【MSDN文摘】線程與訊息佇列

使用線程

Greg Ewing
Clarity Consulting Inc.

2002 年 3 月

摘要：本文論述了各種模式的線程（單線程、單元線程和自由線程）以及每種模式的使用方法。同時，還提供了一個使用線程的 C# 語言程式碼範例，以協助您編寫使用線程的應用程式。本文還討論了多線程代碼中的一些重要問題。

下載（英文）樣本檔案。（請注意，在樣本檔案中，程式員的注釋使用的是英文，本文中將其譯為中文是為了便於讀者進行理解。）

目錄

簡介
線程背景
應用程式範例
多線程代碼問題
總結

簡介

編寫多線程 Microsoft 訊息佇列 (MSMQ)
觸發器應用程式向來是一件讓人畏懼的事情。不過，.NET 架構線程和訊息類的出現使這項工作變得比以前容易了。這些類允許您使用任何適用於 .NET
架構的語言來編寫多線程應用程式。以前，像 Microsoft Visual Basic 之類的工具對線程的支援十分有限。因此不得不使用
C++ 來編寫多線程代碼，通過 Visual Basic 構建由多個過程或 ActiveX DLL
組成的解決方案（這種解決方案一點也不理想），或者乾脆完全放棄多線程。使用 .NET
架構，您可以構建各種多線程應用程式，而不用考慮選擇使用哪種語言。

本文將逐步介紹構建偵聽並處理來自 Microsoft 訊息佇列的多線程應用程式的過程。本文將著重討論兩個名稱空間 System.Threading 和 System.Messaging。範例程式碼是用 C# 語言編寫的，但您可以輕鬆地將其轉換為您所使用的語言。

線程背景

在 Win32 環境中，線程有三種基本模式：單線程、單元線程和自由線程。

單線程

您最初編寫的某些應用程式很可能是單線程應用程式，僅包含與應用程式進程對應的線程。進程可以被定義為應用程式的執行個體，擁有該應用程式的記憶體空間。大多數 Windows 應用程式都是單線程的，即用一個線程完成所有工作。

單元線程

單元線程是一種稍微複雜的線程模式。標記用於單元線程的代碼可以在其自己的線程中執行，並限制在自己的單元
中。線程可以被定義為進程所擁有的實體。處理時將調度該進程。在單元線程模式中，所有線程都在主應用程式記憶體中各自的子段範圍內運行。此模式允許多個代碼
執行個體同時但獨立地運行。例如，在 .NET 之前，Visual Basic 僅限於建立Apartment 執行緒元件和應用程式。

自由線程

自由線程是最複雜的線程模式。在自由線程模式中，多個線程可以同時調用相同的方法和組件。與單元線程不同，自
由線程不會被限制在獨立的記憶體空間。當應用程式必須進行大量相似而又獨立的數學計算時，您可能需要使用自由線程。在這種情況下，您需要產生多個線程使用相
同的程式碼範例來執行計算。可能 C++ 開發人員是僅有的編寫過自由線程應用程式的應用程式開發人員，因為像 Visual Basic 6.0
這樣的語言幾乎不可能編寫自由線程應用程式。

使用線程模式

為了使您對線程模式有一定的概念，我們可以將其想象為從一所屋子搬到另一所屋子。如果您採用單線程方法，則需
要您自己完成從打包到扛箱子再到拆包的所有工作。如果您使用單元線程模式，則表示您邀請了好朋友來幫忙。每個朋友在一個單獨的房間裡工作，並且不能協助在
其他房間工作的人。他們各自負責自己的空間和空間內的物品搬運。如果您採用自由線程方法，您仍然邀請相同的朋友來幫忙，但是所有朋友可以隨時在任何一個房
間工作，共同打包物品。與此類似，您的房子就是運行所有線程的進程，每個朋友都是一個代碼執行個體，搬運的物品為應用程式的資源和變數。

本樣本解釋了不同線程模式的優點和缺點。單元線程比單線程要快，因為有多個組件執行個體在工作。在某些情況下，自
由線程比單元線程更快更有效，這是因為所有事情同時發生，並且可以共用所有資源。但是，當多線程更改共用資源時，這可能會出現問題。假設一個人開始使用箱
子打包廚房用具，此時另一個朋友進來了，要使用同一個箱子打包浴室的東西。第一個朋友在箱子上貼上了“廚房用具”，另一個朋友用“洗漱用品”標籤覆蓋了原
標籤。結果，當您拆包時，就會發生將廚房用品搬到浴室的情況。

