программирование, создание программ, учебник Delphi, учебник по программированию, бейсек, делфи, си, паскаль
 
 
 

 

Многопоточные приложения


Многозадачность в современных операционных системах воспринимается как нечто само собой разумеющееся [ До появления Apple OS X на компьютерах Macintosh не было современных многозадачных операционных систем. Правильно спроектировать операционную систему с полноценной многозадачностью очень трудно, поэтому за основу OS X пришлось взять систему Unix. ]. Пользователь рассчитывает на то, что при одновременном запуске текстового редактора и почтового клиента эти программы не будут конфликтовать, а при приеме электронной почты редактор не перестанет работать. При одновременном запуске нескольких программ операционная система быстро переключается между программами, по очереди предоставляя им процессор (если, конечно, на компьютере не установлено несколько процессоров). В результате создается иллюзия одновременной работы нескольких программ, поскольку даже лучшая машинистка (и самое быстрое Интернет-соединение) не угонится за современным процессором.
Многопоточность (multithreading) в каком-то смысле можно рассматривать как следующий уровень многозадачности: вместо того, чтобы переключаться между разными программами, операционная система переключается между разными частями одной программы. Например, многопоточный почтовый клиент позволяет принимать новые сообщения электронной почты во время чтения или составления новых сообщений. В наше время многопоточность тоже воспринимается многими пользователями как должное.
В VB нормальной поддержки многопоточности не было никогда. Правда, в VB5 появилась одна из ее разновидностей — совместная потоковая модель (apartment threading). Как вы вскоре увидите, совместная модель предоставляет в распоряжение программиста часть преимуществ многопоточности, но не позволяет использовать все возможности в полной мере. Рано или поздно с учебной машины приходится пересаживаться на настоящую, и VB .NET стал первой версией VB с поддержкой свободной многопоточной модели.
Тем не менее многопоточность не принадлежит к числу возможностей, которые легко реализуются в языках программирования и легко осваиваются программистами. Почему?
Потому что в многопоточных приложениях могут возникать очень хитрые ошибки, которые непредсказуемо появляются и исчезают (а такие ошибки труднее всего отлаживать).
Честно предупреждаем: многопоточность — одна из сложнейших областей программирования. Малейшая невнимательность приводит к появлению неуловимых ошибок, на исправление которых уходят астрономические суммы. По этой причине в настоящей главе приведено немало плохих примеров — мы намеренно написали их так, чтобы продемонстрировать характерные ошибки. В этом и состоит самый безопасный подход к изучению многопоточного программирования: вы должны уметь разглядеть потенциальные проблемы, когда на первый взгляд все работает нормально, и знать пути их решения. Если вы хотите использовать приемы многопоточного программирования, без этого не обойтись.
В этой главе будет заложена надежная основа для дальнейшей самостоятельной работы, но описать многопоточное программирования во всех тонкостях мы не сможем — только печатная документация по классам пространства имен Threading занимает более 100 страниц. Если вы захотите освоить многопоточное программирование на более высоком уровне, обращайтесь к специализированным книгам.
Но каким бы опасным ни было многопоточное программирование, при профессиональном решении некоторых задач оно незаменимо. Если ваши программы не будут использовать многопоточность там, где это уместно, пользователи сильно разочаруются и предпочтут другой продукт. Например, лишь в четвертой версии популярной почтовой программы Eudora появились многопоточные возможности, без которых невозможно себе представить ни одну современную программу для работы с электронной почтой. К тому времени, когда в Eudora появилась поддержка многопоточности, многие пользователи (в том числе и один из авторов этой книги) перешли на другие продукты.
Наконец, в .NET однопоточных программ просто не бывает. Все программы .NET являются многопоточными, поскольку сборщик мусора выполняется как низкоприоритетный фоновый процесс. Как показано ниже, при серьезном графическом программировании в .NET правильное взаимодействие программных потоков помогает предотвратить блокировку графического интерфейса при выполнении программой продолжительных операций.
 
Знакомство с многопоточностью
Каждая программа работает в определенном контексте, описывающем распределение кода и данных в памяти. При сохранении контекста фактически сохраняется состояние программного потока, что позволяет в будущем восстановить его и продолжить выполнение программы.
Сохранение контекста сопряжено с определенными затратами времени и памяти. Операционная система запоминает состояние программного потока и передает управление другому потоку. Когда программа захочет продолжить выполнение приостановленного потока, сохраненный контекст приходится восстанавливать, на что уходит еще больше времени. Следовательно, многопоточность следует использовать лишь в тех случаях, когда преимущества компенсируют все затраты. Ниже перечислены некоторые типичные примеры.

  • Функциональность программы четко и естественно делится на несколько разнородных операций, как в примере с приемом электронной почты и подготовкой новых сообщений.
  • Программа выполняет долгие и сложные вычисления, и вы не хотите, чтобы на время вычислений блокировался графический интерфейс.
  • Программа работает на многопроцессорном компьютере с операционной системой, поддерживающей использование нескольких процессоров (пока количество активных потоков не превышает количества процессоров, параллельное выполнение обходится практически без затрат, связанных с переключением потоков).

