Programowanie Współbieżne

Transkrypt

1 Programowanie Współbieżne C# 1

2 Materiały

3 Pierwsze kroki 3

4 Pierwsze kroki 4

5 Pierwsze kroki 5

6 Pierwsze kroki 6

7 Pierwsze kroki Z zestawu narzędzi wybieramy przycisk 7

8 Pierwsze kroki Ustawiamy przycisk 8

9 Pierwsze kroki We właściwościach zmieniamy nazwę przycisku jego tekst 9

10 Pierwsze kroki Po dwukrotnym kliknięciu otworzy nam się wygenerowany automatycznie kod programu do uzupełnienia 10

11 Pierwsze kroki Następnie uzupełniamy nasz kod jedną linią: MessageBox.Show("Hello world"); Kompilacja i uruchomienie F5 lub ctrl+f5 11

12 Wątki Kiedy przydają nam się wątki? Gdy chcemy by nasz program reagował gdy wykonuje w tle jakieś ciężkie zadanie Różnego rodzaju procesy serwery. Podczas oczekiwania na dane na jednym wątku, program może coś wykonywać na innym. Gdy mamy program, który wykonuje sporo obliczeń (np. kompresja plików multimedialnych) i chcemy je w jakiś sposób zrównoleglić. Efekt będzie odczuwalny gdy fizycznie będziemy dysponować wieloma rdzeniami. Liczbę tę można sprawdzić za pomocą Environment.ProcessorCount 12

13 Wątki Kiedy wątki mogą nam szkodzić? Gdy będzie ich za dużo. Czas przełączania i alokacji zbyt kosztowny, Gdy zadanie wykonywane przez wątek będzie krócej trwało niż powołanie danego wątku. Gdy w pełni nie przewidzimy interakcji pomiędzy wątkami, debugowanie jest bardzo kłopotliwe. Gdy używamy dużo dysku, nie powinniśmy powoływać wiele wątków, a raczej jeden, dwa i szeregować zadania odczytu i zapisu. (ktoś próbował skopiować z płyty CD/DVD kilka plików naraz?) 13

14 Wątki Gdy operujemy na wątkach musimy dodać do programu using System.Threading; Każdy program ma przynajmniej jeden wątek, zwany wątkiem głównym Każdy wątek ma swój oddzielny stos więc zmienne lokalne są modyfikowane niezależnie. Zmienne globalne są współdzielone przez wątki (często wymagana synchronizacja) 14

15 Wątki Przykład uruchomienia metod działających jako wątki. private void naszwatekbezparametrow() MessageBox.Show("wątek ZUPELNIE bez parametrów"); private void naszwatek(object o) MessageBox.Show("jestem sobie " + Thread.CurrentThread.Name + "\nwiadomość to: " + (string)o); private void naszwatek() MessageBox.Show("wątek bez parametrów, przeciążony"); 15

16 Wątki Przykład uruchomienia bez parametrów Thread watek = new Thread(new ThreadStart(naszWatekBezParametrow)); //Thread watek = new Thread(naszWatekBezParametrow); //kompilator sam sobie resztę doda //Thread watek = new Thread(new ThreadStart(naszWatek)); //Thread watek = new Thread(naszWatek); //Gdy mamy przeciążone metody (bez i z parametrami kompilator nie wie czy zastosować ThreadStart czy ParameterizedThreadStart watek.start(); //jako wątek bez parametrów przy próbie Start(wiadomosc) zakończy się błędem podczas uruchomienia //string wiadomosc = "jakaś wiadomość"; //watek.start(wiadomosc); 16

17 Wątki Przykład uruchomienia z parametrami private void naszwatekzparametrem(object wiadomosc) MessageBox.Show((string)wiadomosc); Thread watek = new Thread(new ParameterizedThreadStart(naszWatekZParametrem)); //Thread watek = new Thread(naszWatekZParametrem); //Thread watek = new Thread(new //ParameterizedThreadStart(naszWatek)); //watek.start(); //Możliwy taki start ale nie będzie parametrów watek.start("jakaś wiadomość będąca parametrem"); 17

