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Chrome的线程体系

 
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网上已经有网友duguguiyu针对Chrome的线程体系做了很专业的描述了,应该说从原理上已经很完整了。本文主要在网友的基础上从代码实现的角度上进行一些补充和分析。
提到线程,我想大家关注的无非几点:线程的消息循环机制、多线程同步机制,线程间通信机制。
本文也是从大家关注的几点来重点描述。
在Chrome的代码中,与线程相关的文件主要在\base\base.vcproj中。
主要包含了以下相关文件:
task.h 线程执行的任何任务都是以task对象方式传递,有不同类型的task。
message_pump.h
message_pump_default.h
message_pump_default.cc
message_pump_win.h
message_pump_win.cc 消息泵类,消息调度,分发处理。
message_loop.h
message_loop.cc 消息循环机制,基本上每一个线程都有自己的消息循环,接收来自其他线程、UI甚至系统的消息。
thread.h
thread.cc 线程虚类类。Thread类在操作系统上层做了抽象,本身与平台无关
platform_thread.h
platform_thread_win.cc Windows平台下线程的相关方法。在Windows平台下是CreateThread方法。
thread_local.h
thread_local.cc
thread_local_storage.h
thread_local_storage_win.cc 线程本地存储机制的实现(TLS)

其他还有一些辅助类,可以不用太关注,比如智能指针、一些简单的工具类等。我们重点分析上述的代码。


总体来说,Chrome的线程实现,主要运用了Command、Bridge和Observer三种模式。

线程类(Thread)的结构和简单流程

我们观看一下Thread.h中对Thread的定义

  1. //线程的抽象类
  2. // PlatformThread是底层的线程辅助类,实现不同平台下的真正的线程实现。
  3. // PlatformThread: Delegate,代理接口类,包含了ThreadMain函数。
  4. //Thread的子类实现,执行由PlatformThread传递到线程的回调函数中
  5. classThread : PlatformThread::Delegate {
  6. public:
  7. structOptions {
  8. //线程消息循环类型有三种,Default(普通的后台线程),UI,IO线程
  9. //不同线程消息循环处理消息的方式有一些差异。
  10. MessageLoop::Type message_loop_type;
  11. //制定线程堆栈大小
  12. size_t stack_size;
  13. Options() : message_loop_type(MessageLoop::TYPE_DEFAULT), stack_size(0) {}
  14. Options(MessageLoop::Type type, size_t size)
  15. : message_loop_type(type), stack_size(size) {}
  16. };
  17. explicitThread(constchar*name);

  18. virtual~Thread();

  19. boolStart();

  20. boolStartWithOptions(constOptions& options);

  21. voidStop();

  22. voidStopSoon();

  23. //获取消息循环实例,每一个线程的核心消息循环所在
  24. MessageLoop* message_loop()const{returnmessage_loop_; }

  25. conststd::string &thread_name() {returnname_; }

  26. PlatformThreadHandle thread_handle() {returnthread_; }

  27. PlatformThreadId thread_id()const{returnthread_id_; }

  28. boolIsRunning()const{returnthread_id_ != 0; }

  29. protected:
  30. virtualvoidInit() {}

  31. virtualvoidCleanUp() {}

  32. staticvoidSetThreadWasQuitProperly(boolflag);

  33. staticboolGetThreadWasQuitProperly();

  34. private:
  35. //实现了Platform_Thread类的Delegate接口
  36. virtualvoidThreadMain();

  37. boolthread_was_started()const{returnstartup_data_ != NULL; }

  38. structStartupData;

  39. StartupData* startup_data_;

  40. PlatformThreadHandle thread_;

  41. MessageLoop* message_loop_;

  42. PlatformThreadId thread_id_;
  43. // The name of the thread. Used for debugging purposes.
  44. std::string name_;

  45. friendclassThreadQuitTask;
  46. DISALLOW_COPY_AND_ASSIGN(Thread);
  47. };

//平台相关的线程函数,不同平台有不同的实现机制。

classPlatformThread {

  1. public:

  2. staticPlatformThreadId CurrentId();

  3. staticvoidYieldCurrentThread();

  4. staticvoidSleep(intduration_ms);

  5. staticvoidSetName(constchar* name);
  6. classDelegate {
  7. public:
  8. virtual~Delegate() {}
  9. virtualvoidThreadMain() = 0;
  10. };
  11. staticboolCreate(size_t stack_size, Delegate*delegate,
  12. PlatformThreadHandle* thread_handle);
  13. staticboolCreateNonJoinable(size_t stack_size, Delegate*delegate);
  14. staticvoidJoin(PlatformThreadHandle thread_handle);
  15. private:
  16. DISALLOW_IMPLICIT_CONSTRUCTORS(PlatformThread);
  17. };


Thread是一个与平台无关的线程抽象类。真正线程创建的相关函数在PlatformThread类中处理,而PlatformThread类的实现根据不同的操作系统又有不同的实现。在Windows平台下实现的是
platform_thread_win.cc。

我们跟踪一下线程函数的执行流程:

下面是platform_thread_win.cc中的实现:

  1. DWORD__stdcallThreadFunc(void* closure) {
  2. PlatformThread::Delegate*delegate=
  3. static_cast<PlatformThread::Delegate*>(closure);
  4. delegate->ThreadMain();
  5. returnNULL;
  6. }
  7. boolPlatformThread::Create(size_t stack_size, Delegate*delegate,
  8. PlatformThreadHandle* thread_handle) {
  9. unsignedintflags = 0;
  10. if(stack_size > 0 && win_util::GetWinVersion() >= win_util::WINVERSION_XP) {
  11. flags = STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION;
  12. }else{
  13. stack_size = 0;
  14. }
  15. *thread_handle = CreateThread(
  16. NULL, stack_size, ThreadFunc,delegate, flags, NULL);
  17. return*thread_handle != NULL;
  18. }


1.*thread_handle = CreateThread(

NULL, stack_size, ThreadFunc,delegate, flags, NULL);

ThreadFunc是线程函数,线程的执行体从此开始。

2. ThreadFunc函数实际调用的是delegate->ThreadMain();函数,由于Thread类实现了PlatformThread:Delegate代理类, 因此实际上调用的是Thread类的ThreadMain函数。

3.观察Thread类的ThreadMain函数实现,ThreadMain函数实际启动了消息循环MessageLoop,MessageLoop类接收不同的任务,并进行处理。

voidThread::ThreadMain() {

//创建消息循环.

MessageLoop message_loop(startup_data_->options.message_loop_type);

thread_id_ = PlatformThread::CurrentId();

PlatformThread::SetName(name_.c_str());

message_loop.set_thread_name(name_);

message_loop_ = &message_loop;

//进一步初始化

Init();

//设置启动完毕信号量信号

startup_data_->event.Signal();

//消息循环开始启动,线程阻塞于此

message_loop.Run();

//线程结束,收尾工作

CleanUp();

DCHECK(GetThreadWasQuitProperly());

message_loop_ = NULL;

thread_id_ = 0;

}

4.我们进一步跟踪一下MessageLoop的Run函数实现。可以发现实际上真正的线程调度工作是MessagePump类来实现的。

  1. voidMessageLoop::Run() {
  2. AutoRunState save_state(this);
  3. RunHandler();
  4. }
  5. voidMessageLoop::RunHandler() {
  6. #ifdefined(OS_WIN)
  7. if(exception_restoration_) {
  8. LPTOP_LEVEL_EXCEPTION_FILTER current_filter = GetTopSEHFilter();
  9. __try{
  10. RunInternal();
  11. }__except(SEHFilter(current_filter)) {
  12. }
  13. return;
  14. }
  15. #endif
  16. RunInternal();
  17. }
  1. voidMessageLoop::RunInternal() {
  2. DCHECK(this== current());
  3. StartHistogrammer();
  4. #ifdefined(OS_WIN)
  5. //暂时我们可以过滤掉这个分支
  6. if(state_->dispatcher) {
  7. pump_win()->RunWithDispatcher(this, state_->dispatcher);
  8. return;
  9. }
  10. #endif
  11. pump_->Run(this);
  12. }