Прежде чем переходить к механике работы многопоточных программ, необходимо указать на одно обстоятельство, часто вызывающее недоразумения у новичков в области многопоточного программирования.
В программном потоке выполнятся процедура, а не объект.
Трудно сказать, что следует понимать под выражением «выполняется объект», но один из авторов часто ведет семинары по многопоточному программированию и этот вопрос задают чаще других. Возможно, кто-то полагает, что работа программного потока начинается с вызова метода New класса, после чего поток обрабатывает все сообщения, передаваемые соответствующему объекту. Такие представления абсолютно неверны. Один объект может содержать несколько потоков, выполняющих разные (а иногда даже одинаковые) методы, при этом сообщения объекта передаются и принимаются несколькими разными потоками (кстати, это одна из причин, затрудняющих многопоточное программирование: чтобы отладить программу, необходимо узнать, какой поток в данный момент выполняет ту или иную процедуру!).
Поскольку программные потоки создаются на базе методов объектов, сам объект обычно создается раньше потока. После успешного создания объекта программа создает поток, передавая ему адрес метода объекта, и только после этого отдает распоряжение о начале выполнения потока. Процедура, для которой создавался поток, как и все процедуры, может создавать новые объекты, выполнять операции с существующими объектами и вызывать другие процедуры и функции, находящиеся в ее области видимости.
В программных потоках также могут выполняться общие методы классов. В этом слу-Также помните о другом важном обстоятельстве: поток завершается с выходом из процедуры, для которой он был создан. До выхода из процедуры нормальное завершение программного потока невозможно.
Потоки могут завершаться не только естественно, но и аварийно. Обычно делать это не рекомендуется. За дополнительной информацией обращайтесь к разделу «Завершение и прерывание потоков».
Основные средства .NET, относящиеся к использованию программных потоков, сосредоточены в пространстве имен Threading. Следовательно, большинство многопоточных программ должно начинаться со следующей строки:
Imports System.Threading
Импортирование пространства имен упрощает ввод программы и позволяет использовать технологию IntelliSense.
Непосредственная связь потоков с процедурами наводит на предположение о том, что в этой картине важное место занимают делегаты (см. главу 6). В частности, в пространство имен Threading входит делегат ThreadStart, обычно используемый при запуске программных потоков. Синтаксис использования этого делегата выглядит так:
Public Delegate Sub ThreadStart()
Код, вызываемый при помощи делегата ThreadStart, не должен иметь параметров и возвращаемого значения, поэтому потоки не могут создаваться для функций (которые возвращают значение) и для процедур с параметрами. Для передачи информации из потока тоже приходится искать альтернативные средства, поскольку выполняемые методы не возвращают значений и не могут использовать передачу по ссылке. Например, если процедура ThreadMethod находится в классе WilluseThread, то ThreadMethod может передавать информацию посредством изменения свойств экземпляров класса WillUseThread.
 
Домены приложений
Программные потоки .NET работают в так называемых доменах приложений, определяемых в документации как «изолированная среда, в которой выполняется приложение». Домен приложения можно рассматривать как облегченный вариант процессов Win32; один процесс Win32 может содержать несколько доменов приложений. Главное отличие между доменами приложений и процессами заключается в том, что процесс Win32 обладает самостоятельным адресным пространством (в документации домены приложений также сравниваются с логическими процессами, работающими внутри физического процесса). В .NET все управление памятью осуществляется исполнительной средой, поэтому в одном процессе Win32 могут работать несколько доменов приложений. Одним из преимуществ этой схемы является улучшение возможностей масштабирования (scaling) приложений. Средства для работы с доменами приложений находятся в классе AppDomain. Рекомендуем изучить документацию по этому классу. С его помощью можно получить информацию об окружении, в котором работает ваша программа. В частности, класс AppDomain применяется при выполнении рефлексии для системных классов .NET. Следующая программа выводит список загруженных сборок.
Imports System.Reflection
Module Modulel
Sub Main()
Dim theDomain As AppDomain
theDomain = AppDomain.CurrentDomain
Dim Assemblies()As [Assembly ]
Assemblies = theDomain.GetAssemblies
Dim anAssemblyxAs [Assembly ]
For Each anAssembly In Assemblies
Console.WriteLinetanAssembly.Full Name) Next
Console.ReadLine()
End Sub
End Module
 
Создание потоков
Начнем с элементарного примера. Допустим, вы хотите запустить в отдельном потоке процедуру, которая в бесконечном цикле уменьшает значение счетчика. Процедура определяется в составе класса:
Public Class WillUseThreads
Public Sub SubtractFromCounter()
Dim count As Integer
Do While True count -= 1
Console.WriteLlne("Am in another thread and counter ="
& count)
Loop
End Sub
End Class
Поскольку условие цикла Do остается истинным всегда, можно подумать, что ничто не помешает выполнению процедуры SubtractFromCounter. Тем не менее в многопоточном приложении это не всегда так.
В следующем фрагменте приведена процедура Sub Main, запускающая поток, и команда Imports:
Option Strict On Imports System.Threading Module Modulel
Sub Main()
1 Dim myTest As New WillUseThreads()
2 Dim bThreadStart As New ThreadStart(AddressOf _
myTest.SubtractFromCounter)
3 Dim bThread As New Thread(bThreadStart)
4 ' bThread.Start()
Dim i As Integer
5 Do While True
Console.WriteLine("In main thread and count is " & i) i += 1
Loop
End Sub
End Module
Давайте последовательно разберем наиболее принципиальные моменты. Прежде всего процедура Sub Man n всегда работает в главном потоке (main thread). В програм-мах .NET всегда работают минимум два потока: главный и поток сборки мусора. В строке 1 создается новый экземпляр тестового класса. В строке 2 мы создаем делегат ThreadStart и передаем адрес процедуры SubtractFromCounter экземпляра тестового класса, созданного в строке 1 (эта процедура вызывается без параметров). Благодаря импортированию пространства имен Threading длинное имя можно не указывать. Объект нового потока создается в строке 3. Обратите внимание на передачу делегата ThreadStart при вызове конструктора класса Thread. Некоторые программисты предпочитают объединять эти две строки в одну логическую строку:
Dim bThread As New Thread(New ThreadStarttAddressOf _
myTest.SubtractFromCounter))
Наконец, строка 4 «запускает» поток, для чего вызывается метод Start экземпляра класса Thread, созданного для делегата ThreadStart. Вызывая этот метод, мы указываем операционной системе, что процедура Subtract должна работать в отдельном потоке.
Слово «запускает» в предыдущем абзаце заключено в кавычки, поскольку в этом случае наблюдается одна из многих странностей многопоточного программирования: вызов Start не приводит к фактическому запуску потока! Он всего лишь сообщает, что операционная система должна запланировать выполнение указанного потока, но непосредственный запуск находится вне контроля программы. Вам не удастся начать выполнение потоков по своему усмотрению, потому что выполнением потоков всегда распоряжается операционная система. В одном из дальнейших разделов вы узнаете, как при помощи приоритета заставить операционную систему побыстрее запустить ваш поток.
На  1 показан пример того, что может произойти после запуска программы и ее последующего прерывания клавишей Ctrl+Break. В нашем случае новый поток запустился лишь после того, как счетчик в главном потоке увеличился до 341!
Если программа будет работать в течение большегошромежутка времени, результат будет выглядеть примерно так, как показано на  2. Мы видим, что выполнение запущенного потока приостанавливается и управление снова передается главному потоку. В данном случае имеет место проявление вытесняющей мно-гопоточности посредством квантования времени. Смысл этого устрашающего термина разъясняется ниже.
При прерывании потоков и передаче управления другим потокам операционная система использует принцип вытесняющей многопоточности посредством квантования времени. Квантование времени также решает одну из распространенных проблем, возникавших прежде в многопоточных программах, — один поток занимает все процессорное время и не уступает управления другим потокам (как правило, это случается в интенсивных циклах вроде приведенного выше). Чтобы предотвратить монопольный захват процессора, ваши потоки должны время от времени передавать управление другим потокам. Если программа окажется «несознательной», существует другое, чуть менее желательное решение: операционная система всегда вытесняет работающий поток независимо от уровня его приоритета, чтобы доступ к процессору был предоставлен каждому потоку в системе.
Поскольку в схемах квантования всех версий Windows, в которых работает .NET, каждо-му потоку выделяется минимальный квант времени, в программировании .NET проблемы с монопольным захватом процессора не столь серьезны. С другой стороны, если среда .NET когда-нибудь будет адаптирована для других систем, ситуация может измениться.
Если включить следующую строку в нашу программу перед вызовом Start, то даже потоки, обладающие минимальным приоритетом, получат некоторую долю процессорного времени:
bThread.Priority = ThreadPriority.Highest
Команда назначает новому потоку максимальный приоритет и уменьшает приоритет главного потока. Из  3 видно, что новый поток начинает работать быстрее, чем прежде, но, как показывает  4, главный поток тоже получает управление (правда, очень ненадолго и лишь после продолжительной работы потока с вычитанием). При запуске программы на ваших компьютерах будут получены результаты, похожие на показанные на  3 и 10.4, но из-за различий между нашими системами точного совпадения не будет.
В перечисляемый тип ThreadPrlority входят значения для пяти уровней приоритета:
ThreadPriority.Highest
ThreadPriority.AboveNormal
ThreadPrlority.Normal
ThreadPriority.BelowNormal
ThreadPriority.Lowest
 