18 Wątki Przykład uruchomienia anonimowego private void naszwatekzkonkretnymparametrem(string wiadomosc) MessageBox.Show("Nasz wątek z konkretnym parametrem dostał wiadomość: \n" + wiadomosc); string zmiennawiadomosc; zmiennawiadomosc = "Wiadomość przed utworzeniem wątku"; Thread watek = new Thread(delegate() naszwatekzkonkretnymparametrem(zmiennawiadomosc); ); // zastosowanie anonimowej metody, nie musimy podawać parametru object tylko możemy konkretnego typu np. string zmiennawiadomosc = "Wiadomość po utworzeniu wątka"; // Thread watek = new Thread(delegate() MessageBox.Show("wiadomość 1"); MessageBox.Show("Wiadomość 2"); ); watek.start(); 18

19 Wątki Przykład uruchomienia anonimowego z lambdą private void button3b_click(object sender, EventArgs e) Thread watek = new Thread((s) => //kod wątku MessageBox.Show(s as string); ); watek.start("jakaś wiadomość będąca parametrem w wątku anonimowym wystartowanym z zapisem lambda"); 19

20 Wątki Przykład uruchomienia z obiektu public class RozneWatki public void watek1() MessageBox.Show("jestem sobie wątek1"); public void watek2() MessageBox.Show("jestem sobie wątek2"); RozneWatki roznewatki = new RozneWatki(); Thread watek1 = new Thread(rozneWatki.watek1); Thread watek2 = new Thread(rozneWatki.watek2); watek1.start(); watek2.start(); 20

21 Wątki Nazywanie wątków pomoc w debugowaniu Thread watek = new Thread(naszWatek); watek.name = "Ot taka nazwa"; private void naszwatek() MessageBox.Show(Thread.CurrentThread.Name); 21

22 Wątki Wątki pierwszoplanowe i w tle Thread watek = new Thread(naszWatek); watek.isbackground = true; //gdy true zamknięcie głównego zamyka też potomny watek.start(); private void naszwatek() MessageBox.Show(Thread.CurrentThread.Name); Domyślnie IsBackground = false dlatego po zamknięciu głównej aplikacji nadal widzimy wątki z niej powstałe. Gdy ustawimy na true wyjście z wątka głównego powoduje natychmiastowe zakończenie wątków potomnych. Blok finaly jest pomijany. Jest to sytuacja nie pożądana dlatego powinniśmy poczekać na koniec wątków potomnych. Zmiana pracy z tła do pierwszoplanowej i odwrotnie nie wpływa na priorytet. 22

23 Wątki Priorytetowość enum ThreadPriority Lowest, BelowNormal, Normal, AboveNormal, Highest Oznacza jak dużo czasu procesora przyznane jest dla danego wątka w grupie wątków jednego procesu. Ustawienie na Highest wcale nie oznacza, że będzie to wątek czasu rzeczywistego. Trzeba by było również ustawić priorytet dla procesu. Process.GetCurrentProcess().PriorityClass = ProcessPriorityClass.High; Jest jeszcze wyższy priorytet Realtime, wtedy nasz proces będzie działał nieprzerwanie, jednak gdy wejdzie w pętle nieskonczoną nie odzyskamy kontroli nad systemem. W przypadku gdy nasza aplikacja posiada (zwłaszcza skomplikowany) interfejs graficzny, też nie powinniśmy podnosić priorytetu, gdyż odświerzanie spowoduje zpowolnienie całego systemu. 23

24 Wątki Wyjątki Try watek.start(); catch MessageBox.Show("błąd przy uruchamianiu"); Takie uruchomienie zwróci nam jedynie wyjątek przy uruchamianiu, nie przechwycimy wyjątku "rzuconego" w wątku. Wyjątki z wątków mogą zakończyć aplikację, trzeba je przechwytywać na poziomie wątków. 24

