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 рис. 10.1 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!

Рис. 10.1. Простая многопоточная программно время работы

Если программа будет работать в течение большегошромежутка времени, результат будет выглядеть примерно так, как показано на рис. 10.2. 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.

Рис. 10.2. Переключение между потоками в простой многопоточной программе

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

Рис. 10.3. Поток с максимальным приоритетом обычно начинает работать быстрее

Рис. 10.4. Процессор предоставляется и потокам с более низким приоритетом

Команда назначает новому потоку максимальный приоритет и уменьшает приоритет главного потока. Из рис. 10.3 видно, что новый поток начинает работать быстрее, чем прежде, но, как показывает рис. 10.4, 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 рис. 10.3 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 рис. 10.5.

Рис. 10.5. Окно потоков

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 рис. 10.5). 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 рис. 10.6: 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

Рис. 10.6. Проблемы многопоточности

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 рис. 10.7. 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.

Рис. 10.7. Анализ взаимной блокировки в окне потоков

Следовательно, если убрать вызов Rnd в строке 98 и заменить его фрагментом

mFork.GrabFork(Me)

mKnife.GrabKnife(Me)

взаимная блокировка исчезает!

Совместная работа с данными по мере их создания

В многопоточных приложениях часто встречается ситуация, когда потоки не только работают с общими данными, но и ожидают их появления (то есть поток 1 должен создать данные, прежде чем поток 2 сможет их использовать). Поскольку данные являются общими, доступ к ним необходимо синхронизировать. Также необходимо предусмотреть средства для оповещения ожидающих потоков о появлении готовых данных.

Подобная ситуация обычно называется проблемой «поставщик/потребитель». Поток пытается обратиться к данным, которых еще нет, поэтому он должен передать управление другому потоку, создающему нужные данные. Проблема решается кодом следующего вида:

• Поток 1 (потребитель) активизируется, входите синхронизированный метод, ищет данные, не находит их и переходит в состояние ожидания. Предварителъно он должен снять блокировку, чтобы не мешать работе потока- поставщика.
  
• Поток 2 (поставщик) входит в синхронизированный метод, освобожденный потоком 1, создает данные для потока 1 и каким-то образом оповещает поток 1 о наличии данных. Затем он снимает блокировку, чтобы поток 1 смог обработать новые данные.
  

Не пытайтесь решить эту проблему постоянной активизацией потока 1 с проверкой состояния условной переменной, значение которой>устанавливается потоком 2. Такое решение серьезно повлияет на быстродействие вашей программы, поскольку в большинстве случаев поток 1 будет активизироваться без всяких причин; а поток 2 будет переходить в ожидание так часто, что у него не останется времени на создание данных.

Связи «поставщик/потребитель» встречаются очень часто, поэтому в библиотеках классов многопоточного программирования для таких ситуаций создаются специальные примитивы. В .NET эти примитивы называются Wait и Pulse-PulseAl 1 и являются частью класса Monitor. Рисунок 10.8 поясняет ситуацию, которую мы собираемся запрограммировать. В программе организуются три очереди потоков: очередь ожидания, очередь блокировки и очередь выполнения. Планировщик потоков не выделяет процессорное время потокам, находящимся в очереди ожидания. Чтобы потоку выделялось время, он должен переместиться в очередь выполнения. В результате работа приложения организуется гораздо эффективнее, чем при обычном опросе условной переменной.

На псевдокоде идиома потребителя данных формулируется так:

' Вход в синхронизированный блок следующего вида

While нет данных

Перейти в очередь ожидания

Loop

Если данные есть, обработать их.

Покинуть синхронизированный блок

Сразу же после выполнения команды Wait поток приостанавливается, блокировка снимается, и поток переходит в очередь ожидания. При снятии блокировки поток, находящийся в очереди выполнения, получает возможность работать. Со временем один или несколько заблокированных потоков создадут данные, необходимые для работы потока, находящегося в очереди ожидания. Поскольку проверка данных осуществляется в цикле, переход к использованию данных (после цикла) происходит лишь при наличии данных, готовых к обработке.

На псевдокоде идиома поставщика данных выглядит так:

' Вход в синхронизированный блок вида

While данные НЕ нужны

Перейти в очередь ожидания

Else Произвести данные

После появления готовых данных вызвать Pulse-PulseAll.

