WPF学习与分享之二：DispatcherObject与WPF线程模型(上)

用Reflector分析WPF时，发现几乎所有的类的继承自DispatcherObject类。而该类非常简单，只有CheckAccess和VerifyAccess两个方法，一个Dispatcher只读属性和一个私有成员变量。正是由于继承了这个类，使WPF中其他类具有了多线程处理的能力。

在分析DispatcherObject前，我们先看看一般Win32或WinForm GUI应用程序中存在的问题和解决办法。

"没有响应"：Message Pump被阻塞

使用Windows时，最常碰到的问题就是窗口没有响应的。OS发现一个窗口一定时间内没有处理消息队列时，OS就会显示该窗口"没有响应"。

消息队列是OS为窗口创建的一个线程相关的内部结构。所有对窗口的操作，如鼠标移到，键盘输入等，最终都是在该队列中添加了一条消息。一般我们称创建主窗口的线程为UI线程，该线程创建Message Pump，负责不断的从消息队列中读取消息事件，并执行相应的窗口函数。

在Win32中，是通过调用GetMessage或PeekMessage来读取队列中的消息，并执行窗口处理函数WinProc。WinFom是对Win32 API封装，Application.Run()建立了Message Pump，从队列中读取消息，并调用对应的Event Handler。正是由于Windows这样的设计，如果Event Handler耗时很长时，UI线程无法继续处理消息队列中的其他消息（如WM_Paint），从而窗口没有响应或更新。这就是GUI应用程序中常碰到的Message Pump被阻塞的问题。

如下面的例子，在Button.Click Event Handler中，我们从数据库或文件中读出数据，并将每条记录加入List列表中。由于Message Pump被阻塞，UI线程无法处理WM_Paint消息，因而List只有在所以数据都加入后，才会更新显示。

 1 private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
 2 { 
 3    // Clear the list
 4    listBox1.Items.Clear(); 
 5    
 6    // Get data from database or file 
 7    for (Int32 i = 0; i < 100000; i++)
 8    { 
 9      // Add the data to list 
      listBox1.Items.Add(i); 
    }
 }

解决办法之一：Application.DoEvents

既然问题是由于没有处理消息队列造成的，那么比较直接的一个办法就是调用GetMessage或PeekMessage。WinForm中对于的函数就是Application.DoEvents()方法。

 1 private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
 2 { 
 3    // Clear the list
 4    listBox1.Items.Clear(); 
 5    
 6    // Get data from database or file 
 7    for (Int32 i = 0; i < 100000; i++)
 8    { 
 9      // Add the data to list 
      listBox1.Items.Add(i); 
      Application.DoEvents(); 
    }
 }

似乎这样就解决问题了，但是上面的方法实际上引入了一个更严重的问题：Reentrancy。

运行上面的程序，我们先点击一次按钮，button1_Click被调用，listBox1.Items.Clear()清空列表，然后开始添加数据到列表。如果这个时候，我们再次点击按钮，一个Button Click消息被加入到消息队列。在没有调用Application.DoEvents时，这条新的消息只有在button1_Click处理完后，才会被调用。这样尽管界面有段时间没有响应，但list中的数据仍能保持完整。当我们加入Application.DoEvents()后，在第一次处理button1_Click过程中，新的消息再次被处理，button1_Click第二次被调用，同样listBox1被清空。但是由于第一次的button1_Click还执行完，后面的Add动作仍会在第二次button1_Click都执行完成后执行，List就变成了1,2,3,4,5,6,4,5,6。而这种行为造成程序不稳定性，有时候数据是好的，有时候又有重复的数据。

造成Reentrancy问题原因是由于DoEvents会处理消息队列中的所有消息，如果DoEvents能够提供只处理WM_Paint事件的话，就不会有这个问题。但是由于消息队列结构的设计不完全支持优先级，所以Win32或WinForm没法解决这个问题。

解决办法之二：拆分复杂的操作

另一个解决办法就是把复杂的操作拆分成很多小的操作，每次只执行一部分。这种办法主要有两个问题：不易拆分或增加了代码的难度，如何调用这些小的操作。如上面的例子中，我们在button1_Click中，我们创建一个System.Windows.Forms.Timer对象，在Tick事件中来添加list的Item。

这种办法有比较大的局限，而且同样会存在Reentrancy的问题。

解决办法之三：多线程

在看多线程前，让我们看看创建一个线程的消耗：

1. 创建Thread核心对象（128K?），保留1M的Thread Stack地址空间
2. CPU Task Manager多一个Task
3. 线程切换非常耗时

