创建，管理和破坏辅助线程。MQListen 类包含所有代码，包括辅助线程运行所需的消息队列因素。

准备应用程序
要启动应用程序，请打开 Visual Studio .NET 并创建一个名为 MultiThreadedMQListener 的新 C# Windows 应用程序。打开窗体的属性，将其命名为 QueueListenerForm。画出初始窗体后，将两个标签、两个按钮、一个状态栏和两个文本框拖放到窗体上。将第一个文本框命名为 Server，第二个文本框命名为 Queue。将第一个按钮命名为 StartListening，第二个按钮命名为 StopListening。可以保留状态栏的默认名称 statusBar1。
下一步，单击 Project（项目）菜单并单击 Add Reference（添加引用），以向 System.Messaging 名称空间添加一个引用。在 .NET 组件列表中找到并选择 System.Messaging.Dll。名称空间包含与 MSMQ 队列通信所使用的类。
下一步，单击 File（文件）菜单，然后单击 Add New Item（添加新项），以在项目中添加一个新类。选择 Class（类）模板并将其命名为 MQListen。在类的顶部添加下列 using 语句：
// C#
using System.Threading;
using System.Messaging;
System.Threading 名称空间允许您访问所有必要的线程功能，在本例中，您可以访问 Thread 类和 ThreadInterruptException 构造函数。该名称空间还包括许多其他高级功能，本文不作详细讨论。System.Messaging 名称空间允许您访问 MSMQ 功能，包括向队列发送消息和接收队列消息。在本例中，您将使用 MessageQueue 类来接收消息。还必须在主窗体代码中添加 using System.Threading。

所有引用就位后，您就可以开始编写代码了。

辅助线程
首先需要构建封装所有线程工作的 MQListen 类。将下列代码插入 MQListen 中。

// C#
public class MQListen
{ 
 private string m_MachineName;
 private string m_QueueName;

 // 构造函数接收必要的队列信息。
 public MQListen(string MachineName, string QueueName)
 {
m_MachineName = MachineName;
m_QueueName = QueueName;
 }


 // 每个线程用来侦听 MQ 消息的一种唯一方法
 public void Listen()
 {
// 创建一个 MessageQueue 对象。
System.Messaging.MessageQueue MQ= new
System.Messaging.MessageQueue();

// 设置 MessageQueue 对象的路径属性。
MQ.Path = m_MachineName + "\\private$\\" + m_QueueName;

// 创建一个 Message 对象。
System.Messaging.Message Message = new
System.Messaging.Message();
// 重复上述步骤，直到收到中断。
while (true)
{
 try
 {
// 休眠以在中断发出时捕捉中断。
System.Threading.Thread.Sleep(100);
// 将 Message 对象设置为与接收函数的结果相等。
// 持续时间（天、小时、分钟、秒）。
Message = MQ.Receive(new TimeSpan(0, 0, 0, 1));
 
// 显示已接收消息的标签
System.Windows.Forms.MessageBox.Show(" Label: " + Message.Label);

 }
 catch (ThreadInterruptedException e)
 {
// 从主线程捕捉 ThreadInterrupt 并退出。
Console.WriteLine("Exiting Thread");
Message.Dispose();
MQ.Dispose();
break;
 }
 catch (Exception GenericException)
 {
// 捕捉接收过程中抛出的所有异常。
Console.WriteLine(GenericException.Message);
 }
}
 }
}
代码讨论
MQListen 类包含一个不同于构造函数的函数。该函数封装每个辅助线程要执行的所有工作。在主线程中，您向线程构造函数传递一个对此函数的引用，以便在启动线程时执行该函数。

Listen 所做的第一件事情是设置一个消息队列对象。MessageQueue 构造函数通过三种实现进行重载。第一种实现使用两个参数：一个字符串参数，指定侦听队列的位置；一个布尔值参数，指示是否为访问队列的第一个应用程序赋予独占读取队列的权限。第二种实现只使用队列路径参数，第三种实现不使用参数。为了简便起见，您可以使用第三种实现，在下一行分配路径。

如果您引用了队列，则必须创建一个消息对象。消息构造函数也有三种实现方式。如果您想将消息写入队列，则可以使用前两种实现。这两种实现采用两个对象：一个是位于消息正文中的对象；一个是定义如何将对象序列化到消息正文的 IMessageFormatter 对象。在本例中，您将从队列中读取数据，以初始化空的消息对象。

