关于“UI线程”
http://www.cppblog.com/Streamlet/archive/2013/05/05/199999.html
缘起
这是一篇找喷的文章。
由于一些历史原因和人际渊源，周围同事谈论一些技术话题的时候，经常使用“UI线程”一词。虽然我从来没有看到其确切定义，但心里对其含义可能略懂，因此一直装作心知肚明的样子（以免被嘲讽）。
日前，一同事发了封邮件大谈“UI线程”的概念，分享到大部门。大部门里除了我们一个Windows客户端部门，其他都是做网站的Java开发。因此，在他们面前谈论一些我们并不成熟甚至并不存在的概念，有那么一点点故弄玄虚的味道，这激起了我谈论这个话题的小小欲望。当然，并不是说那封邮件里说的有错误，事实上绝大部分语句都是正确的。不过我看到的最让人豁然开朗的一句话却是“UI线程并不是官方概念”。在此，我想梳理下有关“UI线程”始末和自己理解，望CppBlog的看官们批判。
对了，说明一下，本文的大背景是Win32桌面程序开发，.Net请绕道，WinRT请绕道，Web请绕道，手机请绕道……
“UI线程”语源
据考证，“UI线程”的概念最早可能是在MFC中被引入的。目前能找到的官方提法是在：
http://msdn.microsoft.com/en-us/library/b807sta6(v=vs.110).aspx
MFC的AfxBeginThread提供了两个版本：
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CWinThread* AFXAPI AfxBeginThread(AFX_THREADPROC pfnThreadProc, LPVOID pParam, int nPriority = THREAD_PRIORITY_NORMAL, UINT nStackSize = 0, DWORD dwCreateFlags = 0, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttrs = NULL);
CWinThread* AFXAPI AfxBeginThread(CRuntimeClass* pThreadClass, int nPriority = THREAD_PRIORITY_NORMAL, UINT nStackSize = 0, DWORD dwCreateFlags = 0, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttrs = NULL);
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第一个版本用来让人创建“工作线程”，第二个版本让人用来创建“UI线程”。可能由于来自MFC的远古光环，让“UI线程”的提法略有普及。但除此之外，在Windows开发方面，似乎找不到第二个例子了。（如果有，请在评论中告诉我。）不管怎样，既然MFC官方文档里说了，那么在“MFC领域”使用“UI线程”的提法总是可以的。下面，我们先来认识一下MFC中的UI线程以及工作线程。
MFC中的UI线程
我们按照http://msdn.microsoft.com/en-us/library/b807sta6(v=vs.110).aspx的指示，来创建一个“UI线程”。首先，继承CWinThread：
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class CMyThread : public CWinThread { DECLARE_DYNCREATE(CMyThread)
public: virtual BOOL InitInstance() { return TRUE; } };
IMPLEMENT_DYNCREATE(CMyThread, CWinThread) |
然后，随便找个地方来启动线程：
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AfxBeginThread(RUNTIME_CLASS(CMyThread)); |
线程被创建后，就处于CWinThread::Run里的消息循环之中了。来看看CWinThread::Run的实现：
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// main running routine until thread exits int CWinThread::Run() { ASSERT_VALID(this); _AFX_THREAD_STATE* pState = AfxGetThreadState();
// for tracking the idle time state BOOL bIdle = TRUE; LONG lIdleCount = 0;
// acquire and dispatch messages until a WM_QUIT message is received. for (;;) { // phase1: check to see if we can do idle work while (bIdle && !::PeekMessage(&(pState->m_msgCur), NULL, NULL, NULL, PM_NOREMOVE)) { // call OnIdle while in bIdle state if (!OnIdle(lIdleCount++)) bIdle = FALSE; // assume "no idle" state }
// phase2: pump messages while available do { // pump message, but quit on WM_QUIT if (!PumpMessage()) return ExitInstance();
// reset "no idle" state after pumping "normal" message //if (IsIdleMessage(&m_msgCur)) if (IsIdleMessage(&(pState->m_msgCur))) { bIdle = TRUE; lIdleCount = 0; }
} while (::PeekMessage(&(pState->m_msgCur), NULL, NULL, NULL, PM_NOREMOVE)); } } |
粗粗看一下，是个夹杂了OnIdle概念的消息循环。
再看一下AfxBeginThread：
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CWinThread* AFXAPI AfxBeginThread(CRuntimeClass* pThreadClass, int nPriority, UINT nStackSize, DWORD dwCreateFlags, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttrs) { #ifndef_MT pThreadClass; nPriority; nStackSize; dwCreateFlags; lpSecurityAttrs;
return NULL; #else ASSERT(pThreadClass != NULL); ASSERT(pThreadClass->IsDerivedFrom(RUNTIME_CLASS(CWinThread)));
CWinThread* pThread = (CWinThread*)pThreadClass->CreateObject(); if (pThread == NULL) AfxThrowMemoryException(); ASSERT_VALID(pThread);
pThread->m_pThreadParams = NULL; if (!pThread->CreateThread(dwCreateFlags|CREATE_SUSPENDED, nStackSize, lpSecurityAttrs)) { pThread->Delete(); return NULL; } VERIFY(pThread->SetThreadPriority(nPriority)); if (!(dwCreateFlags & CREATE_SUSPENDED)) { ENSURE(pThread->ResumeThread() != (DWORD)-1); }
return pThread; #endif//!_MT } |
其中调用了CWinThread::CreateThread：
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BOOL CWinThread::CreateThread(DWORD dwCreateFlags, UINT nStackSize, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttrs) { #ifndef_MT dwCreateFlags; nStackSize; lpSecurityAttrs;
return FALSE; #else ENSURE(m_hThread == NULL); // already created?