чтобы переместить один или несколько потоков из очереди блокировки в очередь выполнения. Покинуть синхронизированный блок (и вернуться в очередь выполнения)

Предположим, наша программа моделирует семью с одним родителем, который зарабатывает деньги, и ребенком, который эти деньги тратит. Когда деньги кончаются, ребенку приходится ждать прихода новой суммы. Программная реализация этой модели выглядит так:

1 Option Strict On

2 Imports System.Threading

3 Module Modulel

4 Sub Main()

5 Dim theFamily As New Family()

6 theFamily.StartltsLife()

7 End Sub

8 End fjodule

9

10 Public Class Family

11 Private mMoney As Integer

12 Private mWeek As Integer = 1

13 Public Sub StartltsLife()

14 Dim aThreadStart As New ThreadStarUAddressOf Me.Produce)

15 Dim bThreadStart As New ThreadStarUAddressOf Me.Consume)

16 Dim aThread As New Thread(aThreadStart)

17 Dim bThread As New Thread(bThreadStart)

18 aThread.Name = "Produce"

19 aThread.Start()

20 bThread.Name = "Consume"

21 bThread. Start()

22 End Sub

23 Public Property TheWeek() As Integer

24 Get

25 Return mweek

26 End Get

27 Set(ByVal Value As Integer)

28 mweek - Value

29 End Set

30 End Property

31 Public Property OurMoney() As Integer

32 Get

33 Return mMoney

34 End Get

35 Set(ByVal Value As Integer)

36 mMoney =Value

37 End Set

38 End Property

39 Public Sub Produce()

40 Thread.Sleep(500)

41 Do

42 Monitor.Enter(Me)

43 Do While Me.OurMoney > 0

44 Monitor.Wait(Me)

45 Loop

46 Me.OurMoney =1000

47 Monitor.PulseAll(Me)

48 Monitor.Exit(Me)

49 Loop

50 End Sub

51 Public Sub Consume()

52 MsgBox("Am in consume thread")

53 Do

54 Monitor.Enter(Me)

55 Do While Me.OurMoney = 0

56 Monitor.Wait(Me)

57 Loop

58 Console.WriteLine("Dear parent I just spent all your " & _

money in week " & TheWeek)

59 TheWeek += 1

60 If TheWeek = 21 *52 Then System.Environment.Exit(0)

61 Me.OurMoney =0

62 Monitor.PulseAll(Me)

63 Monitor.Exit(Me)

64 Loop

65 End Sub

66 End Class

Метод StartltsLife (строки 13-22) осуществляет подготовку к запуску потоков Produce и Consume. Самое главное происходит в потоках Produce (строки 39-50) и Consume (строки 51-65). Процедура Sub Produce проверяет наличие денег, и если деньги есть, переходит в очередь ожидания. В противном случае родитель генерирует деньги (строка 46) и оповещает объекты в очереди ожидания об изменении ситуации. Учтите, что вызов Pulse-Pulse All вступает в силу лишь при снятии блокировки командой Monitor.Exit. И наоборот, процедура Sub Consume проверяет наличие денег, и если денег нет — оповещает об этом ожидающего родителя. Строка 60 просто завершает программу по прошествии 21 условного года; вызов System. Environment.Exit(0) является .NET-аналогом команды End (команда End тоже поддерживается, но в отличие от System. Environment. Exit она не позволяет вернуть код завершения операционной системе).

Потоки, переведенные в очередь ожидания, должны быть освобождены другими час-тями вашей программы. Именно по этой причине мы предпочитаем использовать PulseAll вместо Pulse. Поскольку заранее неизвестно, какой именно поток будет активизирован при вызове Pulse¹, при относительно небольшом количестве потоков в очереди с таким же успехом можно вызвать PulseAll.

Многопоточность в графических программах

Наше обсуждение многопоточности в приложениях с графическим интерфейсом начнется с примера, поясняющего, для чего нужна многопоточность в графических приложениях. Создайте форму с двумя кнопками Start (btnStart) и Cancel (btnCancel), как показано на рис. 10.9. При нажатии кнопки Start создается класс, который содержит случайную строку из 10 миллионов символов и метод для подсчета вхождений буквы «Е» в этой длинной строке. Обратите внимание на применение класса StringBuilder, повышающего эффективность создания длинных строк.

Шаг 1

Поток 1 замечает, что данных для него нет. Он вызывает Wait, снимает блокировку и переходит в очередь ожидания

Шаг 2

При снятии блокировки поток 2 или поток 3 выходит из очереди блокировки и входит в синхронизированный блок, устанавливая блокировку

ШагЗ

Допустим, поток 3 входит в синхронизированный блок, создает данные и вызывает Pulse-Pulse All.