初始化对象后，您需要输入执行所有工作的主循环。然后，当主线程调用 Interrupt 终止这些线程时，则只有在线程处于等待、睡眠或连接状态下才会被中断。如果没有处于上述三种状态，则要等到下次进入这三种状态中的一种时才会被中断。要确保辅助线程进入等待、睡眠或连接状态，请调用位于 System.Threading 名称空间的 Sleep 方法。对于使用过 Windows API 睡眠函数的 C++ 和 Visual Basic 开发人员而言，Sleep 方法并不陌生。它只使用一个参数：线程处于睡眠状态的毫秒数。如果您从未调用过 Sleep，辅助线程将永远不会进入可以接收中断请求的状态，而会无限制地继续下去，除非您手动关闭进程。

MQ Receive 方法有两种实现。第一种实现不使用参数，将一直等待接收消息。第二种实现（本例使用这种实现）使用 TimeSpan 对象指定一个超时值。TimeSpan 构造函数包含四个参数：日、小时、分钟和秒。在本例中，Receive 方法在超时和返回前将等待一秒种。

收到的消息将被分配给先前创建的消息对象，然后，便可以对其进行处理了。本例打开一个带有标签的消息框，并删除了此消息。如果您想在实际使用中采用此代码，则可以在此处放置任何消息处理代码。

当辅助线程收到 Interrupt 请求后，将发出一个 ThreadInterruptedException 异常。要捕捉此异常，请在 try-catch 块中包含 Sleep 和 Receive 函数。您应当指定两个捕获：第一个用于捕获中断异常，第二个用于处理捕获到的错误异常。捕获到中断异常时，请首先将其写入线程正在退出的调试窗口。下一步，对队列对象和消息对象调用 Dispose 方法，以保证所有内存都被清空并发送到内存回收器。最后，中断 while 循环。

函数退出 while 循环后，关联的线程也将立即结束，代码为 0。在调试窗口，您将看到一则消息，例如“The thread '<name>' (0x660) has exited with code 0 (0x0)”（线程 '<name>' (0x660) 已经退出，代码为 0 (0x0)）。现在，线程已经退出该环境，并已自动被破坏。主线程和辅助线程都不需要执行专门的清除操作。

主窗体
下一步是向窗体添加代码以生成辅助线程并针对各辅助线程启动 MQListen 类。首先，请向窗体添加下列函数：

// C#
private void StartThreads()
{
 int LoopCounter; // 线程计数
 StopListeningFlag = false; // 跟踪辅助线程是否应当
 // 终止的标志。

 // 将一个包含 5 个线程的数组声明为辅助线程。
 Thread[] ThreadArray = new Thread[5];

// 声明包含辅助线程的所有代码的类。
 MQListen objMQListen = new
MQListen(this.ServerName.Text,this.QueueName.Text);

 for (LoopCounter = 0; LoopCounter < NUMBER_THREADS; LoopCounter++)
 {
// 创建一个 Thread 对象。
ThreadArray[LoopCounter] = new Thread(new
ThreadStart(objMQListen.Listen));
// 启动线程将调用 ThreadStart 委托。
ThreadArray[LoopCounter].Start();
 }

 statusBar1.Text = LoopCounter.ToString() + " listener threads started";

 while (!StopListeningFlag)
 {
// 等待用户按下停止按钮。
// 在等待过程中，让系统处理其他事件。
System.Windows.Forms.Application.DoEvents();
 }

 statusBar1.Text = "Stop request received, stopping threads";
 // 向每个线程发送一个中断请求。
 for (LoopCounter = 0;LoopCounter < NUMBER_THREADS; LoopCounter++)
 {
ThreadArray[LoopCounter].Interrupt();
 }

 statusBar1.Text = "All Threads have been stopped";
}
代码讨论
要启动此函数，请创建一个包含 5 个项目的线程数组。此数组将保持对所有线程的引用，以备将来使用。

MQListen 类的构造函数使用两个参数：包含消息队列的计算机名以及要侦听的队列的名称。构造函数使用文本框中的值来为这两个参数赋值。

要创建线程，您需要进入循环以初始化每个线程对象。Thread 构造函数要求您向其传递一个委托，该委托在调用线程的 Start 方法时指向要调用的函数。您希望线程开始使用 MQListen.Listen 函数，但该线程并不是一个委托。为了满足线程构造函数的要求，您必须传递一个 ThreadStart 对象，该对象将创建一个给定函数名称的委托。此时，请向 ThreadStart 对象传递一个对 MQListen.Listen 函数的引用。由于该数组元素已被初始化，请立即调用 Start 来开始线程。

