執行個體解析C++/CLI線程之多任務

簡介

從處理器的角度來看，線程是一個單獨的執行流程，每個線程都有各自的寄存器及堆棧上下文。通常來說，在系統中只有一個處理器或處理器只有一個核心時，運行時環境在一個時間片內只能執行一個線程，當線程未能擷取所需的資源時，線程的執行就會被中斷，且會一直等到相關操作的完成，如I/O；或者線上程用完它的處理器時間片時，也會被中斷下來等待。而處理器把執行流程從一個線程切換到另一個線程時，這稱為"環境切換"；當某個線程變為"阻塞"狀態，從而執行另一個線程時，系統有效地減少了處理器空閑時間，這稱為"多任務"。

當程式執行時，系統知道可以從磁碟上某處擷取相關的指令及待用資料，程式會被分配到一組包含虛擬記憶體在內的地址空間，這個運行時上下文被稱為"進程"。然而，在一個進程可以運行之前，它必須擁有至少一個線程，也就是說，當一個進程被建立時，它自動被賦予了一個線程，這稱為"主線程"。但是話說回來，這個線程與之後這個進程所建立的線程相比，沒有任何不同之處，它只不過恰好是這個進程的第一個線程而已。一般來說，在程式的控制之下，進程內的線程數在運行時會有所變化，任何線程都可以建立其他的線程，但不管怎樣，線程不擁有它所建立的線程，所有進程內的線程都是作為一個整體屬於這個進程。

可把進程要完成的工作分成不同的"子任務"，每一部分都由不同的線程來執行，這稱為"多線程"。進程內的每個線程共用同樣的地址空間與進程資源，當最後一個進程內的線程結束時，父進程就結束了。

為何進程內要有多個線程呢？如果進程只有一個線程，那麼它的執行流程是自上而下順序執行的；當線程阻塞，而又沒有其他的活動線程處於等待狀態時，系統就會進入空閑狀態；如果此時進程的子任務必須被順序地執行，那麼這種情況就不可避免，將花費大量的時間來等待。然而，絕大多數的進程都不是這樣的，試想有這樣一種情況，某個進程有多個選項，使用者可以選擇其中一些選項，由此產生的計算會使用記憶體或檔案中的資料，並產生結果，如果能從中分出一些新的線程，那麼進程不必等待前一個計算的結果，就可以繼續接受新的計算請求。此外，通過指定線程的優先順序，進程可只在更關鍵的線程阻塞時，才運行次關鍵的線程。

在有多個線程的情況下，某些線程可負責程式的主要工作，而另一個線程可用於處理鍵盤和滑鼠的輸入。例如，使用者可能會覺得前一次請求並不是期望的動作，從而希望取消由前一次請求產生的那一個線程，這時就可在某個下拉式功能表中進行選擇，由一個線程去終止另一個線程。

另一個例子就是列印假離線程式，它的任務是保持印表機儘可能地滿載工作，並處理使用者的列印請求；如果這個程式必須要等到前一項列印工作完成，才能接受新請求的話，使用者可能會感到非常的不滿。當然，程式也可周期性地停下列印工作，來查看是否有新的未處理請求（這稱為"輪詢"），但是，如果沒有新請求，這將會非常浪費時間。另外，如果輪詢的間隔時間太長，對處理新請求，還會造成延時；如果間隔太短，那麼線程在輪詢上花費的時間又太多。那麼，為什麼不讓假離線程式有兩個線程呢？一個用於將列印工作傳遞到印表機，而另一個用於處於使用者的請求，它們之間都相互獨立運行；而當一個線程工作完成時，它要麼結束自身，要麼進入休眠狀態。

當處理並發的執行線程時，必須要首先瞭解兩個重要的概念：原子性和重入性。一個原子變數或對象是作為一個整體被訪問的，甚至於在非同步作業的情況下也是如此--訪問的是同一個變數或對象。舉例來講，如果一個線程正在更新一個原子變數或對象，而另一個線程在讀取其內容，此時來講，內容邏輯上的完整性是不可能被破壞的，所以，要麼讀取到舊值，要麼讀取到新值，而不會舊值新值各讀一部分。通常來說，能被原子性訪問的變數或對象，只是那些在硬體上能被原子性支援的類型，如位元組（Byte）和字（Word）。C++/CLI中大多數的基本類型都確保具有原子性，剩下的類型也可被某種特定的實現支援原子性，但不能百分百保證。顯而易見，一個實現了x與y座標組的Point對象，不具有原子性，對Point值的寫入，可能會被對其值的讀取中斷，結果就是，讀取到了一個新的x值和一箇舊的y值，反之亦然；同樣地，數組也不可能被原子性地訪問。正是因為大多數的對象不能被原子性地訪問，所以必須使用一些同步形式來保證在某一時間，只有一個線程可操縱某個特定的對象。也正是因為此，C++/CLI分配給每一個對象、資料和類一個同步鎖。