Сразу же после его выхода из блока и снятия блокировки поток 1 перемещается в очередь выполнения. Если поток 3 вызывает Pluse, в очередь выполнения переходит только один поток, при вызове Pluse All в очередь выполнения переходят все потоки.

Рис. 10.8. Проблема «поставщик/потребитель»

Рис. 10.9. Многопоточность в простом приложении с графическим интерфейсом

Imports System.Text

Public Class RandomCharacters

Private m_Data As StringBuilder

Private m_CountDone As Boolean

Private mjength, m_count As Integer

Public Sub New(ByVal n As Integer)

m_Length = n -1

m_Data = New StringBuilder(m_length) MakeString()

End Sub

Private Sub MakeString()

Dim i As Integer

Dim myRnd As New Random()

For i = 0 To m_length

' Сгенерировать случайное число от 65 до 90,

' преобразовать его в прописную букву

' и присоединить к объекту StringBuilder

m_Data.Append(Chr(myRnd.Next(65.90)))

Next

End Sub

Public Sub StartCount()

GetEes()

End Sub

Private Sub GetEes()

Dim i As Integer

For i = 0 To m_length

If m_Data.Chars(i) = CChar("E") Then

m_count += 1

End If Next

m_CountDone = True

End Sub

Public Readonly

Property GetCount() As Integer Get

If Not (m_CountDone) Then

Throw New Exception("Count not yet done") Else

Return m_count

End If

End Get End Property

Public Readonly

Property IsDone()As Boolean Get

Return

m_CountDone

End Get

End Property

End Class

С двумя кнопками на форме связывается весьма простой код. В процедуре btn-Start_Click создается экземпляр приведенного выше класса RandomCharacters, инкапсулирующего строку с 10 миллионами символов:

Private Sub btnStart_Click(ByVal sender As System.Object.

ByVal e As System.EventArgs) Handles btnSTart.Click

Dim RC As New RandomCharacters(10000000)

RC.StartCount()

MsgBox("The number of es is " & RC.GetCount)

End Sub

Кнопка Cancel выводит окно сообщения:

Private Sub btnCancel_Click(ByVal sender As System.Object._

ByVal e As System.EventArgs)Handles btnCancel.Click

MsgBox("Count Interrupted!")

End Sub

При запуске программы и нажатии кнопки Start выясняется, что кнопка Cancel не реагирует на действия пользователя, поскольку непрерывный цикл не позволяет кнопке обработать полученное событие. В современных программах подобное недопустимо!

Возможны два решения. Первый вариант, хорошо знакомый по предыдущим версиям VB, обходится без многопоточности: в цикл включается вызов DoEvents. В .NET эта команда выглядит так:

Application.DoEvents()

В нашем примере это определенно нежелательно — кому захочется замедлять программу десятью миллионами вызовов DoEvents! Если вместо этого выделить цикл в отдельный поток, операционная система будет переключаться между потоками и кнопка Cancel сохранит работоспособность. Реализация с отдельным потоком приведена ниже. Чтобы наглядно показать, что кнопка Cancel работает, при ее нажатии мы просто завершаем программу.

Следующий шаг: кнопка Show Count

Допустим, вы решили проявить творческую фантазию и придать форме вид, показанный на рис. 10.9. Обратите внимание: кнопка Show Count пока недоступна.

Рис. 10.10. Форма с заблокированной кнопкой

Предполагается, что отдельный поток выполняет подсчет и разблокирует недоступную кнопку. Конечно, это можно сделать; более того, такая задача возникает достаточно часто. К сожалению, вы не сможете действовать наиболее очевидным образом — организовать связь вторичного потока с потоком графического интерфейса, сохраняя ссылку на кнопку ShowCount в конструкторе, или даже с использованием стандартного делегата. Иначе говоря, никогда не используйте вариант, приведенный ниже (основные ошибочные строки выделены жирным шрифтом).

Public Class RandomCharacters

Private m_0ata As StringBuilder

Private m_CountDone As Boolean

Private mjength. m_count As Integer

Private m_Button As Windows.Forms.Button

Public Sub New(ByVa1 n As Integer,_

ByVal b As Windows.Forms.Button)

m_length = n - 1

m_Data = New StringBuilder(mJength)

m_Button = b MakeString()

End Sub

Private Sub MakeString()

Dim I As Integer

Dim myRnd As New Random()

For I = 0 To m_length

m_Data.Append(Chr(myRnd.Next(65. 90)))

Next

End Sub

Public Sub StartCount()

GetEes()

End Sub

Private Sub GetEes()

Dim I As Integer

For I = 0 To mjength

If m_Data.Chars(I) = CChar("E") Then

m_count += 1

End If Next

m_CountDone =True

m_Button.Enabled=True

End Sub

Public Readonly

Property GetCount()As Integer

Get

If Not (m_CountDone) Then

Throw New Exception("Count not yet done") Else

Return m_count

End If

End Get

End Property

Public Readonly Property IsDone() As Boolean

Get

Return m_CountDone

End Get

End Property

End Class

Вполне вероятно, что в некоторых случаях этот код будет работать. Тем не менее:

• Взаимодействие вторичного потока с потоком, создающим графический интерфейс, не удается организовать очевидными средствами.
  