// setup startup structure for thread initialization _AFX_THREAD_STARTUP startup; memset(&startup, 0, sizeof(startup)); startup.pThreadState = AfxGetThreadState(); startup.pThread = this; startup.hEvent = ::CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL); startup.hEvent2 = ::CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL); startup.dwCreateFlags = dwCreateFlags; if (startup.hEvent == NULL || startup.hEvent2 == NULL) { TRACE(traceAppMsg, 0, "Warning: CreateEvent failed in CWinThread::CreateThread.\n"); if (startup.hEvent != NULL) ::CloseHandle(startup.hEvent); if (startup.hEvent2 != NULL) ::CloseHandle(startup.hEvent2); return FALSE; }
// create the thread (it may or may not start to run) m_hThread = (HANDLE)(ULONG_PTR)_beginthreadex(lpSecurityAttrs, nStackSize, &_AfxThreadEntry, &startup, dwCreateFlags | CREATE_SUSPENDED, (UINT*)&m_nThreadID); if (m_hThread == NULL) { ::CloseHandle(startup.hEvent); ::CloseHandle(startup.hEvent2); return FALSE; }
// start the thread just for MFC initialization VERIFY(ResumeThread() != (DWORD)-1); VERIFY(::WaitForSingleObject(startup.hEvent, INFINITE) == WAIT_OBJECT_0); ::CloseHandle(startup.hEvent);
// if created suspended, suspend it until resume thread wakes it up if (dwCreateFlags & CREATE_SUSPENDED) VERIFY(::SuspendThread(m_hThread) != (DWORD)-1);
// if error during startup, shut things down if (startup.bError) { VERIFY(::WaitForSingleObject(m_hThread, INFINITE) == WAIT_OBJECT_0); ::CloseHandle(m_hThread); m_hThread = NULL; ::CloseHandle(startup.hEvent2); return FALSE; }
// allow thread to continue, once resumed (it may already be resumed) VERIFY(::SetEvent(startup.hEvent2)); return TRUE; #endif//!_MT } |
线程函数为_AfxThreadEntry：
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UINT APIENTRY _AfxThreadEntry(void* pParam) { _AFX_THREAD_STARTUP* pStartup = (_AFX_THREAD_STARTUP*)pParam; ASSERT(pStartup != NULL); ASSERT(pStartup->pThreadState != NULL); ASSERT(pStartup->pThread != NULL); ASSERT(pStartup->hEvent != NULL); ASSERT(!pStartup->bError);
CWinThread* pThread = pStartup->pThread; CWnd threadWnd; TRY { // inherit parent's module state _AFX_THREAD_STATE* pThreadState = AfxGetThreadState(); pThreadState->m_pModuleState = pStartup->pThreadState->m_pModuleState;
// set current thread pointer for AfxGetThread AFX_MODULE_STATE* pModuleState = AfxGetModuleState(); pThread->m_pModuleState = pModuleState; AFX_MODULE_THREAD_STATE* pState = pModuleState->m_thread; pState->m_pCurrentWinThread = pThread;
// forced initialization of the thread AfxInitThread();
// thread inherits app's main window if not already set CWinApp* pApp = AfxGetApp(); if (pApp != NULL && pThread->m_pMainWnd == NULL && pApp->m_pMainWnd->GetSafeHwnd() != NULL) { // just attach the HWND threadWnd.Attach(pApp->m_pMainWnd->m_hWnd); pThread->m_pMainWnd = &threadWnd; } } CATCH_ALL(e) { // Note: DELETE_EXCEPTION(e) not required.
