線程上執(zhí)行委托Invoke()和BeginInvoke()的區(qū)別分析
在.NET中，固定必須主線程才能操作UI界面，如果在非主線程中強(qiáng)行對UI界面賦值，則會報錯，跨線程操作UI,是不允許的，需要使用Invoke或BeginInvoke，關(guān)于這兩個什么時候用，簡單來講，一個是同步，一個是異步，更深底層的話，查閱了相關(guān)資料，沒看明白，扯到了windows程序消息機(jī)制去了，使用windows消息機(jī)制實現(xiàn)了封送，我是沒看懂這個什么消息機(jī)制>_<。
invoke 在擁有此控件的基礎(chǔ)窗口句柄的線程上執(zhí)行指定的委托。
beginInvoke在創(chuàng)建控件的基礎(chǔ)句柄所在線程上異步執(zhí)行指定委托。
查看MSDN如下：
Control..::.Invoke ---> 在擁有此控件的基礎(chǔ)窗口句柄的線程上執(zhí)行委托。
Control..::.BeginInvoke ---> 在創(chuàng)建控件的基礎(chǔ)句柄所在線程上異步執(zhí)行委托。
顯然，Invoke() 與 BeginInvoke() 方法間的主要區(qū)別在于“異步”關(guān)鍵字眼。
也就是說，
Invoke() 調(diào)用時，會阻塞當(dāng)前線程，等到 Invoke() 方法返回才繼續(xù)執(zhí)行后面的代碼，表現(xiàn)出“同步”的概念。
BeginInvoke() 調(diào)用時，當(dāng)前線程會啟用線程池中的某個線程來執(zhí)行此方法，當(dāng)前線程不被阻塞，繼續(xù)運(yùn)行后面的代碼，表現(xiàn)出“異步”的概念。
EndInvoke() ，在想獲取 BeginInvoke() 執(zhí)行完畢后的結(jié)果時，調(diào)用此方法來獲取。
一、為什么Control類提供了Invoke和BeginInvoke機(jī)制？
關(guān)于這個問題的最主要的原因已經(jīng)是dotnet程序員眾所周知的，我在此費點筆墨再次記錄到自己的日志，以便日后提醒一下自己。
1、windows程序消息機(jī)制
Windows GUI程序是基于消息機(jī)制的，有個主線程維護(hù)著一個消息泵。這個消息泵讓windows程序生生不息。
Windows GUI程序的消息循環(huán)
Windows程序有個消息隊列，窗體上的所有消息是這個隊列里面消息的最主要來源。這里的while循環(huán)使用了GetMessage（）這個方法，這是個阻塞方法，也就是隊列為空時方法就會被阻塞，從而這個while循環(huán)停止運(yùn)動，這避免了一個程序把cpu無緣無故地耗盡，讓其它程序難以得到響應(yīng)。當(dāng)然在某些需要cpu最大限度運(yùn)動的程序里面就可以使用另外的方法，例如某些3d游戲或者及時戰(zhàn)略游戲中，一般會使用PeekMessage（）這個方法，它不會被windows阻塞，從而保證整個游戲的流暢和比較高的幀速。
這個主線程維護(hù)著整個窗體以及上面的子控件。當(dāng)它得到一個消息，就會調(diào)用DispatchMessage方法派遣消息，這會引起對窗體上的窗口過程的調(diào)用。窗口過程里面當(dāng)然是程序員提供的窗體數(shù)據(jù)更新代碼和其它代碼。
2、dotnet里面的消息循環(huán)
public static void Main(string[] args)
{
Form f = new Form();
Application.Run(f);
}
Dotnet窗體程序封裝了上述的while循環(huán)，這個循環(huán)就是通過Application.Run方法啟動的。
3、線程外操作GUI控件的問題
如果從另外一個線程操作windows窗體上的控件，就會和主線程產(chǎn)生競爭，造成不可預(yù)料的結(jié)果，甚至死鎖。因此windows GUI編程有一個規(guī)則，就是只能通過創(chuàng)建控件的線程來操作控件的數(shù)據(jù)，否則就可能產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。
因此，dotnet里面，為了方便地解決這些問題，Control類實現(xiàn)了ISynchronizeInvoke接口，提供了Invoke和BeginInvoke方法來提供讓其它線程更新GUI界面控件的機(jī)制。
public interface ISynchronizeInvoke
{
[HostProtection(SecurityAction.LinkDemand, Synchronization=true, ExternalThreading=true)]
IAsyncResult BeginInvoke(Delegate method, object[] args);
object EndInvoke(IAsyncResult result);
object Invoke(Delegate method, object[] args);
bool InvokeRequired { get; }
}
}
如果從線程外操作windows窗體控件，那么就需要使用Invoke或者BeginInvoke方法，通過一個委托把調(diào)用封送到控件所屬的線程上執(zhí)行。
二、消息機(jī)制---線程間和進(jìn)程間通信機(jī)制
1、window消息發(fā)送
Windows消息機(jī)制是windows平臺上的線程或者進(jìn)程間通信機(jī)制之一。Windows消息值其實就是定義的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最重要的是消息的類型，它就是一個整數(shù)；然后就是消息的參數(shù)。消息的參數(shù)可以表示很多東西。