所有线程开始后，请用相应的消息来更新窗体中的状态栏。随着线程的运行和侦听队列，主线程将等待用户请求应用程序停止侦听。为此，主线程将进入一个 while 循环，直至您单击 StopListening 按钮更改 StopListeningFlag 的值。在此等待循环中，将允许应用程序使用 Forms.Application.DoEvents 方法处理其他需要处理的工作。对于熟悉 Visual Basic 的读者来说，这一点与旧的 DoEvents 方法相同。对于熟悉 C++ 的读者来说，这等于编写一个 MSG 泵。

当用户单击 StopListening 按钮时，该循环将退出并进入线程关闭代码。要关闭所有线程，代码必须检查线程数组，并向每个线程发送一个中断信号。在此循环内部，请对数组中的每个线程调用 Interrupt 方法。调用此方法之前，MQListen 类中的代码将继续正常执行。因此，您可以对每个辅助线程调用 Interrupt，而不必考虑线程是否正在处理其他事件。完成后，线程类将处理所有线程的清除。最后，请在退出前更新主窗体中的状态栏。

现在，您需要在按钮后添加代码。请向 StartListening 按钮的 Click 事件添加以下代码：

// C#
statusBar1.Text = "Starting Threads";
StartThreads();
这将更新状态栏并调用 StartThreads 方法。对于 StopListening 按钮，您只需使用以下代码将 StopListeningFlag 设置为 True：

// C#
StopListeningFlag = true;
最后一步是为 StopListeningFlag 添加窗体级的变量。请在窗体代码的顶部添加以下行：

// C#
private bool StopListeningFlag = false;
要测试应用程序，您可以下载 MQWrite，这是一个写入消息队列的示例应用程序。

多线程代码问题
您已经完成了示例代码，因此您已经具备编写自己的多线程应用程序所需的工具。线程可以显著提高某些应用程序的性能和可伸缩性。在功能增强的同时，您还必须了解线程有危险的一面。使用线程可能会破坏您的应用程序，这样的情况确实存在。线程可能会阻止运行，造成无法预料的后果，甚至会导致应用程序停止运行。

如果您有多个线程，请确保它们之间不存在互相等待以到达某一点或完成的情况。如果操作错误，可能会导致死锁状态，两个线程都无法完成，因为它们都在相互等待。

如果多线程要求访问不能轻易共享的资源（如软盘驱动器、串行端口或红外线端口），您可能需要避免使用线程或需要使用一种更高级的线程工具（如 synclocks 或 mutexes）来管理并发性。如果两个线程试图同时访问这些资源，其中一个线程将无法获得资源，或者会导致数据损坏。

使用线程的另一个常见问题是竞争状态。如果一个线程正在将数据写入文件，而另一个线程正在从该文件中读取数据，您将无法知道哪个线程先完成。这种情况称为竞争状态，因为两个线程都在竞相到达文件末尾。如果读取线程快于写入线程，则将返回无法预料的结果。

使用线程时，还应当考虑所有线程是否都能够完全独立地进行工作。如果确实需要来回传递数据，在数据相对简单的情况下，只要小心操作即可。传递复杂对象时，来回移动这些对象的封送代价将十分可观。这将导致操作系统管理的额外开销并且会降低总体性能。

另一个问题是将代码转交给其他开发人员的传递成本。虽然 .NET 确实使线程变得容易，但请注意，维护您代码的下一位开发人员必须了解要使用的线程。尽管这不是避免使用线程的理由，但是它充分说明了应该提供足够的代码注释。

这些问题本身并不能打消您使用线程的热情，但您在设计应用程序和决定是否使用线程时应该考虑到这些问题。遗憾的是，本文无法详细论述某些避免这些问题的方法。如果您已决定使用线程但遇到了上述某些问题，请检查 synclocks 或 mutexes 看是否能解决问题或引导您使用其他解决方案。

总结
有了上述信息，您就可以编写使用线程的应用程序。不过，在编写过程中，请记住上面提到的问题。如果使用得当，那么，与单线程相比，多线程应用程序将具有更好的性能和可伸缩性。但是，如果使用不当，使用线程会适得其反，并且会导致应用程序不稳定。