// exception happened during thread initialization!! TRACE(traceAppMsg, 0, "Warning: Error during thread initialization!\n");
// set error flag and allow the creating thread to notice the error threadWnd.Detach(); pStartup->bError = TRUE; VERIFY(::SetEvent(pStartup->hEvent)); AfxEndThread((UINT)-1, FALSE); ASSERT(FALSE); // unreachable } END_CATCH_ALL
// pStartup is invlaid after the following // SetEvent (but hEvent2 is valid) HANDLE hEvent2 = pStartup->hEvent2;
// allow the creating thread to return from CWinThread::CreateThread VERIFY(::SetEvent(pStartup->hEvent));
// wait for thread to be resumed VERIFY(::WaitForSingleObject(hEvent2, INFINITE) == WAIT_OBJECT_0); ::CloseHandle(hEvent2);
// first -- check for simple worker thread DWORD nResult = 0; if (pThread->m_pfnThreadProc != NULL) { nResult = (*pThread->m_pfnThreadProc)(pThread->m_pThreadParams); ASSERT_VALID(pThread); } // else -- check for thread with message loop else if (!pThread->InitInstance()) { ASSERT_VALID(pThread); nResult = pThread->ExitInstance(); } else { // will stop after PostQuitMessage called ASSERT_VALID(pThread); nResult = pThread->Run(); }
// cleanup and shutdown the thread threadWnd.Detach(); AfxEndThread(nResult);
return 0; // not reached } |
林林总总地贴了这么些代码，差不多可以看出MFC的CWinThread的一些实现机制了。总的来说，MFC提供的“UI线程”，默认为线程实现了一个带OnIdle机制的消息循环，同时，它Attach了应用程序主窗口，m_pMainWindow被设为了应用程序主窗口，它在OnIdle以及ProcessMessageFilter中被用到。
注意到在_AfxThreadEntry中有一行AfxInitThread，这里面注册了一个消息钩子，钩子回调函数里面会调用ProcessMessageFilter。当处于帮助模式的时候，这个函数会向m_pMainWindow发送code为ID_HELP的WM_COMMAND消息。
MFC中的工作线程
工作线程由另一个AfxBeginThread启动：
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CWinThread* AFXAPI AfxBeginThread(AFX_THREADPROC pfnThreadProc, LPVOID pParam, int nPriority, UINT nStackSize, DWORD dwCreateFlags, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttrs) { #ifndef_MT pfnThreadProc; pParam; nPriority; nStackSize; dwCreateFlags; lpSecurityAttrs;
return NULL; #else ASSERT(pfnThreadProc != NULL);
CWinThread* pThread = DEBUG_NEW CWinThread(pfnThreadProc, pParam); ASSERT_VALID(pThread);
if (!pThread->CreateThread(dwCreateFlags|CREATE_SUSPENDED, nStackSize, lpSecurityAttrs)) { pThread->Delete(); return NULL; } VERIFY(pThread->SetThreadPriority(nPriority)); if (!(dwCreateFlags & CREATE_SUSPENDED)) VERIFY(pThread->ResumeThread() != (DWORD)-1);
return pThread; #endif//!_MT) } |
它调用了CWinThread的如下构造函数：
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CWinThread::CWinThread(AFX_THREADPROC pfnThreadProc, LPVOID pParam) { m_pfnThreadProc = pfnThreadProc; m_pThreadParams = pParam;
CommonConstruct(); } |
然后同样用CWinThread::CreateThread创建线程。新线程的入口函数同样为_AfxThreadEntry。与上例不同，这时，程序进入这个if判断的第一个分支：
