实例解析C++/CLI线程之多任务

简介

　　从处理器的角度来看，线程是一个单独的执行流程，每个线程都有各自的寄存器及堆栈上下文。通常来说，在系统中只有一个处理器或处理器只有一个核心时，运行时环境在一个时间片内只能执行一个线程，当线程未能获取所需的资源时，线程的执行就会被中断，且会一直等到相关操作的完成，如I/O；或者在线程用完它的处理器时间片时，也会被中断下来等待。而处理器把执行流程从一个线程切换到另一个线程时，这称为"上下文切换"；当某个线程变为"阻塞"状态，从而执行另一个线程时，系统有效地减少了处理器空闲时间，这称为"多任务"。

　　当程序执行时，系统知道可以从磁盘上某处获取相关的指令及静态数据，程序会被分配到一组包含虚拟内存在内的地址空间，这个运行时上下文被称为"进程"。然而，在一个进程可以运行之前，它必须拥有至少一个线程，也就是说，当一个进程被创建时，它自动被赋予了一个线程，这称为"主线程"。但是话说回来，这个线程与之后这个进程所创建的线程相比，没有任何不同之处，它只不过恰好是这个进程的第一个线程而已。一般来说，在程序的控制之下，进程内的线程数在运行时会有所变化，任何线程都可以创建其他的线程，但不管怎样，线程不拥有它所创建的线程，所有进程内的线程都是作为一个整体属于这个进程。

　　可把进程要完成的工作分成不同的"子任务"，每一部分都由不同的线程来执行，这称为"多线程"。进程内的每个线程共享同样的地址空间与进程资源，当最后一个进程内的线程结束时，父进程就结束了。

　　为何进程内要有多个线程呢？如果进程只有一个线程，那么它的执行流程是自上而下顺序执行的；当线程阻塞，而又没有其他的活动线程处于等待状态时，系统就会进入空闲状态；如果此时进程的子任务必须被顺序地执行，那么这种情况就不可避免，将花费大量的时间来等待。然而，绝大多数的进程都不是这样的，试想有这样一种情况，某个进程有多个选项，用户可以选择其中一些选项，由此产生的计算会使用内存或文件中的数据，并生成结果，如果能从中分出一些新的线程，那么进程不必等待前一个计算的结果，就可以继续接受新的计算请求。此外，通过指定线程的优先级，进程可只在更关键的线程阻塞时，才运行次关键的线程。

　　在有多个线程的情况下，某些线程可负责程序的主要工作，而另一个线程可用于处理键盘和鼠标的输入。例如，用户可能会觉得前一次请求并不是期望的动作，从而希望取消由前一次请求产生的那一个线程，这时就可在某个下拉菜单中进行选择，由一个线程去终止另一个线程。

　　另一个例子就是打印假脱机程序，它的任务是保持打印机尽可能地满载工作，并处理用户的打印请求；如果这个程序必须要等到前一项打印工作完成，才能接受新请求的话，用户可能会感到非常的不满。当然，程序也可周期性地停下打印工作，来查看是否有新的未处理请求（这称为"轮询"），但是，如果没有新请求，这将会非常浪费时间。另外，如果轮询的间隔时间太长，对处理新请求，还会造成延时；如果间隔太短，那么线程在轮询上花费的时间又太多。那么，为什么不让假脱机程序有两个线程呢？一个用于将打印工作传递到打印机，而另一个用于处于用户的请求，它们之间都相互独立运行；而当一个线程工作完成时，它要么结束自身，要么进入休眠状态。

　　当处理并发的执行线程时，必须要首先了解两个重要的概念：原子性和重入性。一个原子变量或对象是作为一个整体被访问的，甚至于在异步操作的情况下也是如此--访问的是同一个变量或对象。举例来讲，如果一个线程正在更新一个原子变量或对象，而另一个线程在读取其内容，此时来讲，内容逻辑上的完整性是不可能被破坏的，所以，要么读取到旧值，要么读取到新值，而不会旧值新值各读一部分。通常来说，能被原子性访问的变量或对象，只是那些在硬件上能被原子性支持的类型，如字节（Byte）和字（Word）。C++/CLI中大多数的基本类型都确保具有原子性，剩下的类型也可被某种特定的实现支持原子性，但不能百分百保证。显而易见，一个实现了x与y坐标对的Point对象，不具有原子性，对Point值的写入，可能会被对其值的读取中断，结果就是，读取到了一个新的x值和一个旧的y值，反之亦然；同样地，数组也不可能被原子性地访问。正是因为大多数的对象不能被原子性地访问，所以必须使用一些同步形式来保证在某一时间，只有一个线程可操纵某个特定的对象。也正是因为此，C++/CLI分配给每一个对象、数据和类一个同步锁。

　　一个重入的函数可由多个线程安全地并行执行。当线程开始执行一个函数时，在函数中分配的所有数据都来自栈或堆，但无论如何，对此调用来说，都是唯一的。如果在另一个线程仍处于工作状态时，本线程开始执行同一个函数，那么，每个线程中的数据都是相互独立的。然而，如果函数访问线程间共享的变量或文件时，则必须使用某些同步方法。