Метод Join
Иногда программный поток требуется приостановить до момента завершения другого потока. Допустим, вы хотите приостановить поток 1 до тех пор, пока поток 2 не завершит свои вычисления. Для этого из потока 1 вызывается метод Join для потока 2. Иначе говоря, команда
thread2.Join()
приостанавливает текущий поток и ожидает завершения потока 2. Поток 1 переходит в заблокированное состояние.
Если присоединить поток 1 к потоку 2 методом Join, операционная система автоматически запустит поток 1 после завершения потока 2. Учтите, что процесс запуска является недетерминированным: нельзя точно сказать, через какой промежуток времени после завершения потока 2 заработает поток 1. Существует и другая версия Join, которая возвращает логическую величину:
thread2.Join(Integer)
Этот метод либо ожидает завершения потока 2, либо разблокирует поток 1 после истечения заданного интервала времени, вследствие чего планировщик операционной системы снова будет выделять потоку процессорное время. Метод возвращает True, если поток 2 завершается до истечения заданного интервала тайм-аута, и False в противном случае.
Не забывайте основное правило: независимо оттого, завершился ли поток 2 или про-изошел тайм-аут, вы не можете управлять моментом активизации потока 1.
 
Имена потоков, CurrentThread и ThreadState
Перед запуском каждому потоку рекомендуется присвоить содержательное имя, поскольку имена значительно упрощают отладку многопоточных программ. Для этого следует задать значение свойства Name командой следующего вида:
bThread.Name = "Subtracting thread"
Свойство Thread.CurrentThread возвращает ссылку на объект потока, выполняемого в настоящий момент.
Хотя для отладки многопоточных приложений в VB .NET существует замечательное окно потоков, о котором рассказано далее, нас очень часто выручала команда
MsgBox(Thread.CurrentThread.Name)
Нередко выяснялось, что код выполняется совсем не в том потоке, в котором ему полагалось выполняться.
Напомним, что термин «недетерминированное планирование программных потоков» означает очень простую вещь: в распоряжении программиста практически нет средств, позволяющих влиять на работу планировщика. По этой причине в программах часто используется свойство ThreadState, возвращающее информацию о текущем состоянии потока.
 
Окно потоков
Окно потоков (Threads window) Visual Studio .NET оказывает неоценимую помощь в отладке многопоточных программ. Оно активизируется командой подменю Debug > Windows в режиме прерывания. Допустим, вы назначили имя потоку bThread следующей командой:
bThread.Name = "Subtracting thread"
Примерный вид окна потоков после прерывания программы комбинацией клавиш Ctrl+Break (или другим способом) показан на  5.
Стрелкой в первом столбце помечается активный поток, возвращаемый свойством Thread.CurrentThread. Столбец ID содержит числовые идентификаторы потоков. В следующем столбце перечислены имена потоков (если они были присвоены). Столбец Location указывает выполняемую процедуру (например, процедура WriteLine класса Console на  5). Остальные столбцы содержат информацию о приоритете и приостановленных потоках (см. следующий раздел).
Окно потоков (а не операционная система!) позволяет управлять потоками вашей программы при помощи контекстных меню. Например, вы можете остановить текущий поток, для чего следует щелкнуть в соответствующей строке правой кнопкой мыши и выбрать команду Freeze (позже работу остановленного потока можно возобновить). Остановка потоков часто используемая при отладке, чтобы неправильно работающий поток не мешал работе приложения. Кроме того, окно потоков позволяет активизировать другой (не остановленный) поток; для этого следует щелкнуть правой кнопкой мыши в нужной строке и выбрать в контекстном меню команду Switch To Thread (или просто сделать двойной щелчок на строке потока). Как будет показано далee, это очень удобно при диагностике потенциальных взаимных блокировок (deadlocks).
 