應用程式範例

第一步是要檢查應用程式範例的設計。應用程式將產生多個線程，每個線程都偵聽來自 MSMQ 隊列的訊息。本樣本使用兩個類，主 Form 類和自訂 MQListen 類。Form 類將處理使用者介面並建立，管理和破壞輔助線程。MQListen 類包含所有代碼，包括輔助線程運行所需的訊息佇列因素。

準備應用程式

• 要啟動應用程式，請開啟 Visual Studio .NET 並建立一個名為
  MultiThreadedMQListener 的新 C# Windows 應用程式。開啟表單的屬性，將其命名為
  QueueListenerForm。畫出初始表單後，將兩個標籤、兩個按鈕、一個狀態列和兩個文字框拖放到表單上。將第一個文字框命名為 Server，第二個文字框命名為 Queue。將第一個按鈕命名為 StartListening，第二個按鈕命名為 StopListening。可以保留狀態列的預設名稱 statusBar1。
• 下一步，單擊 Project（項目）菜單並單擊 Add Reference（添加引用），以向 System.Messaging 名稱空間添加一個引用。在 .NET 組件列表中找到並選擇 System.Messaging.Dll。名稱空間包含與 MSMQ 隊列通訊所使用的類。
• 下一步，單擊 File（檔案）菜單，然後單擊 Add New Item（添加新項），以在項目中添加一個新類。選擇 Class（類）模板並將其命名為 MQListen。在類的頂部添加下列 using 語句：

  // C#
  using System.Threading;
  using System.Messaging;

  System.Threading 名稱空間允許您訪問所有必要的線程功能，在本例中，您可以訪問 Thread 類和 ThreadInterruptException 建構函式。該名稱空間還包括許多其他進階功能，本文不作詳細討論。System.Messaging 名稱空間允許您訪問 MSMQ 功能，包括向隊列發送訊息和接收隊列訊息。在本例中，您將使用 MessageQueue 類來接收訊息。還必須在主表單代碼中添加 using System.Threading。

所有引用就位後，您就可以開始編寫代碼了。

輔助線程

首先需要構建封裝所有線程工作的 MQListen 類。將下列代碼插入 MQListen 中。

// C#
public class MQListen
{   
   private string m_MachineName;
   private string m_QueueName;

   // 建構函式接收必要的隊列資訊。
   public MQListen(string MachineName, string QueueName)
   {
      m_MachineName = MachineName;
      m_QueueName = QueueName;
   }


   // 每個線程用來偵聽 MQ 訊息的一種唯一方法
   public void Listen()
   {
      // 建立一個 MessageQueue 對象。
      System.Messaging.MessageQueue MQ  = new 
System.Messaging.MessageQueue();

      // 設定 MessageQueue 對象的路徑屬性。
      MQ.Path = m_MachineName + "\\private$\\" + m_QueueName;

      // 建立一個 Message 對象。
System.Messaging.Message Message = new    
System.Messaging.Message();        
      // 重複上述步驟，直到收到中斷。
      while (true)
      {
         try
         {
// 休眠以在中斷髮出時捕捉中斷。
System.Threading.Thread.Sleep(100);
// 將 Message 對象設定為與接收函數的結果相等。
// 期間（天、小時、分鐘、秒）。
                        Message = MQ.Receive(new TimeSpan(0, 0, 0, 1));

            // 顯示已接收訊息的標籤
System.Windows.Forms.MessageBox.Show(" Label: " + Message.Label);

         }
         catch (ThreadInterruptedException e)
         {
// 從主線程捕捉 ThreadInterrupt 並退出。
            Console.WriteLine("Exiting Thread");
            Message.Dispose();
            MQ.Dispose();
            break;
         }
         catch (Exception GenericException)
         {
            // 捕捉接收過程中拋出的所有異常。
            Console.WriteLine(GenericException.Message);
         }
      }
   }
}

代碼討論

MQListen 類包含一個不同於建構函式的函數。該函數封裝每個輔助線程要執行的所有工作。在主線程中，您向線程建構函式傳遞一個對此函數的引用，以便在啟動線程時執行該函數。

Listen 所做的第一件事情是設定一個訊息佇列對象。MessageQueue
建構函式通過三種實現進行重載。第一種實現使用兩個參數：一個字串參數，指定偵聽隊列的位置；一個布爾值參數，指示是否為訪問隊列的第一個應用程式賦予
獨佔讀取隊列的許可權。第二種實現只使用隊列路徑參數，第三種實現不使用參數。為了簡便起見，您可以使用第三種實現，在下一行分配路徑。

如果您引用了隊列，則必須建立一個訊息對象。訊息建構函式也有三種實現方式。如果您想將訊息寫入隊列，則可以使用前兩種實現。這兩種實現採用兩個對象：一個是位於訊息本文中的對象；一個是定義如何將對象序列化到訊息本文的 IMessageFormatter 對象。在本例中，您將從隊列中讀取資料，以初始化空的訊息對象。