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// first -- check for simple worker thread DWORD nResult = 0; if (pThread->m_pfnThreadProc != NULL) { nResult = (*pThread->m_pfnThreadProc)(pThread->m_pThreadParams); ASSERT_VALID(pThread); } // else -- check for thread with message loop else if (!pThread->InitInstance()) { ASSERT_VALID(pThread); nResult = pThread->ExitInstance(); } else { // will stop after PostQuitMessage called ASSERT_VALID(pThread); nResult = pThread->Run(); } |
直接调用我们传入的线程函数，而不再进入CWinThread::Run。这里，m_pMainWindow的处理与上例相同。
MFC中的UI线程与工作线程的异同
综上，我们可以看到，MFC里的UI线程里，CWinThread实现了一个消息循环，这是工作线程所不具备的。除此之外，差异之处很寥寥。从MFC代码里来看，MFC的开发者对两者的称呼只是“simple worker thread”和“thread with message loop”，事实上两者的代码层面的区别也正是如此。并且，CWinThread::Run被声明为虚的，这意味着我们可以覆盖它——同时在自己的版本里不实现消息循环。
而MSDN里，将两个_AfxBeginThread的使用分别称为创建“User Interface Thread”和创建“Worker Thread”。
尝试定义“UI线程”
现在开始，我们走出MFC，回到通用程序领域。看看“UI线程”是否有必要定义，以及应该如何定义。
首先有一点要明白，在MFC之外，UI线程的官方概念已经不存在了。这时，你去问一个人“你知道什么是UI线程吗？”是很奇怪很愚蠢的事情。如果他说不知道，你会怎么做？你大概会告诉他你心中的定义，这表明你试图让他相信你心中的定义是真理（业界通用说法），并且不指定适用范围（比如MFC内）。这是不道德的。
就像有一次，一位同事“嘲讽”我说：“Cookies是进程内全局共享的，你不知道吗？”我当然不知道呢，Cookies不是HTTP协议里一行文本而已吗？我愿意怎么处理就怎么处理嘛，愿意让它在进程内全局共享它就是进程内全局共享的了，我不愿意让它在进程内全局共享它就不是进程内全局共享的了，不是吗？后来，才知道他说的是“在WinINet中，Cookies是进程内全局共享的”。
既然我们使用了WinINet，那么有时候省略“在WinINet中”的限定或许是情有可原的。但我们如果没有使用MFC，那么不带前提地大谈“UI线程”就显得不太合适了。稍稍总结下，我们谈到“UI线程”一般是这些场景：
- 1. 不要在UI线程中做长时间的操作
- 2. 只能在UI线程中操作HWND
- 3. 我们搞个双UI线程
第三点暂时无视吧，个人觉得无意义，什么单UI线程、双UI线程，这个在系统层面根本没这个提法以及限制，完全取决于开发者。倒是前两者，是有那么一点意义的提法。为了描述方便，在本节中，暂且定义“UI线程”为，具有消息循环，并且在其中至少创建了一个可见窗口的线程。（这里可能有人会问，没有窗口，你需要消息循环干嘛？一个例子：带TimerProc的Timer需要消息循环。）
对于第一条，其实我并无多大异议，只要不去拷问别人什么叫“UI线程”，这样轻描淡写的提及，大家总是心知肚明的。第二条是创造“UI线程”概念的一个的很大的使用场景，然而这个命题本身却是错误的。起码，SendMessage和PostMessage是无论在哪个线程执行都是可行的，那么，那一大堆由GUI库包装SendMessage而成的窗口操作函数自然也是随处可用的，以及本质上由SendMessage实现的一些窗口API也是随处可用的。为了说清楚此问题，好像要总结一下哪些API需要在UI线程中执行，以及哪些不需要——但这是不可能的，下一节我略举几个例子。
本节结束之前，我想将上述1、2改个提法，以避免提及“UI线程”：
1. 不要在窗口回调函数中做长时间的操作
2. 只能在创建HWND的线程中操作HWND
只能在创建HWND的线程中操作HWND？
正例：
l DestroyWindow MSDN Remark 中特意指明：A thread cannot use DestroyWindow to destroy a window created by a different thread.
反例：
l SendMessage、PostMessage 这两个当然不必在创建窗口的线程使用了。
l ShowWindowAsnyc这个函数的用途是“Sets the show state of a window created by a different thread”，虽然文档中没特异指出可以在非创建线程中使用，但简单脑补一下就知道可以。注意，这并不意味着ShowWindow一定需要在创建窗口的线程中使用。ShowWindowAsync做的是“posts a show-window event to the message queue of the given window”，它的意义在于“to avoid becoming nonresponsive while waiting for a nonresponsive application to finish processing a show-window event”。
l GetWindowThreadProcessId用途：“Retrieves the identifier of the thread that created the specified window and, optionally, the identifier of the process that created the window”。同上，脑补。
精力有限，例子就不再举了（各位可以帮忙补充）。按笔者个人理解，文档中没有特意指出一定要在创建窗口的线程中使用的，一般是可以在其他线程甚至其他进程使用的。再来看一下SetWindowPos的一段Remark：
As part of the Vista re-architecture, all services were moved off the interactive desktop into Session 0. hwnd and window manager operations are only effective inside a session and cross-session attempts to manipulate the hwnd will fail.