Приостановка потока
Временно неиспользуемые потоки можно перевести в пассивное состояние методом Slеер. Пассивный поток также считается заблокированным. Разумеется, с переводом потока в пассивное состояние на долю остальных потоков достанется больше ресурсов процессора. Стандартный синтаксис метода Slеер выглядит следующим образом: Thread.Sleep(интервал_в_миллисекундах)
В результате вызова Sleep активный поток переходит в пассивное состояние как минимум на заданное количество миллисекунд (впрочем, активизация сразу же после истечения заданного интервала не гарантируется). Обратите внимание: при вызове метода ссылка на конкретный поток не передается — метод Sleep вызывается только для активного потока.
Другая версия Sleep заставляет текущий поток уступить оставшуюся часть выделенного процессорного времени:
Thread.Sleep(0)
Следующий вариант переводит текущий поток в пассивное состояние на неограниченное время (активизация происходит только при вызове Interrupt):
Thread.Slеер(Timeout.Infinite)
Поскольку пассивные потоки (даже при неограниченном времени ожидания) могут прерываться методом Interrupt, что приводит к инициированию исключения ThreadlnterruptExcepti on, вызов Slеер всегда заключается в блок Try-Catch, как в следующем фрагменте:
Try
Thread.Sleep(200)
Catch tie As ThreadlnterruptedException
' Пассивное состояние потока было прервано
Catch e As Exception
'Остальные исключения
End Try
Каждая программа .NET работает в программном потоке, поэтому метод Sleep также используется для приостановки работы программ (если пространство имен Threadipg не импортируется программой, приходится использовать полное имя Threading.Thread. Sleep).
 
Завершение или прерывание программных потоков
Поток автоматически завершается при выходе из метода, указанного при создании делегата ThreadStart, но иногда требуется завершить метод (следовательно, и поток) при возникновении определенных факторов. В таких случаях в потоках обычно проверяется условная переменная, в зависимости от состояния которой принимается решение об аварийном выходе из потока. Как правило, для этого в процедуру включается цикл Do-While:
Sub ThreadedMethod()
' В программе необходимо предусмотреть средства для опроса
' условной переменной.
' Например, условную переменную можно оформить в виде свойства
' и использовать ссылку на это свойство в программе.
Do While conditionVariable = False And MoreWorkToDo
' Основной код
Loop End Sub
На опрос условной переменной уходит некоторое время. Постоянный опрос в условии цикла следует использовать лишь в том случае, если вы ожидаете преждевременного завершения потока.
Если проверка условной переменной должна происходить в строго определенном месте, воспользуйтесь командой If-Then в сочетании с Exit Sub внутри бесконечного цикла.
Доступ к условной переменной необходимо синхронизировать, чтобы воздействие со стороны других потоков не помешало ее нормальному использованию. Этой важной теме посвящен раздел «Решение проблемы: синхронизация».
К сожалению, код пассивных (или заблокированных иным образом) потоков не выполняется, поэтому вариант с опросом условной переменной для них не подходит. В этом случае следует вызвать метод Interrupt для объектной переменной, содержащей ссылку на нужный поток.
Метод Interrupt может вызываться только для потоков, находящихся в состоянии Wait, Sleep или Join. Если вызвать Interrupt для потока, находящегося в одном из перечисленных состояний, то через некоторое время поток снова начнет работать, а исполнительная среда инициирует в потоке исключение ThreadlnterruptedExcepti on. Это происходит даже в том случае, если поток был переведен в пассивное состояние на неопределенный срок вызовом Thread.Sleepdimeout. Infinite). Мы говорим «через некоторое время», поскольку планирование потоков имеет недетерминированную природу. Исключение ThreadlnterruptedExcepti on перехватывается секцией Catch, содержащей код выхода из состояния ожидания. Тем не менее секция Catch вовсе не обязана завершать поток по вызову Interrupt — поток обрабатывает исключение по своему усмотрению.
В.NET метод Interrupt может вызываться даже для незаблокированных потоков. В этом случае поток прерывается при ближайшей блокировке.
 
Приостановка и уничтожение потоков
Пространство имен Threading содержит и другие методы, прерывающие нормальное функционирование потоков:

  • Suspend;
  • Abort.

Трудно сказать, зачем в .NET была включена поддержка этих методов — при вызове Suspend и Abort программа, скорее всего, начнет работать нестабильно. Ни один из методов не позволяет нормально провести деинициализацию потока. Кроме того, при вызове Suspend или Abort невозможно предсказать, в каком состоянии поток оставит объекты после приостановки или аварийного завершения.
В результате вызова Abort инициируется исключение ThreadAbortException. Чтобы вы поняли, почему это странное исключение не следует обрабатывать в программах, мы приводим отрывок из документации .NET SDK:
«...При уничтожении потока вызовом Abort исполнительная среда инициирует исключение ThreadAbortException. Это особая разновидность исключений, которая не может перехватываться программой. При инициировании этого исключения перед тем, как уничтожить поток, исполнительная среда выполняет все блоки Finally. Поскольку в блоках Finally могут выполняться любые действия, вызовите Join, чтобы убедиться в уничтожении потока».
Мораль: Abort и Suspend использовать не рекомендуется (а если без Suspend все же не обойтись, возобновите приостановленный поток методом Resume). Безопасно завершить поток можно только путем опроса синхронизируемой условной переменной или вызовом метода Interrupt, о котором говорилось выше.
 
Фоновые потоки (демоны)
Некоторые потоки, работающие в фоновом режиме, автоматически прекращают работу в тот момент, когда останавливаются другие компоненты программы. В частности, сборщик мусора работает в одном из фоновых потоков. Обычно фоновые потоки создаются для приема данных, но это делается лишь в том случае, если в других потоках работает код, способный обработать полученные данные. Синтаксис: имя потока.IsBackGround = True
Если в приложении остались только фоновые потоки, приложение автоматически завершается.
 
Более серьезный пример: извлечение данных из кода HTML
Мы рекомендуем использовать потоки лишь в том случае, когда функциональность программы четко делится на несколько операций. Хорошим примером является программа извлечения данных из кода HTML из главы 9. Наш класс выполняет две операции: выборку данных с сайта Amazon и их обработку. Перед нами идеальный пример ситуации, в которой многопоточное программирование действительно уместно. Мы создаем классы для нескольких разных книг и затем анализируем данные в разных потоках. Создание нового потока для каждой книги повышает эффективность программы, поскольку во время приема данных одним потоком (что может потребовать ожидания на сервере Amazon) другой поток будет занят обработкой уже полученных данных.
Многопоточный вариант этой программы работает эффективнее однопоточного варианта лишь на компьютере с несколькими процессорами или в том случае, если прием дополнительных данных удается эффективно совместить с их анализом.
Как говорилось выше, в потоках могут запускаться только процедуры, не имеющие параметров, поэтому в программу придется внести небольшие изменения. Ниже приведена основная процедура, переписанная с исключением параметров:
Public Sub FindRank()
m_Rank = ScrapeAmazon()
Console.WriteLine("the rank of " & m_Name & "Is " & GetRank)
End Sub
Поскольку нам не удастся воспользоваться комбинированным полем для хранения и выборки информации (написание многопоточных программ с графическим интерфейсом рассматривается в последнем разделе настоящей главы), программа сохраняет данные четырех книг в массиве, определение которого начинается так:
Dim theBook(3.1) As String theBook(0.0) = "1893115992"
theBook(0.l) = "Programming VB .NET" ' И т.д.
Четыре потока создаются в том же цикле, в котором создаются объекты AmazonRanker:
For i= 0 То 3
Try
theRanker = New AmazonRanker(theBook(i.0). theBookd.1))
aThreadStart = New ThreadStar(AddressOf theRanker.FindRan()
aThread = New Thread(aThreadStart)
aThread.Name = theBook(i.l)
aThread.Start() Catch e As Exception
Console.WriteLine(e.Message)
End Try