初始化對象後，您需要輸入執行所有工作的主迴圈。然後，當主線程調用 Interrupt 終止這些線程時，則只有線上程處於等待、睡眠或串連狀態下才會被中斷。如果沒有處於上述三種狀態，則要等到下次進入這三種狀態中的一種時才會被中斷。要確保輔助線程進入等待、睡眠或串連狀態，請調用位於 System.Threading 名稱空間的 Sleep 方法。對於使用過 Windows API 睡眠函數的 C++ 和 Visual Basic 開發人員而言，Sleep 方法並不陌生。它只使用一個參數：線程處於睡眠狀態的毫秒數。如果您從未調用過 Sleep，輔助線程將永遠不會進入可以接收插斷要求的狀態，而會無限制地繼續下去，除非您手動關閉進程。

MQ Receive 方法有兩種實現。第一種實現不使用參數，將一直等待接收訊息。第二種實現（本例使用這種實現）使用 TimeSpan 對象指定一個逾時值。TimeSpan 建構函式包含四個參數：日、小時、分鐘和秒。在本例中，Receive 方法在逾時和返回前將等待一秒種。

收到的訊息將被分配給先前建立的訊息對象，然後，便可以對其進行處理了。本例開啟一個帶有標籤的訊息框，並刪除了此訊息。如果您想在實際使用中採用此代碼，則可以在此處放置任何訊息處理代碼。

當輔助線程收到 Interrupt 請求後，將發出一個 ThreadInterruptedException 異常。要捕捉此異常，請在 try-catch 塊中包含 Sleep 和 Receive 函數。您應當指定兩個捕獲：第一個用於捕獲中斷異常，第二個用於處理捕獲到的錯誤異常。捕獲到中斷異常時，請首先將其寫入線程正在退出的調試視窗。下一步，對隊列對象和訊息對象調用 Dispose 方法，以保證所有記憶體都被清空並發送到記憶體回收器。最後，中斷 while 迴圈。

函數退出 while 迴圈後，關聯的線程也將立即結束，代碼為
0。在調試視窗，您將看到一則訊息，例如“The thread '<name>' (0x660) has exited with
code 0 (0x0)”（線程 '<name>' (0x660) 已經退出，代碼為 0
(0x0)）。現在，線程已經退出該環境，並已自動被破壞。主線程和輔助線程都不需要執行專門的清除操作。

主表單

下一步是向表單添加代碼以產生輔助線程並針對各輔助線程啟動 MQListen 類。首先，請向表單添加下列函數：

// C#
private void StartThreads()
{
   int LoopCounter; // 執行緒計數
   StopListeningFlag = false; // 跟蹤輔助線程是否應當
                               // 終止的標誌。

   // 將一個包含 5 個線程的數組聲明為輔助線程。
   Thread[] ThreadArray = new Thread[5];

// 聲明包含輔助線程的所有代碼的類。
   MQListen objMQListen = new
MQListen(this.ServerName.Text,this.QueueName.Text); 

   for (LoopCounter = 0; LoopCounter < NUMBER_THREADS; LoopCounter++)
   {
      // 建立一個 Thread 對象。
      ThreadArray[LoopCounter] = new Thread(new
ThreadStart(objMQListen.Listen));
      // 啟動線程將調用 ThreadStart 委託。
      ThreadArray[LoopCounter].Start();
   }

   statusBar1.Text = LoopCounter.ToString() + " listener threads started";

   while (!StopListeningFlag)
   {
      // 等待使用者按下停止按鈕。
      // 在等待過程中，讓系統處理其他事件。
      System.Windows.Forms.Application.DoEvents();
   }

   statusBar1.Text = "Stop request received, stopping threads";
   // 向每個線程發送一個插斷要求。
   for (LoopCounter = 0;LoopCounter < NUMBER_THREADS; LoopCounter++)
   {      
      ThreadArray[LoopCounter].Interrupt();
   }

   statusBar1.Text = "All Threads have been stopped";
}

代碼討論

要啟動此函數，請建立一個包含 5 個項目的線程數組。此數組將保持對所有線程的引用，以備將來使用。

MQListen 類的建構函式使用兩個參數：包含訊息佇列的電腦名稱以及要偵聽的隊列的名稱。建構函式使用文字框中的值來為這兩個參數賦值。

要建立線程，您需要進入迴圈以初始化每個線程對象。Thread 建構函式要求您向其傳遞一個委託，該委託在調用線程的 Start 方法時指向要調用的函數。您希望線程開始使用 MQListen.Listen 函數，但該線程並不是一個委託。為了滿足線程建構函式的要求，您必須傳遞一個 ThreadStart 對象，該對象將建立一個給定函數名稱的委託。此時，請向 ThreadStart 對象傳遞一個對 MQListen.Listen 函數的引用。由於該數組元素已被初始化，請立即調用 Start 來開始線程。