Windows提供了一些api用來向一個線程的消息隊列發(fā)送消息。因此，一個線程可以向另一個線程的消息隊列發(fā)送消息從而告訴對方做什么，這樣就完成了線程間的通信。有些api發(fā)送消息需要一個窗口句柄，這種函數(shù)可以把消息發(fā)送到指定窗口的主線程消息隊列；而有些則可以直接通過線程句柄，把消息發(fā)送到該線程消息隊列中。
用消息機(jī)制通信
SendMessage是windows api，用來把一個消息發(fā)送到一個窗口的消息隊列。這個方法是個阻塞方法，也就是操作系統(tǒng)會確保消息的確發(fā)送到目的消息隊列，并且該消息被處理完畢以后，該函數(shù)才返回。返回之前，調(diào)用者將會被暫時阻塞。
PostMessage也是一個用來發(fā)送消息到窗口消息隊列的api函數(shù)，但這個方法是非阻塞的。也就是它會馬上返回，而不管消息是否真的發(fā)送到目的地，也就是調(diào)用者不會被阻塞。
2、Invoke and BeginInvoke
Invoke or BeginInvoke
Invoke或者BeginInvoke方法都需要一個委托對象作為參數(shù)。委托類似于回調(diào)函數(shù)的地址，因此調(diào)用者通過這兩個方法就可以把需要調(diào)用的函數(shù)地址封送給界面線程。這些方法里面如果包含了更改控件狀態(tài)的代碼，那么由于最終執(zhí)行這個方法的是界面線程，從而避免了競爭條件，避免了不可預(yù)料的問題。如果其它線程直接操作界面線程所屬的控件，那么將會產(chǎn)生競爭條件，造成不可預(yù)料的結(jié)果。
使用Invoke完成一個委托方法的封送，就類似于使用SendMessage方法來給界面線程發(fā)送消息，是一個同步方法。也就是說在Invoke封送的方法被執(zhí)行完畢前，Invoke方法不會返回，從而調(diào)用者線程將被阻塞。
使用BeginInvoke方法封送一個委托方法，類似于使用PostMessage進(jìn)行通信，這是一個異步方法。也就是該方法封送完畢后馬上返回，不會等待委托方法的執(zhí)行結(jié)束，調(diào)用者線程將不會被阻塞。但是調(diào)用者也可以使用EndInvoke方法或者其它類似WaitHandle機(jī)制等待異步操作的完成。
但是在內(nèi)部實現(xiàn)上，Invoke和BeginInvoke都是用了PostMessage方法，從而避免了SendMessage帶來的問題。而Invoke方法的同步阻塞是靠WaitHandle機(jī)制來完成的。
3、使用場合問題
如果你的后臺線程在更新一個UI控件的狀態(tài)后不需要等待，而是要繼續(xù)往下處理，那么你就應(yīng)該使用BeginInvoke來進(jìn)行異步處理。
如果你的后臺線程需要操作UI控件，并且需要等到該操作執(zhí)行完畢才能繼續(xù)執(zhí)行，那么你就應(yīng)該使用Invoke。否則，在后臺線程和主截面線程共享某些狀態(tài)數(shù)據(jù)的情況下，如果不同步調(diào)用，而是各自繼續(xù)執(zhí)行的話，可能會造成執(zhí)行序列上的問題，雖然不發(fā)生死鎖，但是會出現(xiàn)不可預(yù)料的顯示結(jié)果或者數(shù)據(jù)處理錯誤。
可以看到ISynchronizeInvoke有一個屬性，InvokeRequired。這個屬性就是用來在編程的時候確定，一個對象訪問UI控件的時候是否需要使用Invoke或者BeginInvoke來進(jìn)行封送。如果不需要那么就可以直接更新。在調(diào)用者對象和UI對象同屬一個線程的時候這個屬性返回false。在后面的代碼分析中我們可以看到，Control類對這一屬性的實現(xiàn)就是在判斷調(diào)用者和控件是否屬于同一個線程的。
三、Delegate.BeginInvoke
通過一個委托來進(jìn)行同步方法的異步調(diào)用，也是.net提供的異步調(diào)用機(jī)制之一。但是Delegate.BeginInvoke方法是從ThreadPool取出一個線程來執(zhí)行這個方法，以獲得異步執(zhí)行效果的。也就是說，如果采用這種方式提交多個異步委托，那么這些調(diào)用的順序無法得到保證。而且由于是使用線程池里面的線程來完成任務(wù)，使用頻繁，會對系統(tǒng)的性能造成影響。
Delegate.BeginInvoke也是講一個委托方法封送到其它線程，從而通過異步機(jī)制執(zhí)行一個方法。調(diào)用者線程則可以在完成封送以后去繼續(xù)它的工作。但是這個方法封送到的最終執(zhí)行線程是運(yùn)行庫從ThreadPool里面選取的一個線程。
這里需要糾正一個誤區(qū)，那就是Control類上的異步調(diào)用BeginInvoke并沒有開辟新的線程完成委托任務(wù)，而是讓界面控件的所屬線程完成委托任務(wù)的?？磥懋惒讲僮骶褪情_辟新線程的說法不一定準(zhǔn)確。
四、用Reflector察看一些相關(guān)代碼
1、Control.BeginInvoke and Control.Invoke
public IAsyncResult BeginInvoke(Delegate method, params object[] args)
{using (new MultithreadSafeCallScope())
{return (IAsyncResult) this.FindMarshalingControl().MarshaledInvoke(this, method, args, false);
}
}
public object Invoke(Delegate method, params object[] args)
{using (new MultithreadSafeCallScope())
{return this.FindMarshalingControl().MarshaledInvoke(this, method, args, true);