Next
Ниже приведен полный текст программы:
Option Strict On Imports System.IO Imports System.Net
Imports System.Threading
Module Modulel
Sub Main()
Dim theBook(3.1) As String
theBook(0.0) = "1893115992"
theBook(0.l) = "Programming VB .NET"
theBook(l.0) = "1893115291"
theBook(l.l) = "Database Programming VB .NET"
theBook(2,0) = "1893115623"
theBook(2.1) = "Programmer 's Introduction to C#."
theBook(3.0) = "1893115593"
theBook(3.1) = "Gland the .Net Platform "
Dim i As Integer
Dim theRanker As =AmazonRanker
Dim aThreadStart As Threading.ThreadStart
Dim aThread As Threading.Thread
For i = 0 To 3
Try
theRanker = New AmazonRankerttheBook(i.0). theBook(i.1))
aThreadStart = New ThreadStart(AddressOf theRanker. FindRank)
aThread = New Thread(aThreadStart)
aThread.Name= theBook(i.l)
aThread.Start()
Catch e As Exception
Console.WriteLlnete.Message)
End Try Next
Console.ReadLine()
End Sub
End Module
Public Class AmazonRanker
Private m_URL As String
Private m_Rank As Integer
Private m_Name As String
Public Sub New(ByVal ISBN As String. ByVal theName As String)
m_URL = "http://www.amazon.com/exec/obidos/ASIN/" & ISBN
m_Name = theName End Sub
Public Sub FindRank() m_Rank = ScrapeAmazon()
Console.Writeline("the rank of " & m_Name & "is "
& GetRank) End Sub
Public Readonly Property GetRank() As String Get
If m_Rank <> 0 Then
Return CStr(m_Rank) Else
' Проблемы
End If
End Get
End Property
Public Readonly Property GetName() As String Get
Return m_Name
End Get
End Property
Private Function ScrapeAmazon() As Integer Try
Dim theURL As New Uri(m_URL)
Dim theRequest As WebRequest
theRequest =WebRequest.Create(theURL)
Dim theResponse As WebResponse
theResponse = theRequest.GetResponse
Dim aReader As New StreamReader(theResponse.GetResponseStream())
Dim theData As String
theData = aReader.ReadToEnd
Return Analyze(theData)
Catch E As Exception
Console.WriteLine(E.Message)
Console.WriteLine(E.StackTrace)
Console. ReadLine()
End Try End Function
Private Function Analyze(ByVal theData As String) As Integer
Dim Location As.Integer Location = theData.IndexOf("<b>Amazon.com
Sales Rank:</b>") _
+ "<b>Amazon.com Sales Rank:</b>".Length
Dim temp As String
Do Until theData.Substring(Location.l) = "<" temp = temp
&theData.Substring(Location.l) Location += 1 Loop
Return Clnt(temp)
End Function
End Class
Многопоточные операции часто используются в .NET и пространствах имен ввода-вы-вода, поэтому в библиотеке .NET Framework для них предусмотрены специальные асинхронные методы. Дополнительная информация о применении асинхронных методов при написании многопоточных программ приведена в описании методов BeginGetResponse и EndGetResponse класса HTTPWebRequest
 