　　简介

　　从处理器的角度来看，线程是一个单独的执行流程，每个线程都有各自的寄存器及堆栈上下文。通常来说，在系统中只有一个处理器或处理器只有一个核心时，运行时环境在一个时间片内只能执行一个线程，当线程未能获取所需的资源时，线程的执行就会被中断，且会一直等到相关操作的完成，如I/O；或者在线程用完它的处理器时间片时，也会被中断下来等待。而处理器把执行流程从一个线程切换到另一个线程时，这称为"上下文切换"；当某个线程变为"阻塞"状态，从而执行另一个线程时，系统有效地减少了处理器空闲时间，这称为"多任务"。

　　当程序执行时，系统知道可以从磁盘上某处获取相关的指令及静态数据，程序会被分配到一组包含虚拟内存在内的地址空间，这个运行时上下文被称为"进程"。然而，在一个进程可以运行之前，它必须拥有至少一个线程，也就是说，当一个进程被创建时，它自动被赋予了一个线程，这称为"主线程"。但是话说回来，这个线程与之后这个进程所创建的线程相比，没有任何不同之处，它只不过恰好是这个进程的第一个线程而已。一般来说，在程序的控制之下，进程内的线程数在运行时会有所变化，任何线程都可以创建其他的线程，但不管怎样，线程不拥有它所创建的线程，所有进程内的线程都是作为一个整体属于这个进程。

　　可把进程要完成的工作分成不同的"子任务"，每一部分都由不同的线程来执行，这称为"多线程"。进程内的每个线程共享同样的地址空间与进程资源，当最后一个进程内的线程结束时，父进程就结束了。

　　为何进程内要有多个线程呢？如果进程只有一个线程，那么它的执行流程是自上而下顺序执行的；当线程阻塞，而又没有其他的活动线程处于等待状态时，系统就会进入空闲状态；如果此时进程的子任务必须被顺序地执行，那么这种情况就不可避免，将花费大量的时间来等待。然而，绝大多数的进程都不是这样的，试想有这样一种情况，某个进程有多个选项，用户可以选择其中一些选项，由此产生的计算会使用内存或文件中的数据，并生成结果，如果能从中分出一些新的线程，那么进程不必等待前一个计算的结果，就可以继续接受新的计算请求。此外，通过指定线程的优先级，进程可只在更关键的线程阻塞时，才运行次关键的线程。

　　在有多个线程的情况下，某些线程可负责程序的主要工作，而另一个线程可用于处理键盘和鼠标的输入。例如，用户可能会觉得前一次请求并不是期望的动作，从而希望取消由前一次请求产生的那一个线程，这时就可在某个下拉菜单中进行选择，由一个线程去终止另一个线程。

　　另一个例子就是打印假脱机程序，它的任务是保持打印机尽可能地满载工作，并处理用户的打印请求；如果这个程序必须要等到前一项打印工作完成，才能接受新请求的话，用户可能会感到非常的不满。当然，程序也可周期性地停下打印工作，来查看是否有新的未处理请求（这称为"轮询"），但是，如果没有新请求，这将会非常浪费时间。另外，如果轮询的间隔时间太长，对处理新请求，还会造成延时；如果间隔太短，那么线程在轮询上花费的时间又太多。那么，为什么不让假脱机程序有两个线程呢？一个用于将打印工作传递到打印机，而另一个用于处于用户的请求，它们之间都相互独立运行；而当一个线程工作完成时，它要么结束自身，要么进入休眠状态。

　　当处理并发的执行线程时，必须要首先了解两个重要的概念：原子性和重入性。一个原子变量或对象是作为一个整体被访问的，甚至于在异步操作的情况下也是如此--访问的是同一个变量或对象。举例来讲，如果一个线程正在更新一个原子变量或对象，而另一个线程在读取其内容，此时来讲，内容逻辑上的完整性是不可能被破坏的，所以，要么读取到旧值，要么读取到新值，而不会旧值新值各读一部分。通常来说，能被原子性访问的变量或对象，只是那些在硬件上能被原子性支持的类型，如字节（Byte）和字（Word）。C++/CLI中大多数的基本类型都确保具有原子性，剩下的类型也可被某种特定的实现支持原子性，但不能百分百保证。显而易见，一个实现了x与y坐标对的Point对象，不具有原子性，对Point值的写入，可能会被对其值的读取中断，结果就是，读取到了一个新的x值和一个旧的y值，反之亦然；同样地，数组也不可能被原子性地访问。正是因为大多数的对象不能被原子性地访问，所以必须使用一些同步形式来保证在某一时间，只有一个线程可操纵某个特定的对象。也正是因为此，C++/CLI分配给每一个对象、数据和类一个同步锁。

　　一个重入的函数可由多个线程安全地并行执行。当线程开始执行一个函数时，在函数中分配的所有数据都来自栈或堆，但无论如何，对此调用来说，都是唯一的。如果在另一个线程仍处于工作状态时，本线程开始执行同一个函数，那么，每个线程中的数据都是相互独立的。然而，如果函数访问线程间共享的变量或文件时，则必须使用某些同步方法。