所有線程開始後，請用相應的訊息來更新表單中的狀態列。隨著線程的運行和偵聽隊列，主線程將等待使用者請求應用程式停止偵聽。為此，主線程將進入一個 while 迴圈，直至您單擊 StopListening 按鈕更改 StopListeningFlag 的值。在此等待迴圈中，將允許應用程式使用 Forms.Application.DoEvents 方法處理其他需要處理的工作。對於熟悉 Visual Basic 的讀者來說，這一點與舊的 DoEvents 方法相同。對於熟悉 C++ 的讀者來說，這等於編寫一個 MSG 泵。

當使用者單擊 StopListening 按鈕時，該迴圈將退出並進入線程關閉代碼。要關閉所有線程，代碼必須檢查線程數組，並向每個線程發送一個中斷訊號。在此迴圈內部，請對數組中的每個線程調用 Interrupt 方法。調用此方法之前，MQListen 類中的代碼將繼續正常執行。因此，您可以對每個輔助線程調用 Interrupt，而不必考慮線程是否正在處理其他事件。完成後，線程類將處理所有線程的清除。最後，請在退出前更新主表單中的狀態列。

現在，您需要在按鈕後添加代碼。請向 StartListening 按鈕的 Click 事件添加以下代碼：

// C#
statusBar1.Text = "Starting Threads";
StartThreads();

這將更新狀態列並調用 StartThreads 方法。對於 StopListening 按鈕，您只需使用以下代碼將 StopListeningFlag 設定為 True：

// C#
StopListeningFlag = true;

最後一步是為 StopListeningFlag 添加表單級的變數。請在表單代碼的頂部添加以下行：

// C#
private bool StopListeningFlag = false;

要測試應用程式，您可以下載 MQWrite，這是一個寫入訊息佇列的應用程式範例。

多線程代碼問題

您已經完成了範例程式碼，因此您已經具備編寫自己的多線程應用程式所需的工具。線程可以顯著提高某些應用程式的
效能和延展性。在功能增強同時，您還必須瞭解線程有危險的一面。使用線程可能會破壞您的應用程式，這樣的情況確實存在。線程可能會阻止運行，造成無法
預料的後果，甚至會導致應用程式停止運行。

如果您有多個線程，請確保它們之間不存在互相等待以到達某一點或完成的情況。如果操作錯誤，可能會導致死結狀態，兩個線程都無法完成，因為它們都在相互等待。

如果多線程要求訪問不能輕易共用的資源（如軟碟機、序列埠或紅外線連接埠），您可能需要避免使用線程或需
要使用一種更進階的線程工具（如 synclocks 或
mutexes）來管理並發性。如果兩個線程試圖同時訪問這些資源，其中一個線程將無法獲得資源，或者會導致資料損毀。

使用線程的另一個常見問題是競爭狀態。如果一個線程正在將資料寫入檔案，而另一個線程正在從該檔案中讀取資料，您將無法知道哪個線程先完成。這種情況稱為競爭狀態，因為兩個線程都在競相到達檔案末尾。如果讀取線程快於寫入線程，則將返回無法預料的結果。

使用線程時，還應當考慮所有線程是否都能夠完全獨立地進行工作。如果確實需要來回傳遞資料，在資料相對簡單的情況下，只要小心操作即可。傳遞複雜物件時，來回移動這些對象的封送代價將十分可觀。這將導致作業系統管理的額外開銷並且會降低總體效能。

另一個問題是將代碼轉交給其他開發人員的傳遞成本。雖然 .NET 確實使線程變得容易，但請注意，維護您代碼的下一位開發人員必須瞭解要使用的線程。儘管這不是避免使用線程的理由，但是它充分說明了應該提供足夠的代碼注釋。

這些問題本身並不能打消您使用線程的熱情，但您在設計應用程式和決定是否使用線程時應該考慮到這些問題。遺憾
的是，本文無法詳細論述某些避免這些問題的方法。如果您已決定使用線程但遇到了上述某些問題，請檢查 synclocks 或 mutexes
看是否能解決問題或引導您使用其他解決方案。

總結

有了上述資訊，您就可以編寫使用線程的應用程式。不過，在編寫過程中，請記住上面提到的問題。如果使用得當，那麼，與單線程相比，多線程應用程式將具有更好的效能和延展性。但是，如果使用不當，使用線程會適得其反，並且會導致應用程式不穩定。