Главная опасность (общие данные)
До настоящего момента рассматривался единственный безопасный случай использования потоков — наши потоки не изменяли общих данных. Если разрешить изменение общих данных, потенциальные ошибки начинают плодиться в геометрической прогрессии и избавить от них программу становится гораздо труднее. С другой стороны, если запретить модификацию общих данных разными потоками, многопоточное программирование .NET практически не будет отличаться от ограниченных возможностей VB6.
Вашему вниманию предлагается небольшая программа, которая демонстрирует возникающие проблемы, не углубляясь в излишние подробности. В этой программе моделируется дом, в каждой комнате которого установлен термостат. Если температура на 5 и более градусов по Фаренгейту (около 2,77 градусов по Цельсию) меньше положенной, мы приказываем системе отопления повысить температуру на 5 градусов; в противном случае температура повышается только на 1 градус. Если текущая температура больше либо равна заданной, изменение не производится. Регулировка температуры в каждой комнате осуществляется отдельным потоком с 200-миллисекундной задержкой. Основная работа выполняется следующим фрагментом:
If mHouse.HouseTemp < mHouse.MAX_TEMP = 5 Then Try
Thread.Sleep(200)
Catch tie As ThreadlnterruptedException
' Пассивное ожидание было прервано
Catch e As Exception
' Другие исключения End Try
mHouse.HouseTemp +- 5 ' И т.д.
Ниже приведен полный исходный текст программы. Результат показан на  6: температура в доме достигла 105 градусов по Фаренгейту (40,5 градуса по Цельсию)!
1 Option Strict On
2 Imports System.Threading
3 Module Modulel
4 Sub Main()
5 Dim myHouse As New House(l0)
6 Console. ReadLine()
7 End Sub
8 End Module
9 Public Class House
10 Public Const MAX_TEMP As Integer = 75
11 Private mCurTemp As Integer = 55
12 Private mRooms() As Room
13 Public Sub New(ByVal numOfRooms As Integer)
14 ReDim mRooms(numOfRooms = 1)
15 Dim i As Integer
16 Dim aThreadStart As Threading.ThreadStart
17 Dim aThread As Thread
18 For i = 0 To numOfRooms -1
19 Try
20 mRooms(i)=NewRoom(Me, mCurTemp,CStr(i) &"throom")
21 aThreadStart - New ThreadStart(AddressOf _
mRooms(i).CheckTempInRoom)
22 aThread =New Thread(aThreadStart)
23 aThread.Start()
24 Catch E As Exception
25 Console.WriteLine(E.StackTrace)
26 End Try
27 Next
28 End Sub
29 Public Property HouseTemp()As Integer
30 . Get
31 Return mCurTemp
32 End Get
33 Set(ByVal Value As Integer)
34 mCurTemp = Value 35 End Set
36 End Property
37 End Class
38 Public Class Room
39 Private mCurTemp As Integer
40 Private mName As String
41 Private mHouse As House
42 Public Sub New(ByVal theHouse As House,
ByVal temp As Integer, ByVal roomName As String)
43 mHouse = theHouse
44 mCurTemp = temp
45 mName = roomName
46 End Sub
47 Public Sub CheckTempInRoom()
48 ChangeTemperature()
49 End Sub
50 Private Sub ChangeTemperature()
51 Try
52 If mHouse.HouseTemp < mHouse.MAX_TEMP - 5 Then
53 Thread.Sleep(200)
54 mHouse.HouseTemp +- 5
55 Console.WriteLine("Am in " & Me.mName & _
56 ".Current temperature is "&mHouse.HouseTemp)
57 . Elself mHouse.HouseTemp < mHouse.MAX_TEMP Then
58 Thread.Sleep(200)
59 mHouse.HouseTemp += 1
60 Console.WriteLine("Am in " & Me.mName & _
61 ".Current temperature is " & mHouse.HouseTemp)
62 Else
63 Console.WriteLine("Am in " & Me.mName & _
64 ".Current temperature is " & mHouse.HouseTemp)
65 ' Ничего не делать, температура нормальная
66 End If
67 Catch tae As ThreadlnterruptedException
68 ' Пассивное ожидание было прервано
69 Catch e As Exception
70 ' Другие исключения
71 End Try
72 End Sub
73 End Class
В процедуре Sub Main (строки 4-7) создается «дом» с десятью «комнатами». Класс House устанавливает максимальную температуру 75 градусов по Фаренгейту (около 24 градусов по Цельсию). В строках 13-28 определяется довольно сложный конструктор дома. Ключевыми для понимания программы являются строки 18-27. Строка 20 создает очередной объект комнаты, при этом конструктору передается ссылка на объект дома, чтобы объект комнаты при необходимости мог к нему обратиться. Строки 21-23 запускают десять потоков для регулировки температуры в каждой комнате. Класс Room определяется в строках 38-73. Ссылка на объект House coxpaняется в переменной mHouse в конструкторе класса Room (строка 43). Код проверки и регулировки температуры (строки 50-66) выглядит просто и естественно, но как вы вскоре убедитесь, это впечатление обманчиво! Обратите внимание на то, что этот код заключен в блок Try-Catch, поскольку в программе используется метод Sleep.
Вряд ли кто-нибудь согласится жить при температуре в 105 градусов по Фаренгейту (40,5 24 градусов по Цельсию). Что же произошло? Проблема связана со следующей строкой:
If mHouse.HouseTemp < mHouse.MAX_TEMP - 5 Then
А происходит следующее: сначала температуру проверяет поток 1. Он видит, что температура слишком низка, и поднимает ее на 5 градусов. К сожалению, перед повышением температуры поток 1 прерывается и управление передаётся поток 2. Поток 2 проверяет ту же самую переменную, которая еще не была изменена потоком 1. Таким образом, поток 2 тоже готовится поднять температуру на 5 градусов, но сделать этого не успевает и тоже переходит в состояние ожидания. Процесс продолжается до тех пор, пока поток 1 не активизируется и не перейдет к следующей команде — повышению температуры на 5 градусов. Повышение повторяется при активизации всех 10 потоков, и жильцам дома придется плохо.
 
Решение проблемы: синхронизация
В предыдущей программе возникает ситуация, когда результат работы программы зависит от порядка выполнения потоков. Чтобы избавиться от нее, необходимо убедиться в том, что команды типа
If mHouse.HouseTemp < mHouse.MAX_TEMP - 5 Then...
полностью отрабатываются активным потоком до того, как он будет прерван. Это свойство называется атомарностыд — блок кода должен выполняться каждым потоком без прерывания, как атомарная единица. Группа команд, объединенных в атомарный блок, не может быть прервана планировщиком потоков до ее завершения. В любом многопоточном языке программирования существуют свои способы обеспечения атомарности. В VB .NET проще всего воспользоваться командой SyncLock, при вызове которой передается объектная переменная. Внесите в процедуру ChangeTemperature из предыдущего примера небольшие изменения, и программа заработает нормально:
Private Sub ChangeTemperature() SyncLock (mHouse)
Try
If mHouse.HouseTemp < mHouse.MAXJTEMP -5 Then
Thread.Sleep(200)
mHouse.HouseTemp += 5
Console.WriteLine("Am in " & Me.mName & _
".Current temperature is " & mHouse.HouseTemp)
Elself
mHouse.HouseTemp < mHouse. MAX_TEMP Then
Thread.Sleep(200) mHouse.HouseTemp += 1
Console.WriteLine("Am in " & Me.mName &_ ".Current temperature is " & mHouse.HomeTemp) Else
Console.WriteLineC'Am in " & Me.mName & _ ".Current temperature is " & mHouse.HouseTemp)
' Ничего не делать, температура нормальная
End If Catch tie As ThreadlnterruptedException
' Пассивное ожидание было прервано Catch e As Exception
' Другие исключения
End Try
End SyncLock
End Sub
Код блока SyncLock выполняется атомарно. Доступ к нему со стороны всех остальных потоков будет закрыт, пока первый поток не снимет блокировку командой End SyncLock. Если поток в синхронизируемом блоке переходит в состояние пассивного ожидания, блокировка сохраняется вплоть до прерывания или возобновления работы потока.
Правильное использование команды SyncLock обеспечивает потоковую безопасность вашей программы. К сожалению, злоупотребление SyncLock отрицательно сказывается на быстродействии. Синхронизация кода в многопоточной программе уменьшает скорость ее работы в несколько раз. Синхронизируйте лишь самый необходимый код и снимайте блокировку как можно скорее.
Базовые классы коллекций небезопасны в многопоточных приложениях, но в .NET Framework входят поточно-безопасные версии большинства классов коллекций. В этих классах код потенциально опасных методов заключается в блоки SyncLock. Поточно-безопасные версии классов коллекций следует использовать в многопоточных программах везде, где возникает угроза целостности данных.
Остается упомянуть о том, что при помощи команды SyncLock легко реализуются условные переменные. Для этого потребуется лишь синхронизировать запись в общее логическое свойство, доступное для чтения и записи, как это сделано в следующем фрагменте:
Public Class ConditionVariable
Private Shared locker As Object= New Object()
Private Shared mOK As Boolean Shared
Property TheConditionVariable()As Boolean
Get
Return mOK
End Get
Set(ByVal Value As Boolean) SyncLock (locker)
mOK= Value
End SyncLock
End Set
End Property
End Class
 