25 Synchronizacja Blokowanie Procesy zablokowane z powodu oczekiwania na jakieś zdarzenie, np. Sleep, Join, lock, Semaphore itp. Natychmiastowo zrzekają się czasu procesora, dodają WaitSleepJoin do właściwości ThreadState i nie kolejkują się do czasu odblokowania. Odblokowanie może nastąpić z 4 przyczyn: Warunek odblokowania został spełniony Minął timeout Został przerwany przez Thread.Interrupt Zosatł przerwany przez Thread.Abort 25

26 Synchronizacja Oczekiwanie Sleep i SpinWait static void Main() Thread.Sleep (0); // zrzeknięcie czasowego Thread.Sleep (1000); // uśpij na Thread.Sleep (TimeSpan.FromHours godzinę Thread.Sleep (Timeout.Infinite); do czasu przerwania. się przydzielonego kwantu 1000 ms (1)); // uśpij na 1 // śpij wiecznie :) czyli Ogólnie Sleep powoduje rezygnację wątku z czasu procesora. Wątek taki nie jest kolejkowany przez podany czas. Thread.SpinWait (100); // nic nie rób przez 100 cykli Wątek nie rezygnuje z procesora, jednak wykonuje na nim puste operacje. Nie jest w stanie WaitSleepJoin i nie może być przerwany przez Interrupt. Można zastosować gdy chcemy czekać bardzo krótko. 26 Podobnie zachowuje się wątek podczas aktywnego czekania.

27 Synchronizacja Oczekiwanie Join Thread watek1 = new Thread(new ParameterizedThreadStart(naszWatekZParametrem)); watek1.start("wątek z Join."); watek1.join(); Czekamy na zakończenie watku. Mechanizm, zbierania komunikatów nie jest zatrzymany, więc jak klikniemy jakiś guzik w wątku głównym to ostatecznie doczekamy się reakcji. 27

28 Sekcja krytyczna Kilka wątków (n_wątków) robi to samo zadanie: for (int ii = 0; ii < ; ii++) licznik++; Bez zabezpieczeń wynik będzie wynosił <= n_wątków*

29 Sekcja krytyczna lock private object blokowacz = new object();... for (int ii = 0; ii < ; ii++) lock (blokowacz) licznik++; W danym momencie tylko jeden wątek, może przebywać w chronionym obszarze inne będą czekały w kolejce FIFO Wątki czekające są w stanie WaitSleepJoin. Wątki takie można też zakończyć przez przerwanie lub abort 29

30 Sekcja krytyczna Wybór obiektu który będzie blokował Musi to być typ referencyjny Zwykle jest związany z obiektami na których działamy np.: class Bezpieczna List <string> list = new List <string>(); void Test() lock (list) list.add ("Item 1");... Powinniśmy stosować obiekty które są private by uniknąć niezamierzonej interakcji z zewnątrz Z tego samego powodu nie powinniśmy stosować np. lock (this) lub lock (typeof (Widget))... Użycie obiektu do zablokowania fragmentu kodu nie powoduje automatycznie blokowania danego obiektu. lock(list1) list2.add ("Item 1");... 30

31 Sekcja krytyczna Monitor rozwinięcie lock Lock faktycznie jest skrótem składniowym czegoś takiego: Monitor.Enter(blokowacz); try licznik++; finally Monitor.Exit(blokowacz); Wywołanie Monitor.Exit bez uprzedniego Monitor.Enter spowoduje rzucenie wyjątku Monitor posiada też metodę TryEnter gdzie możemy podać timeout jeżeli wejdziemy przed końcem czasu to zwróci true lub false jeżeli wystąpi timout. 31

32 Sekcja krytyczna Interlocked operacje atomowe for (int ii = 0; ii < ; ii++) Interlocked.Increment(ref licznik); Dodatkowo mamy do dyspozycji Add Dodadawanie do dwóch liczb CompareExchange porównanie i ewentualna podmiana Decrement zmniejszenie Equals czy równe Exchange Zamiana Read odczyt liczby 64b ReferenceEquals porównanie dwóch referencji 32