}
}
這里的FindMarshalingControl方法通過一個循環(huán)向上回溯，從當(dāng)前控件開始回溯父控件，直到找到最頂級的父控件，用它作為封送對象。例如，我們調(diào)用窗體上一個進(jìn)度條的Invoke方法封送委托，但是實際上會回溯到主窗體，通過這個控件對象來封送委托。因為主窗體是主線程消息隊列相關(guān)的，發(fā)送給主窗體的消息才能發(fā)送到界面主線程消息隊列。
我們可以看到Invoke和BeginInvoke方法使用了同樣的實現(xiàn)，只是MarshaledInvoke方法的最后一個參數(shù)值不一樣。
2、MarshaledInvoke
private object MarshaledInvoke(Control caller, Delegate method, object[] args, bool synchronous)
{int num;
if (!this.IsHandleCreated)
{ throw new InvalidOperationException(SR.GetString("ErrorNoMarshalingThread"));}
if (((ActiveXImpl) this.Properties.GetObject(PropActiveXImpl)) != null)
{IntSecurity.UnmanagedCode.Demand();
}
bool flag = false;
if ((SafeNativeMethods.GetWindowThreadProcessId(new HandleRef(this, this.Handle), out num) == SafeNativeMethods.GetCurrentThreadId()) && synchronous)
{flag = true;
}
ExecutionContext executionContext = null;
if (!flag)
{executionContext = ExecutionContext.Capture();
}
ThreadMethodEntry entry = new ThreadMethodEntry(caller, method, args, synchronous, executionContext);
lock (this)
{if (this.threadCallbackList == null)
{this.threadCallbackList = new Queue();
}
}
lock (this.threadCallbackList)
{if (threadCallbackMessage == 0)
{threadCallbackMessage = SafeNativeMethods.RegisterWindowMessage(Application.WindowMessagesVersion + "_ThreadCallbackMessage");
}
this.threadCallbackList.Enqueue(entry);
}
if (flag)
{this.InvokeMarshaledCallbacks();
}
else
{ //終于找到你了，PostMessageUnsafeNativeMethods.PostMessage(new HandleRef(this, this.Handle), threadCallbackMessage, IntPtr.Zero, IntPtr.Zero);
}
if (!synchronous) //如果是異步，那么馬上返回吧
{return entry;
}
if (!entry.IsCompleted) //同步調(diào)用沒結(jié)束，阻塞起來等待吧
{this.WaitForWaitHandle(entry.AsyncWaitHandle);
}
if (entry.exception != null)
{throw entry.exception;
}
return entry.retVal;
}
怎么樣，我們終于看到PostMessage了吧？通過windows消息機(jī)制實現(xiàn)了封送。而需要封送的委托方法作為消息的參數(shù)進(jìn)行了傳遞。關(guān)于其它的代碼這里不作進(jìn)一步解釋。
3、InvokeRequired
public bool InvokeRequired
{get
{using (new MultithreadSafeCallScope())
{HandleRef ref2;
int num;
if (this.IsHandleCreated)
{ref2 = new HandleRef(this, this.Handle);
}
else
{Control wrapper = this.FindMarshalingControl();
if (!wrapper.IsHandleCreated)
{return false;
}
ref2 = new HandleRef(wrapper, wrapper.Handle);
}
int windowThreadProcessId = SafeNativeMethods.GetWindowThreadProcessId(ref2, out num);
int currentThreadId = SafeNativeMethods.GetCurrentThreadId();
return (windowThreadProcessId != currentThreadId);
}
}
}
終于看到了，這是在判斷windows窗體線程和當(dāng)前的調(diào)用者線程是否是同一個，如果是同一個就沒有必要封送了，直接訪問這個GUI控件吧。否則，就不要那么直接表白了，就需要Invoke或者BeginInvoke做媒了。
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