[轉載] Windows Forms 實現安全的多線程詳解

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前言

 在我們應用程式開發過程中，經常會遇到一些問題，需要使用多線程技術來加以解決。本文就是通過幾個樣本程式給大家講解一下多線程相關的一些主要問題。

執行長任務操作

許多種類的應用程式都需要長時間操作，比如：執行一個列印任務，請求一個 Web Service 調用等。使用者在這種情況下一般會去轉移做其他事情來等待任務的完成，同時還希望隨時可以監控任務的執行進度。

下面的代碼片斷樣本了當長任務執行時使用者介面是如何被更新的。

// 顯示進度條
void ShowProgress( int totalStep, int currentStep ) 
{
    _Progress.Maximum = totalStep;
    _Progress.Value = currentStep;
}

// 執行任務
void RunTask( int seconds )
{
    // 每 1 / 4 秒 顯示進度一次
    for( int i = 0; i < seconds * 4; i++ )
    {
        Thread.Sleep( 250 );

        // 顯示進度條
        ShowProgress( seconds * 4, i + 1 );
    }
}

private void _btnRun_Click( object sender, System.EventArgs e )
{
    RunTask( Convert.ToInt32( _txtSecond.Value ) );
}

當我們運行上面的程式，在整個長任務的過程中，沒有出現任何問題。這樣就真的沒有問題了嗎？當我們切換應用程式去做其他事情後再切換回來，問題就發生了！主表單就會出現如下情況：

這個問題當然會發生，因為我們現在的應用程式是單線程的，因此，當線程執行長任務時，它同時也就不能重畫使用者介面了。

為什麼在我們切換應用程式後，問題才發生呢？這是因為當你切換當前應用程式到後台再切換回前台時，我們需要重畫整個使用者介面。但是應用程式正在執行長任務，根本沒有時間處理使用者介面的重畫，問題就會發生。

如何解決問題呢？我們需要將長任務放在後台運行，把使用介面執行緒解放出來，因此我們需要另外一個線程。

線程非同步作業

我們上面程式中執行按鈕的Click 處理如下：

private void _btnRun_Click( object sender, System.EventArgs e )
{
    RunTask( Convert.ToInt32( _txtSecond.Value ) );
}

回想上面剛才問題發生的原因，直到 RunTask 執行完成後返回，Click 處理函數始終不能夠返回，這就意味著使用者介面不能處理重畫事件或其他任何事件。一個解決方案就是建立另外一個線程，代碼片斷如下：

using System.Threading;

private int _seconds;

// 執行任務背景工作執行緒進入點
void RunTaskThreadStart()
{
    RunTask( _seconds );
}

// 通過建立背景工作執行緒消除使用介面執行緒的阻塞問題
private void _btnRun_Click( object sender, System.EventArgs e )
{
    _seconds = Convert.ToInt32( _txtSecond.Value );

    Thread runTaskThread = new Thread( new ThreadStart( RunTaskThreadStart ) );
            
    runTaskThread.Start();
}

現在，我們不再需要等待 RunTask 執行完成才能夠從 Click 事件返回，我們建立了新的背景工作執行緒並讓它開始工作、運行。

runTaskThread.Start(); 將我們新建立的背景工作執行緒調度執行並立即返回，允許我們的使用介面執行緒重新獲得控制權執行它自己的工作。現在如果使用者再切換應用程式，因為背景工作執行緒在自己的空間執行長任務，使用介面執行緒被解放出來處理包括使用者介面重畫的各種事件，我們上面遇到的問題就解決了。

委託非同步呼叫

在上面的代碼中，我們注意到，我們沒有給背景工作執行緒進入點（RunTaskThreadStart）傳遞任何參數，我們採用聲明一個表單類的欄位 _seconds 來給背景工作執行緒傳遞參數。在某種應用場合不能夠給背景工作執行緒直接傳遞參數也是一件非常痛苦的事情。

如何改進呢？我們可以使用委託來進行非同步呼叫。委託是支援傳遞參數的。這樣，就消除了我們剛才的問題，使我們能夠消除額外的欄位聲明和額外的背景工作執行緒函數。

如果你不熟悉委託，你可以簡單的把它理解為安全的函數指標。採用了委託非同步呼叫，代碼片斷如下：

// 執行任務的委託聲明
delegate void RunTaskDelegate( int seconds );