33 Sekcja krytyczna Blokowanie zagnieżdżone static object x = new object(); static void Main() lock (x) Console.WriteLine ("Zablokowałem"); Nest(); Console.WriteLine ("Odblokowałem"); //Tutaj odblokowane zupełnie static void Nest() lock (x) //Tu podwójny lock //Tu odblokowane tylko ostatnie zagnieżdżenie Wątek blokujący może blokować ile chce, jednak blokowany i tak będzie czekał na tym najbardziej zewnętrznym. 33

34 Sekcja krytyczna Kiedy blokować Wszędzie tam, gdzie wiele wątków może mieć dostęp do wspólnych zmiennych Wszędzie tam, gdzie chcemy mieć niepodzielność operacji, np. sprawdzenie warunku i wykonanie czegoś Na co uważać Nie powinniśmy zbyt dużo blokować bo ciężko analizować taki kod a łatwo spowodować DeadLock Zbyt duże fragmenty kodu wykonywane przez pojedynczy proces powodują zubożenie współbieżności. 34

35 Przerwanie wątku Thread.Interrupt przerywa bieżące czekanie i powoduje rzucenie wyjątku ThreadInterruptedException private void wateknieskonczony() try Thread.Sleep(Timeout.Infinite); catch (ThreadInterruptedException ex) MessageBox.Show("przechwycony wyjątek:"+ex.message); MessageBox.Show("A tu koniec"); Należy pamiętać, że przerywanie w ten sposób może być niebezpieczne, chyba, że wiemy dokładnie w którym miejscu jesteśmy i posprzątamy. 35

36 Przerwanie wątku Thread.Abort Działa podobnie jak Interrupt z tą różnicą, że rzuca wyjątkiem ThreadAbortException oraz wyjątek jest ponownie rzucany pod koniec bloku catch, chyba że w bloku catch zastosujemy Thread.ResetAbort(); Działanie jest podobne, jednak w przypadku Interrupt wątek przerywany jest tylko w momencie czekania, Abort może tego dokonać w dowolnym miejscu wykonywania, nawet w nienaszym kodzie. 36

37 Stany wątku ThreadState kombinacja bitowa trzech warstw. Uruchomienie, blokada, przerwanie wątku (Unstarted, Running, WaitSleepJoin, Stopped, AbortRequested) Pierwszoplanowość i drugoplanowość wątku (Background, Foreground) Postęp w zawieszeniu wątku (SuspendRequested, Suspended ) używane przez przestarzałe metody Ostateczny stan wątku określa się przez sumę bitową tych trzech Warstw. I tak, może być np wątek Background, Unstarted lub SuspendRequested, Background, WaitSleepJoin 37

38 Stany wątku W enumeracji ThreadState są też nigdy nie używane dwa stany: StopRequested i Aborted By jeszcze bardziej skomplikować, Running ma wartość 0 więc porównanie if ((t.threadstate & ThreadState.Running) > 0)... nic nam nie da Można się wspomóc IsAlive jednak zwraca false tylko przed startem i gdy się zakończy. Gdy jest zablokowany też jest true. Najlepiej napisać sobie swoją metodę: public static ThreadState SimpleThreadState (ThreadState ts) return ts & (ThreadState.Aborted ThreadState.AbortRequested ThreadState.Stopped ThreadState.Unstarted Thr eadstate.waitsleepjoin); 38

39 Stany wątku WaitSleepJoin Abort Wątek blokowany Unstarted Start Wątek odblokowany Abort Running Abort Requested ResetAbort Zakończenie wątku Stopped Teoretycznie Zakończenie wątku Aborted 39