这里它特别指出Vista之后，跨Session操作HWND会失败。这从侧面表明，跨线程玩一下HWND，或者跨进程玩一下，通常是不会失败的。如果失败了，那才是特例，就像DestroyWindow。
通则、局部规则、家长式规则
从上面的反例，我们可以知道，“只能在创建HWND的线程中操作HWND”这一命题是不成立的。它肯定不是Windows开发领域的通则。那么，这句话从何而来呢？确切地说，我不知道。
第一，它可能是某个GUI库的规则。可能因为这个GUI库的设计问题，导致必须在创建HWND的线程中操作HWND。这句话或许因此成为某些GUI库的局部规则。但可能因为我们在交流的时候，有意无意地忽略了前提条件（“在MFC中”、“在WinINet中”），导致被误解为通则。
第二，有可能有些前辈高人对于后辈跨线程操作HWND导致的一些问题感到厌倦，于是就对他们谆谆教诲：“孩子啊，只能在创建HWND的线程中操作HWND的。”然后世事变幻，沧海桑田，几代以后，这句为防止不太会的人用错的家长式规则被口口相传当成了通则。
顺便说一句，刚才的第一条不是说不要在“UI线程”中做长时间操作么？那么，要提高窗口响应速度，在“UI线程”中做的事自然是越少越好。如果某些API是可以跨线程使用的，在别的线程把该算的全算好，该IO的全做好，最后直接操作HWND，是最理想的状况。而不是在操作HWND的前面一段时间就转入“UI线程”。
API：IsGUIThread
非常有意思的事情，当笔者快写完上面的文字的时候，却发现了“IsGUIThread”这个函数。对此，本文当然有必要把这个函数中的GUI线程的概念考究清楚了。
调查发现，GUI线程是Windows内核中的概念。笔者对此并不无实际开发体验，且摘录一段查到的文字：
普通的Win32线程有两个栈：一个是用户栈，另一个是内核栈；而如果是内核中创建的系统工作线程，则只有内核栈。只要代码在内核中运行，线程就一定是使用其内核栈的。栈的主要作用是维护函数调用帧，以及为局部变量提供空间。
用户栈可以指定其大小，默认是1MB，通过编译指令/stack可改设其他值。
普通内核栈的大小是固定的，由系统根据CPU架构而定，x86系统上为12KB，x64系统上为24KB，安腾系统上为32KB。对于GUI线程，普通内核栈空间可能不够，所以系统又定义了“大内核栈”概念，可以在需要的时候增长栈空间。只有GUI线程才能使用大内核栈，这也是系统规定的。
关于GUI线程，笔者多说几句。Windows的发明，将GDI和USER模块，即“窗口与图形模块”的实现移到了内核中，称为Windows子系统内核服务，并形成一个win32k.sys内核文件。而用户层仅留调用接口，由User32.dll和GDI32.dll两个文件暴露出来。判断一个线程是不是GUI线程的依据，竟非常的简单：线程初建时，都是普通线程，第一次调用Windows子系统内核服务（只要用户程序调用了User32.dll和GDI32.dll中的函数，并导致相关内核服务在内核中被执行），系统即立刻将之转变为GUI线程，并从而切换到“大内核栈”；倘若至线程结束，并未有任何一个子系统内核服务被调用，那么它一直都是普通线程，一直使用普通内核栈。
Windows内核中的内核栈（摘自《竹林蹊径：深入浅出Windows驱动开发》）
http://yvqvan.blog.163.com/blog/static/254151032011321113127651/
从这段文字看，Windows内核的GUI线程概念和我们刚才所谈的“UI线程”完全是两个概念。因此，除了“UI线程不是官方概念”有待商榷以外，上文仍然成立。当然，官方概念叫“GUI线程”，还是说准确点为好。
总结
好了，下面简单概括一下我要表达的观点：
l 向无知者兜售自己创造的概念并试图让他奉为真理，是不厚道的。
l MFC的文档中确实有“UI线程”的提法，它与工作线程分别由两个不同版本的_AfxBeginThread创建，主要区别是“UI线程”具备一个消息循环。不过我们可以覆盖CWinThread::Run使得这个区别不存在。
l Win32用户态中，并不存在官方的“UI线程”概念。
l 并不是说所有操作HWND的函数都必须在创建HWND的线程中使用，事实上可能正好相反，或许只有少数函数有此限制。
l Window内核中确实有GUI线程和工作线程的区分，但这与我们之前所要表达的“UI线程”并不是一个意思。
以上，恳请各位批评指正。如果你看到了这里，那非常感谢你能看完。：）