Команда SyncLock и класс Monitor
Использование команды SyncLock связано с некоторыми тонкостями, не проявившимися в приведенных выше простых примерах. Так, очень важную роль играет выбор объекта синхронизации. Попробуйте запустить предыдущую программу с командой SyncLock(Me) вместо SyncLock(mHouse). Температура снова поднимается выше пороговой величины!
Помните, что команда SyncLock производит синхронизацию по объекту, переданному в качестве параметра, а не по фрагменту кода. Параметр SyncLock играет роль двери для обращения к синхронизируемому фрагменту из других потоков. Команда SyncLock(Me) фактически открывает несколько разных «дверей», а ведь именно этого вы и пытались избежать при помощи синхронизации. Мораль:
Для защиты общих данных в многопоточном приложении команда SyncLock должна синхронизироваться по одному объекту.
Поскольку синхронизация связана с конкретным объектом, в некоторых ситуациях возможна непреднамеренная блокировка других фрагментов. Допустим, у вас имеются два синхронизированных метода first и second, причем оба метода синхронизируются по объекту bigLock. Когда поток 1 входит в метод first и захватывает bigLock, ни один поток не сможет войти в метод second, потому что доступ к нему уже ограничен потоком 1!
Функциональность команды SyncLock можно рассматривать как подмножество функциональности класса Monitor. Класс Monitor обладает расширенными возможностями настройки, и с его помощью можно решать нетривиальные задачи синхронизации. Команда SyncLock является приближенным аналогом методов Enter и Exi t класса Moni tor:
Try
Monitor.Enter(theObject) Finally
Monitor.Exit(theObject)
End Try
Для некоторых стандартных операций (увеличение/уменьшение переменной, обмен содержимого двух переменных) в .NET Framework предусмотрен класс Interlocked, методы которого выполняют эти операции на атомарном уровне. С использованием класса Interlocked данные операции выполняются значительно быстрее, нежели при помощи команды SyncLock.
 
Взаимная блокировка
В процессе синхронизации блокировка устанавливается для объектов, а не потоков, поэтому при использовании разных объектов для блокировки разных фрагментов кода в программах иногда возникают весьма нетривиальные ошибки. К сожалению, во многих случаях синхронизация по одному объекту просто недопустима, поскольку она приведет к слишком частой блокировке потоков.
Рассмотрим ситуацию взаимной блокировки (deadlock) в простейшем виде. Представьте себе двух программистов за обеденным столом. К сожалению, на двоих у них только один нож и одна вилка. Если предположить, что для еды нужны и нож и вилка, возможны две ситуации:

  • Один программист успевает схватить нож с вилкой и принимается за еду. Насытившись, он откладывает обеденный прибор, и тогда их может взять другой программист.
  • Один программист забирает нож, а другой — вилку. Ни один не сможет начать еду, если другой не отдаст свой прибор.

В многопоточной программе подобная ситуация называется взаимной блокировкой. Два метода синхронизируются по разным объектам. Поток А захватывает объект 1 и входит во фрагмент программы, защищенный этим объектом. К сожалению, для работы ему необходим доступ к коду, защищенному другим блоком Sync Lock с другим объектом синхронизации. Но прежде, чем он успевает войти во фрагмент, синхронизируемый другим объектом, в него входит поток В и захватывает этот объект. Теперь поток А не может войти во второй фрагмент, поток В не может войти в первый фрагмент, и оба потока обречены на бесконечное ожидание. Ни один поток не может продолжить работу, поскольку необходимый для этого объект так и не будет освобожден.
Диагностика взаимных блокировок затрудняется тем, что они могут возникать в отно-сительно редких случаях. Все зависит от того, в каком порядке планировщик выделит им процессорное время. Вполне возможно, что в большинстве случаев объекты синхронизации будут захватываться в порядке, не приводящем к взаимной блокировке.
Ниже приведена реализация только что описанной ситуации взаимной блокировки. После краткого обсуждения наиболее принципиальных моментов мы покажем, как опознать ситуацию взаимной блокировки в окне потоков:
1 Option Strict On
2 Imports System.Threading
3 Module Modulel
4 Sub Main()
5 Dim Tom As New Programmer( "Tom")
6 Dim Bob As New Programmer( "Bob")
7 Dim aThreadStart As New ThreadStart(AddressOf Tom.Eat)
8 Dim aThread As New Thread(aThreadStart)
9 aThread.Name= "Tom"
10 Dim bThreadStart As New ThreadStarttAddressOf Bob.Eat)
11 Dim bThread As New Thread(bThreadStart)
12 bThread.Name = "Bob"
13 aThread.Start()
14 bThread.Start()
15 End Sub
16 End Module
17 Public Class Fork
18 Private Shared mForkAvaiTable As Boolean = True
19 Private Shared mOwner As String = "Nobody"
20 Private Readonly Property OwnsUtensil() As String
21 Get
22 Return mOwner
23 End Get
24 End Property
25 Public Sub GrabForktByVal a As Programmer)
26 Console.Writel_ine(Thread.CurrentThread.Name &_
"trying to grab the fork.")
27 Console.WriteLine(Me.OwnsUtensil & "has the fork.") . .
28 Monitor.Enter(Me) 'SyncLock (aFork)'
29 If mForkAvailable Then
30 a.HasFork = True
31 mOwner = a.MyName
32 mForkAvailable = False
33 Console.WriteLine(a.MyName&"just got the fork.waiting")
34 Try
Thread.Sleep(100) Catch e As Exception Console.WriteLine (e.StackTrace)
End Try
35 End If
36 Monitor.Exit(Me)
End SyncLock
37 End Sub
38 End Class
39 Public Class Knife
40 Private Shared mKnifeAvailable As Boolean = True
41 Private Shared mOwner As String ="Nobody"
42 Private Readonly Property OwnsUtensi1() As String
43 Get
44 Return mOwner
45 End Get
46 End Property
47 Public Sub GrabKnifetByVal a As Programmer)
48 Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name & _
"trying to grab the knife.")
49 Console.WriteLine(Me.OwnsUtensil & "has the knife.")
50 Monitor.Enter(Me) 'SyncLock (aKnife)'
51 If mKnifeAvailable Then
52 mKnifeAvailable = False
53 a.HasKnife = True
54 mOwner = a.MyName
55 Console.WriteLine(a.MyName&"just got the knife.waiting")
56 Try
Thread.Sleep(100)
Catch e As Exception
Console.WriteLine (e.StackTrace)
End Try