• Никогда не изменяйте элементы в графических программах из других программных потоков. Все изменения должны происходить только в потоке, создавшем графический интерфейс.
  

Если вы нарушите эти правила, мы гарантируем, что в ваших многопоточных графических программах будут возникать тонкие, неуловимые ошибки.

Организовать взаимодействие объектов с применением событий тоже не удастся. 06-работник события выполняется в том же потоке, в котором произошел вызов RaiseEvent поэтому события вам не помогут.

И все же здравый смысл подсказывает, что в графических приложениях должны существовать средства модификации элементов из другого потока. В .NET Framework существует поточно-безопасный способ вызова методов приложений GUI из другого потока. Для этой цели используется особый тип делегатов Method Invoker из пространства имен System.Windows. Forms. В следующем фрагменте приведен новый вариант метода GetEes (измененные строки выделены жирным шрифтом):

Private Sub GetEes()

Dim I As Integer

For I = 0 To m_length

If m_Data.Chars(I) = CChar("E")Then

m_count += 1

End If Next

m_CountDone = True Try

Dim mylnvoker As New Methodlnvoker(AddressOf UpDateButton)

myInvoker.Invoke() Catch e As ThreadlnterruptedException

'Неудача

End Try

End Sub

Public Sub UpDateButton()

m_Button.Enabled =True

End Sub

Межпоточные обращения к кнопке осуществляются не напрямую, а через Method Invoker. .NET Framework гарантирует, что этот вариант безопасен по отношению к потокам.

Почему при многопоточном программировании возникает столько проблем?

Теперь, когда вы получили некоторое представление о многопоточном программировании и о потенциальных проблемах, с ним связанных, мы решили, что в конце этой главы будет уместно ответить на вопрос, вынесенный в заголовок подраздела.

Одна из причин заключается в том, что многопотрчность — процесс нелинейный, а мы привыкли к линейной модели программирования. На первых порах трудно привыкнуть к самой мысли о том, что выполнение программы может прерываться случайным образом, а управление будет передаваться другому коду.

Однако существует и другая, более фундаментальная причина: в наши дни программисты слишком редко программируют на ассемблере или хотя бы просматривают дизассемблированные результаты работы компилятора. Иначе им было бы гораздо проще привыкнуть к мысли, что одной команде языка высокого уровня (такого, как VB .NET) могут соответствовать десятки ассемблерных инструкций. Поток может прерываться после любой из этих инструкций, а следовательно — и посреди команды высокого уровня.

Но и это не все: современные компиляторы оптимизируют быстродействие программ, а оборудование компьютера может вмешиваться в процесс управления памятью. Как следствие, компилятор или оборудование может без вашего ведома изменить порядок команд, указанный в исходном тексте программы [Многие компиляторы оптимизируют циклические операции копирования массивов вида for i=0 to n:b(i)=a(i):ncxt. Компилятор (или даже специализированное устройство управления памятью) может просто создать массив, а потом заполнить его одной операцией копирования вместо многократного копирования отдельных элементов!].

Надеемся, эти пояснения помогут вам лучше понять, почему многопоточное программирование порождает столько проблем, — или по крайней мере меньше удивляться при виде странного поведения ваших многопоточных программ!

НОВОСТИ ФОРУМА Рыцари теории эфира

10.11.2021 - 12:37: ПЕРСОНАЛИИ - Personalias -> WHO IS WHO - КТО ЕСТЬ КТО - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:36: СОВЕСТЬ - Conscience -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:36: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от д.м.н. Александра Алексеевича Редько - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:35: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДИЯ.НЕТ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вадима Глогера, США - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:18: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> Волновая генетика Петра Гаряева, 5G-контроль и управление - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:18: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:16: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМЫ МЕДИЦИНЫ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:15: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Екатерины Коваленко - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:13: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вильгельма Варкентина - Карим_Хайдаров.