是的，如果是单CPU的机器，多线程就意味着性能降低，因为CPU增加了额外的工作。我们需要多线程的原因就是因为UI线程必须能够释放出来去处理消息队列。

在Win32开发中，我们可以调用CreateThread来创建一个线程(Worker线程)，来处理耗时的操作，在.Net中对应的就是创建一个Thread对象。这种办法的问题是，每次创建一个Thread，OS都会创建Thread对象，而使用完后该Thread就会被销毁。创建销毁线程对象都是耗时的工作。.Net提供了线程池，可以重复利用线程来提高性能。我们可以用ThreadPool类，或者Delegate的BeginInvoke来使用.Net线程池。

于是，上面的代码很自然的就改为：

 1 private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
 2 {
 3    ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(DoWork));
 4 }
 5 
 6 private void DoWork(Object state)
 7 {
 8    listBox1.Items.Clear();
 9    for (Int32 i = 0; i < 10000; i++)
    {
       listBox1.Items.Add(i);
    }
 }

于是编译执行上面的代码，噢，没有问题。但是当你发布给用户时，用户就会抱怨，这个程序有时候突然就没了，于是噩梦就开始了。造成这个问题的原因就是由于Worker线程访问了控件，窗口等GDI对象。为了帮助找到这种问题，在用VS2008调试上面程序时，程序会报Cross-Operation的异常。但是，在Release版本中，程序就会崩溃，并且没有好的工具或方法能够找到这个问题。所以，在设计代码时，就一定注意避免Worker线程访问控件。

为什么Windows会有这样的限制呢？我想这个主要是由于性能的考虑。如果Windows GDI对象要支持多线程的访问，则每次访问时都需要lock来保证数据的完整性，不然界面的行为就会很怪异，每次GDI操作都判断lock的话，界面将会非常非常的慢。如果不用lock的方式，而采用判断Thread.ID的方式，那么每个对象都必须在创建时有个成员变量来保存Thread ID。在Windows 32的时代，内存是很宝贵的资源，所以Windows选择了忽略这个问题也是可以理解的。

那么，我们如何可以解决这个问题呢？在WinForm中，定义了一个ISynchronizeInvoke的接口，Control实现了这个接口。该接口中InvokdRequired属性，用来判断调用线程是否是Control的创建线程，而BeginInvoke和Invoke方法，这是会发消息到Control对应的消息队列，来告诉UI线程来更新Control。于是，上面的代码就变成：

 1 public Form1()
 2 {
 3    InitializeComponent();
 4    updateList = new UpdateUICallBack(UpdateList);
 5 }
 6 
 7 private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
 8 {
 9    ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(DoWork));
 }
 
 private delegate void UpdateUICallBack(Int32 value);
 private UpdateUICallBack updateList;
 private void DoWork(Object state)
 {
    for (Int32 i = 0; i < 10000; i++)
    {
       updateList(i);
    }
 }
 
 private void UpdateList(Int32 value)
 {
    if (listBox1.InvokeRequired)
       listBox1.Invoke(updateList, new Object[] { value});
    else
       listBox1.Items.Add(value);
 }

一切似乎很完美了，当在Worker线程上调用updateList时，listBox1.InvokeRequried返回True，调用listBox1.Invoke()，Worker线程会等待Invoke()返回，而Invoke()则会调用Win32 API SendMessage()给UI线程的消息队列，UI线程再次调用UpdateList更新ListBox后返回。

当然，如果我们不想Worker线程被阻塞的话，可以通过调用BeginInvoke()和EndInvoke()的异步方法。不过，不管那种方式，代码都会变得比较难看。而且，尽管InvokeRequired是个属性，实际上，会执行很多操作。InvokeRequired拿到调用线程的ID，然后尝试去得到Control的创建线程ID。而得到Control的创建线程ID会是一个耗时的操作。因为Control创建时并没有保存线程ID到成员变量中。所以InvokeRequired会遍历Control的父Control，一层层，直到找到最外面的父窗口。因而InvokeRequired是一个耗时的操作。

为了解决InvokeRequired的性能问题，我们可以在创建窗口的时候，保存一个Thead的引用，然后再来判断，于是代码变为：

 1 public partial class Form1 : Form
 2 {
 3    private Thread ownerThread;
 4    public Form1()
 5    {
 6       InitializeComponent();
 7       updateList = new UpdateUICallBack(UpdateList);
 8       ownerThread = Thread.CurrentThread;
 9    }
 
    private Boolean CheckAccess()
    {
       return ownerThread == Thread.CurrentThread;
    }
 
    private void VerifyAccess()
    {
       if (!CheckAccess())
          throw new Exception("Invoke Needed");
    }
 
    private void UpdateList(Int32 value)
    {
       if (!CheckAccess())
          listBox1.Invoke(updateList, new Object[] { value });
       else
          listBox1.Items.Add(value);
    }
 }

 

好了，上面差不多分析了当前WinForm或Win32 GDI编程的主要问题，下一个Post，让我们来看看WPF是如何解决这些问题的。