5.由于MessagePump类是一个虚类,其根据不同的线程类型有不同的调度方法,我们先看看MessagePumpDefault类怎么实现的。

voidMessagePumpDefault::Run(Delegate*delegate) {

DCHECK(keep_running_) <<"Quit must have been called outside of Run!";

for(;;) {

ScopedNSAutoreleasePool autorelease_pool;

booldid_work =delegate->DoWork();

if(!keep_running_)

break;

did_work |=delegate->DoDelayedWork(&delayed_work_time_);

if(!keep_running_)

break;

if(did_work)

continue;

did_work =delegate->DoIdleWork();

if(!keep_running_)

break;

if(did_work)

continue;

if(delayed_work_time_.is_null()) {

event_.Wait();

}else{

TimeDelta delay = delayed_work_time_ - Time::Now();

if(delay > TimeDelta()) {

event_.TimedWait(delay);

}else{

// It looks like delayed_work_time_ indicates a time in the past, so we

// need to call DoDelayedWork now.

delayed_work_time_ = Time();

}

}

// Since event_ is auto-reset, we don't need to do anything special here

// other than service each delegate method.

}

keep_running_ =true;

}


这个函数实现了任务的调度算法,真正的工作又其实是MessageLoop类实现的(MessageLoop类实现了MessagePump:Delegate类)。
MessageLoop类包含了多个任务队列(即时执行任务,延时执行任务,Idle任务),并提供接口用户提交任务,

这个函数的实现有一些灵巧的调度算法包含在里面,我们将在第二节的消息循环中去详细讲解。

从上面的分析来看,Thread类并不真正的实现任何业务功能,仅仅实现了任务的调度,线程的启动、停止等功能,线程需要执行的工作都是由用户来提交的。这个任务就是Task类的提交的,这里用到了典型的Command模式。

线程实现中的一些模式

下面的图是设计模式中Command模式的典型结构图:


Command设计模式

引用《设计模式》中的话:

把一个请求封装成一个对象,从而使你可以用不同的请求对客户进行参数化,对请求排队或者记录请求日志,以及支持可撤销的操作。

引用网友Venus的话

Command模式
Command 模式,是一种看上去很酷的模式,传统的面向对象编程,我们封装的往往都是数据,在Command模式下,我们希望封装的是行为。这件事在函数式编程中很正 常,封装一个函数作为参数,传来传去,稀疏平常的事儿;但在面向对象的编程中,我们需要通过继承、模板、函数指针等手法,才能将其实现。。。
应用Command模式,我们是期望这个行为能到一个不同于它出生的环境中去执行,简而言之,这是一种想生不想养的行为。我们做Undo/Redo的时 候,会把在任一一个环境中创建的Command,放到一个队列环境中去,供统一的调度;在Chrome中,也是如此,我们在一个线程环境中创建了 Task,却把它放到别的线程中去执行,这种寄居蟹似的生活方式,在很多场合都是有用武之地的。。。

对应在Chrome中线程的实现Task实现了Command模式中的Command接口,而类似CancelableTask,DeleteTask,ReleaseTask等类实现了COncreteCommand类。MessageLoop类相当于是一个Receiver,负责接收各种任务,并进行处理。

举一个例子:

Chrome中Command模式

这种设计方法,把线程的调度和实际的任务进行了分离,减少了模块之间的耦合性。同时具有:

1. 与我们传统的实现方式不同,抛弃了Callback函数方式,先注册,以后调用。采用Task方式,具有更多的自由度。

2. 一个Task对象和原先的请求发出者(Invoker)可以有不同的生命期。换言之,原先的请求发出者(Invoker)可能已经不在了,而Task对象本身仍然是活动的。

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