57 End If
58 Monitor.Exit(Me)
59 End Sub
60 End Class
61 Public Class Programmer
62 Private mName As String
63 Private Shared mFork As Fork
64 Private Shared mKnife As Knife
65 Private mHasKnife As Boolean
66 Private mHasFork As Boolean
67 Shared Sub New()
68 mFork = New Fork()
69 mKnife = New Knife()
70 End Sub
71 Public Sub New(ByVal theName As String)
72 mName = theName
73 End Sub
74 Public Readonly Property MyName() As String
75 Get
76 Return mName
77 End Get
78 End Property
79 Public Property HasKnife() As Boolean
80 Get
81 Return mHasKnife
82 End Get
83 Set(ByVal Value As Boolean)
84 mHasKnife = Value
85 End Set
86 End Property
87 Public Property HasFork() As Boolean
88 Get
89 Return mHasFork
90 End Get
91 Set(ByVal Value As Boolean)
92 mHasFork = Value
93 End Set
94 End Property
95 Public Sub Eat()
96 Do Until Me.HasKnife And Me.HasFork
97 Console.Writeline(Thread.CurrentThread.Name&"is in the thread.")
98 If Rnd() < 0.5 Then
99 mFork.GrabFork(Me)
100 Else
101 mKnife.GrabKnife(Me)
102 End If
103 Loop
104 MsgBox(Me.MyName & "can eat!")
105 mKnife = New Knife()
106 mFork= New Fork()
107 End Sub
108 End Class
Основная процедура Main (строки 4-16) создает два экземпляра класса Programmer и затем запускает два потока для выполнения критического метода Eat класса Programmer (строки 95-108), описанного ниже. Процедура Main задает имена потоков и занускает их; вероятно, все происходящее понятно и без комментариев.
Интереснее выглядит код класса Fork (строки 17-38) (аналогичный класс Knife определяется в строках 39-60). В строках 18 и 19 задаются значения общих полей, по которым можно узнать, доступна ли в данный момент вилка, и если нет — кто ею пользуется. ReadOnly-свойство OwnUtensi1 (строки 20-24) предназначено для простейшей передачи информации. Центральное место в классе Fork занимает метод «захвата вилки» GrabFork, определяемый в строках 25-27.

  1. Строки 26 и 27 просто выводят на консоль отладочную информацию. В основном коде метода (строки 28-36) доступ к вилке синхронизируется по объектной переменной Me. Поскольку в нашей программе используется только одна вилка, синхронизация по Me гарантирует, что два потока не смогут одновременно захватить ее. Команда Slee'p (в блоке, начинающемся в строке 34) имитирует задержку между захватом вилки/ножа и началом еды. Учтите, что команда Sleep не снимает блокировку с объектов и лишь ускоряет возникновение взаимной блокировки!
    Однако наибольший интерес представляет код класса Programmer (строки 61-108). В строках 67-70 определяется общий конструктор, что гарантирует наличие в программе только одной вилки и ножа. Код свойств (строки 74-94) прост и не требует комментариев. Самое главное происходит в методе Eat, выполняемом двумя отдельными потоками. Процесс продолжается в цикле до тех пор, пока какой-либо поток не захватит вилку вместе с ножом. В строках 98-102 объект случайным образом захватывает вилку/нож, используя вызов Rnd, — именно это и порождает взаимную блокировку. Происходит следующее:
    Поток, выполняющий метод Eat объекта Тот, активизируется и входит в цикл. Он захватывает нож и переходит в состояние ожидания.
  2. Поток, выполняющий метод Eat объекта Bob, активизируется и входит в цикл. Он не может захватить нож, но захватывает вилку и переходит в состояние ожидания.
  3. Поток, выполняющий метод Eat объекта Тот, активизируется и входит в цикл. Он пытается захватить вилку, однако вилка уже захвачена объектом Bob; поток переходит в состояние ожидания.
  4. Поток, выполняющий метод Eat объекта Bob, активизируется и входит в цикл. Он пытается захватить нож, однако нож уже захвачен объектом Тот; поток переходит в состояние ожидания.

Все это продолжается до бесконечности — перед нами типичная ситуация взаимной блокировки (попробуйте запустить программу, и вы убедитесь в том, что поесть так никому и не удается).
О возникновении взаимной блокировки можно узнать и в окне потоков. Запустите программу и прервите ее клавишами Ctrl+Break. Включите в окно просмотра переменную Me и откройте окно потоков. Результат выглядит примерно так, как показано на  7. Из рисунка видно, что поток Bob захватил нож, но вилки у него нет. Щелкните правой кнопкой мыши в окне потоков на строке Тот и выберите в контекстном меню команду Switch to Thread. Окно просмотра показывает, что у потока Тот имеется вилка, но нет ножа. Конечно, это не является стопроцентным доказательством, но подобное поведение по крайней мере заставляет заподозрить неладное.
Если вариант с синхронизацией по одному объекту (как в программе с повышением -температуры в доме) невозможен, для предотвращения взаимных блокировок можно пронумеровать объекты синхронизации и всегда захватывать их в постоянном порядке. Продолжим аналогию с обедающими программистами: если поток всегда сначала берет нож, а потом вилку, проблем с взаимной блокировкой не будет. Первый поток, захвативший нож, сможет нормально поесть. В переводе на язык программных потоков это означает, что захват объекта 2 возможен лишь при условии предварительного захвата объекта 1.
Следовательно, если убрать вызов Rnd в строке 98 и заменить его фрагментом
mFork.GrabFork(Me)
mKnife.GrabKnife(Me)
взаимная блокировка исчезает!

 

 
На главную | Содержание | < Назад....Вперёд >
С вопросами и предложениями можно обращаться по nicivas@bk.ru. 2013 г. Яндекс.Метрика