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关于“UI线程”

2013-05-05 22:43:00

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:

 1CWinThread* AFXAPI AfxBeginThread(AFX_THREADPROC pfnThreadProc,
 2                                    LPVOID pParam,
 3                                    int nPriority = THREAD_PRIORITY_NORMAL,
 4                                    UINT nStackSize = 0,
 5                                    DWORD dwCreateFlags = 0,
 6                                    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttrs = NULL);
 7
 8CWinThread* AFXAPI AfxBeginThread(CRuntimeClass* pThreadClass,
 9                                    int nPriority = THREAD_PRIORITY_NORMAL,
10                                    UINT nStackSize = 0,
11                                    DWORD dwCreateFlags = 0,
12                                    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttrs = NULL);

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:

 1class CMyThread : public CWinThread
 2{
 3    DECLARE_DYNCREATE(CMyThread)
 4
 5public:
 6    virtual BOOL InitInstance()
 7    {
 8        return TRUE;
 9    }
10};
11
12IMPLEMENT_DYNCREATE(CMyThread, CWinThread)

然后,随便找个地方来启动线程:

1AfxBeginThread(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:

 1// main running routine until thread exits
 2int CWinThread::Run()
 3{
 4    ASSERT_VALID(this);
 5    _AFX_THREAD_STATE* pState = AfxGetThreadState();
 6
 7    // for tracking the idle time state
 8    BOOL bIdle = TRUE;
 9    LONG lIdleCount = 0;
10
11    // acquire and dispatch messages until a WM_QUIT message is received.
12    for (;;)
13    {
14        // phase1: check to see if we can do idle work
15        while (bIdle &&
16             !::PeekMessage(&(pState->m_msgCur), NULL, NULL, NULL, PM_NOREMOVE))
17        {
18             // call OnIdle while in bIdle state
19             if (!OnIdle(lIdleCount++))
20                 bIdle = FALSE; // assume "no idle" state
21        }
22
23        // phase2: pump messages while available
24        do
25        {
26             // pump message, but quit on WM_QUIT
27             if (!PumpMessage())
28                 return ExitInstance();
29
30             // reset "no idle" state after pumping "normal" message
31             //if (IsIdleMessage(&m_msgCur))
32             if (IsIdleMessage(&(pState->m_msgCur)))
33             {
34                 bIdle = TRUE;
35                 lIdleCount = 0;
36             }
37
38        } while (::PeekMessage(&(pState->m_msgCur), NULL, NULL, NULL, PM_NOREMOVE));
39    }
40}

粗粗看一下,是个夹杂了OnIdle概念的消息循环。

再看一下AfxBeginThread:

 1CWinThread* AFXAPI AfxBeginThread(CRuntimeClass* pThreadClass,
 2    int nPriority, UINT nStackSize, DWORD dwCreateFlags,
 3    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttrs)
 4{
 5#ifndef _MT
 6    pThreadClass;
 7    nPriority;
 8    nStackSize;
 9    dwCreateFlags;
10    lpSecurityAttrs;
11
12    return NULL;
13#else
14    ASSERT(pThreadClass != NULL);
15    ASSERT(pThreadClass->IsDerivedFrom(RUNTIME_CLASS(CWinThread)));
16
17    CWinThread* pThread = (CWinThread*)pThreadClass->CreateObject();
18    if (pThread == NULL)
19        AfxThrowMemoryException();
20    ASSERT_VALID(pThread);
21
22    pThread->m_pThreadParams = NULL;
23    if (!pThread->CreateThread(dwCreateFlags|CREATE_SUSPENDED, nStackSize,
24        lpSecurityAttrs))
25    {
26        pThread->Delete();
27        return NULL;
28    }
29    VERIFY(pThread->SetThreadPriority(nPriority));
30    if (!(dwCreateFlags & CREATE_SUSPENDED))
31    {
32        ENSURE(pThread->ResumeThread() != (DWORD)-1);
33    }
34
35    return pThread;
36#endif //!_MT
37}

其中调用了CWinThread::CreateThread:

 1BOOL CWinThread::CreateThread(DWORD dwCreateFlags, UINT nStackSize,
 2    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttrs)
 3{
 4#ifndef _MT
 5    dwCreateFlags;
 6    nStackSize;
 7    lpSecurityAttrs;
 8
 9    return FALSE;
10#else
11    ENSURE(m_hThread == NULL);  // already created?
12
13    // setup startup structure for thread initialization
14    _AFX_THREAD_STARTUP startup; memset(&startup, 0, sizeof(startup));
15    startup.pThreadState = AfxGetThreadState();
16    startup.pThread = this;
17    startup.hEvent = ::CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);
18    startup.hEvent2 = ::CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);
19    startup.dwCreateFlags = dwCreateFlags;
20    if (startup.hEvent == NULL || startup.hEvent2 == NULL)
21    {
22        TRACE(traceAppMsg, 0, "Warning: CreateEvent failed in CWinThread::CreateThread.\n");
23        if (startup.hEvent != NULL)
24             ::CloseHandle(startup.hEvent);
25        if (startup.hEvent2 != NULL)
26             ::CloseHandle(startup.hEvent2);
27        return FALSE;
28    }
29
30    // create the thread (it may or may not start to run)
31    m_hThread = (HANDLE)(ULONG_PTR)_beginthreadex(lpSecurityAttrs, nStackSize,
32        &_AfxThreadEntry, &startup, dwCreateFlags | CREATE_SUSPENDED, (UINT*)&m_nThreadID);
33    if (m_hThread == NULL)
34    {
35        ::CloseHandle(startup.hEvent);
36        ::CloseHandle(startup.hEvent2);
37        return FALSE;
38    }
39
40    // start the thread just for MFC initialization
41    VERIFY(ResumeThread() != (DWORD)-1);
42    VERIFY(::WaitForSingleObject(startup.hEvent, INFINITE) == WAIT_OBJECT_0);
43    ::CloseHandle(startup.hEvent);
44
45    // if created suspended, suspend it until resume thread wakes it up
46    if (dwCreateFlags & CREATE_SUSPENDED)
47        VERIFY(::SuspendThread(m_hThread) != (DWORD)-1);
48
49    // if error during startup, shut things down
50    if (startup.bError)
51    {
52        VERIFY(::WaitForSingleObject(m_hThread, INFINITE) == WAIT_OBJECT_0);
53        ::CloseHandle(m_hThread);
54        m_hThread = NULL;
55        ::CloseHandle(startup.hEvent2);
56        return FALSE;
57    }
58
59    // allow thread to continue, once resumed (it may already be resumed)
60    VERIFY(::SetEvent(startup.hEvent2));
61    return TRUE;
62#endif //!_MT
63}

线程函数为_AfxThreadEntry:

 1UINT APIENTRY _AfxThreadEntry(void* pParam)
 2{
 3    _AFX_THREAD_STARTUP* pStartup = (_AFX_THREAD_STARTUP*)pParam;
 4    ASSERT(pStartup != NULL);
 5    ASSERT(pStartup->pThreadState != NULL);
 6    ASSERT(pStartup->pThread != NULL);
 7    ASSERT(pStartup->hEvent != NULL);
 8    ASSERT(!pStartup->bError);
 9
10    CWinThread* pThread = pStartup->pThread;
11    CWnd threadWnd;
12    TRY
13    {
14        // inherit parent's module state
15        _AFX_THREAD_STATE* pThreadState = AfxGetThreadState();
16        pThreadState->m_pModuleState = pStartup->pThreadState->m_pModuleState;
17
18        // set current thread pointer for AfxGetThread
19        AFX_MODULE_STATE* pModuleState = AfxGetModuleState();
20        pThread->m_pModuleState = pModuleState;
21        AFX_MODULE_THREAD_STATE* pState = pModuleState->m_thread;
22        pState->m_pCurrentWinThread = pThread;
23
24        // forced initialization of the thread
25        AfxInitThread();
26
27        // thread inherits app's main window if not already set
28        CWinApp* pApp = AfxGetApp();
29        if (pApp != NULL &&
30             pThread->m_pMainWnd == NULL && pApp->m_pMainWnd->GetSafeHwnd() != NULL)
31        {
32             // just attach the HWND
33             threadWnd.Attach(pApp->m_pMainWnd->m_hWnd);
34             pThread->m_pMainWnd = &threadWnd;
35        }
36    }
37    CATCH_ALL(e)
38    {
39        // Note: DELETE_EXCEPTION(e) not required.
40
41        // exception happened during thread initialization!!
42        TRACE(traceAppMsg, 0, "Warning: Error during thread initialization!\n");
43
44        // set error flag and allow the creating thread to notice the error
45        threadWnd.Detach();
46        pStartup->bError = TRUE;
47        VERIFY(::SetEvent(pStartup->hEvent));
48        AfxEndThread((UINT)-1, FALSE);
49        ASSERT(FALSE);  // unreachable
50    }
51    END_CATCH_ALL
52
53    // pStartup is invlaid after the following
54    // SetEvent (but hEvent2 is valid)
55    HANDLE hEvent2 = pStartup->hEvent2;
56
57    // allow the creating thread to return from CWinThread::CreateThread
58    VERIFY(::SetEvent(pStartup->hEvent));
59
60    // wait for thread to be resumed
61    VERIFY(::WaitForSingleObject(hEvent2, INFINITE) == WAIT_OBJECT_0);
62    ::CloseHandle(hEvent2);
63
64    // first -- check for simple worker thread
65    DWORD nResult = 0;
66    if (pThread->m_pfnThreadProc != NULL)
67    {
68        nResult = (*pThread->m_pfnThreadProc)(pThread->m_pThreadParams);
69        ASSERT_VALID(pThread);
70    }
71    // else -- check for thread with message loop
72    else if (!pThread->InitInstance())
73    {
74        ASSERT_VALID(pThread);
75        nResult = pThread->ExitInstance();
76    }
77    else
78    {
79        // will stop after PostQuitMessage called
80        ASSERT_VALID(pThread);
81        nResult = pThread->Run();
82    }
83
84    // cleanup and shutdown the thread
85    threadWnd.Detach();
86    AfxEndThread(nResult);
87
88    return 0;   // not reached
89}

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:

 1CWinThread* AFXAPI AfxBeginThread(AFX_THREADPROC pfnThreadProc, LPVOID pParam,
 2    int nPriority, UINT nStackSize, DWORD dwCreateFlags,
 3    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttrs)
 4{
 5#ifndef _MT
 6    pfnThreadProc;
 7    pParam;
 8    nPriority;
 9    nStackSize;
10    dwCreateFlags;
11    lpSecurityAttrs;
12
13    return NULL;
14#else
15    ASSERT(pfnThreadProc != NULL);
16
17    CWinThread* pThread = DEBUG_NEW CWinThread(pfnThreadProc, pParam);
18    ASSERT_VALID(pThread);
19
20    if (!pThread->CreateThread(dwCreateFlags|CREATE_SUSPENDED, nStackSize,
21        lpSecurityAttrs))
22    {
23        pThread->Delete();
24        return NULL;
25    }
26    VERIFY(pThread->SetThreadPriority(nPriority));
27    if (!(dwCreateFlags & CREATE_SUSPENDED))
28        VERIFY(pThread->ResumeThread() != (DWORD)-1);
29
30    return pThread;
31#endif //!_MT)
32}

它调用了CWinThread的如下构造函数:

1CWinThread::CWinThread(AFX_THREADPROC pfnThreadProc, LPVOID pParam)
2{
3    m_pfnThreadProc = pfnThreadProc;
4    m_pThreadParams = pParam;
5
6    CommonConstruct();
7}

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:

 1    // first -- check for simple worker thread
 2    DWORD nResult = 0;
 3    if (pThread->m_pfnThreadProc != NULL)
 4    {
 5        nResult = (*pThread->m_pfnThreadProc)(pThread->m_pThreadParams);
 6        ASSERT_VALID(pThread);
 7    }
 8    // else -- check for thread with message loop
 9    else if (!pThread->InitInstance())
10    {
11        ASSERT_VALID(pThread);
12        nResult = pThread->ExitInstance();
13    }
14    else
15    {
16        // will stop after PostQuitMessage called
17        ASSERT_VALID(pThread);
18        nResult = pThread->Run();
19    }

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:

反例:

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:

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。:)


首发:http://www.cppblog.com/Streamlet/archive/2013/05/05/199999.html



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