// 通過建立委託解決傳遞參數問題
private void _btnRun_Click( object sender, System.EventArgs e )
{
    RunTaskDelegate runTask = new RunTaskDelegate( RunTask );

    // 委託同步調用方式
    runTask( Convert.ToInt16( _txtSecond.Value ) );
}

//通過建立委託解決傳遞參數問題，通過委託的非同步呼叫消除使用介面執行緒的阻塞問題
private void _btnRun_Click( object sender, System.EventArgs e )
{
    RunTaskDelegate runTask = new RunTaskDelegate( RunTask );

    // 委託非同步呼叫方式
    runTask.BeginInvoke( Convert.ToInt16( _txtSecond.Value ), null, null );
}

多安全執行緒

到這裡為止，我們已經解決了長任務的難題和傳遞參數的困擾。但是我們真的解決了全部問題嗎？回答是否定的。

我們知道 Windows 編程中有一個必須遵守的原則，那就是在一個表單建立線程之外的任何線程中都不允許操作表單。

我們上面的程式就是存在這樣的問題：背景工作執行緒是在 ShowProgress 方法中修改了使用者介面的進度條的屬性。那為什麼程式運行沒有出現問題，運行正常呢？

沒有發生問題是因為是現在的Windows XP作業系統對這類問題有非常健壯的解決方案，讓我們避免了問題的發生。但是我們現在的程式不能保證在其他的作業系統能夠運行正常！
真正的解決方案是我們能夠認識到問題所在，並在程式中加以避免。

如何避免多線程的表單資源訪問的安全問題呢？其實非常簡單，有兩種方法：

一種方法就是不管線程是否是使用介面執行緒，對使用者介面資源的訪問統一由委託完成；

另一種方法是在每個 Windows Forms 使用者介面類中都有一個 InvokeRequired 屬性，它用來標識當前線程是否能夠直接存取表單資源。我們只需要檢查這個屬性的值，只有當允許直接存取表單資源時才直接存取相應的資源，否則，就需要通過委託進行訪問了。

採用第一種安全的方法的代碼片斷如下：

// 顯示進度條的委託聲明
delegate void ShowProgressDelegate( int totalStep, int currentStep );
        
// 顯示進度條
void ShowProgress( int totalStep, int currentStep ) 
{
    _Progress.Maximum = totalStep;
    _Progress.Value = currentStep;
}

// 執行任務的委託聲明
delegate void RunTaskDelegate( int seconds );
        
// 執行任務
void RunTask( int seconds )
{
    ShowProgressDelegate showProgress = new ShowProgressDelegate( ShowProgress );
            
    // 每 1 / 4 秒 顯示進度一次
    for( int i = 0; i < seconds * 4; i++ )
    {
        Thread.Sleep( 250 );

        // 顯示進度條
        this.Invoke( showProgress, new object[] { seconds * 4, i + 1 } );
    }
}

採用第二種安全的方法的代碼片斷如下：

// 顯示進度條的委託聲明
delegate void ShowProgressDelegate( int totalStep, int currentStep );
        
// 顯示進度條
void ShowProgress( int totalStep, int currentStep ) 
{
    if( _Progress.InvokeRequired )
    {
        ShowProgressDelegate showProgress = new ShowProgressDelegate( ShowProgress );
                
        // 為了避免背景工作執行緒被阻塞，採用非同步呼叫委託
        this.BeginInvoke( showProgress, new object[] { totalStep, currentStep } );
    }
    else
    {
        _Progress.Maximum = totalStep;
        _Progress.Value = currentStep;
    }
}

// 執行任務的委託聲明
delegate void RunTaskDelegate( int seconds );

// 執行任務
void RunTask( int seconds )
{
    // 每 1 / 4 秒 顯示進度一次
    for( int i = 0; i < seconds * 4; i++ )
    {
        Thread.Sleep( 250 );

        // 顯示進度條
        ShowProgress( seconds * 4, i + 1 );
    }
}

至此，我們用了幾個樣本說明了如何執行長任務、如何通過多線程非同步處理任務進度的顯示並解決了多線程的安全性等問題。希望能夠給大家對理解多線程編程、委託的使用、非同步呼叫等方面提供一些協助，也希望能和大家進行進一步的溝通和交流。

樣本程式包：

--- 安全多線程樣本程式包