40 Wait Handles Win32 Api dostarcza trzech klas EventWaitHandle Mutex Semaphore Wszystkie 3 bazują na abstrakcyjnej klasie WaitHandle EventWaitHandle ma dwie podklasy AutoResetEvent ManualResetEvent Różnią się one tylko sposobem wywołania konstruktora. WaitHandles pozwalają na nazwanie klas i używanie pomiędzy odrębnymi procesami 40

41 Wait Handles AutoResetEvent Można porównać do bramki która przepuszcza tylko jeden proces za naciśnięciem jednego guzika. Gdy bramka jest otwarta proces lub wątek który wywoła metodę WaitOne() przechodzi przez bramkę jednocześnie ją zamykając Gdy bramka jest zamknięta proces ustawia się w kolejce. Każdy inny nie zablokowany proces może odblokować bramkę za pomocą wywołania metody Set() Jedno wywołanie Set() wpuści tylko jeden proces. Gdy nie będzie procesów w kolejce, Set() otworzy bramkę Gdy bramka jest już otwarta, następne Set() są ignorowane. 41

42 Wait Handles AutoResetEvent EventWaitHandle czekaczka = new EventWaitHandle (false, EventResetMode.Auto); EventWaitHandle czekaczka = new AutoResetEvent (false); Powyższe dwa wywołania są równoważne. Pierwszy parametr określa czy bramka ma być podczas utworzenia otwarta. Przykład (WaitHandles) 42

43 Wait Handles EventWaitHandle - międzyprocesowe EventWaitHandle czekaczka = new EventWaitHandle (false, EventResetMode.Auto,"Nasza nazwa czekaczki"); Trzecim parametrem może być nazwa widziana przez wszystkie inne procesy w systemie. Gdy podczas tworzenia okaże sie że obiekt o podanej nazwie istnieje dostaniemy tylko referencję a czwarty parametr będzie false; EventWaitHandle (false, EventResetMode.Auto,"Nasza nazwa czekaczki", out czynowy); Przykład (WaitHandles) 43

44 Ready Go Załóżmy, że mamy taki scenariusz Główny proces ma co chwilę nowe zadania do wykonania Zadania te mają być wykonane przez wątek Za każdym razem uruchamiany jest nowy wątek Przekazywane jest zadanie Po wykonaniu pracy wątek jest kończony By zmniejszyć obciążenie wynikające z tworzenia wątków (czy nawet innych procesów) możemy postępować według poniższego algorytmu: Główny proces tworzy wątek Wątek czeka na zadanie Wykonuje zadanie Przechodzi w stan oczekiwania na kolejne zadanie 44

45 Ready Go Najprostsza wersja producenta i konsumenta static static static static EventWaitHandle ready = new AutoResetEvent(false); EventWaitHandle go = new AutoResetEvent(false); volatile string zadanie; void Main(string[] args) new Thread(Konsument).Start(); for (int i = 1; i <= 5; i++) //przekaż 5 razy zadanie ready.waitone(); // Czekamy na gotowość konsumenta zadanie = "a".padright(i, 'a'); // przygotowujemy zadanie go.set(); // mówimy że dane gotowe do odbioru ready.waitone(); zadanie = null; go.set(); // każemy skończyć Console.ReadKey(); static void Konsument() while (true) ready.set(); // Informujemy producenta że jesteśmy gotowi go.waitone(); // i czekamy na dane if (zadanie == null) return; // gdy dostaniemy null kończymy Console.WriteLine(zadanie); Przykład ReadyGo 45

46 Kolejka producent - konsument Wykorzystanie procesu drugoplanowego Producent kolejkuje elementy Konsument dekolejkuje elementy Rozwiązanie podobne do poprzedniego tylko nie blokujące class ProducentKonsument : Idisposable EventWaitHandle czekaczka = new AutoResetEvent(false); Thread konsumentwatek; Queue<string> kolejka = new Queue<string>(); public ProducentKonsument() konsumentwatek = new Thread(konsument); konsumentwatek.name = "konsumentwatek"; konsumentwatek.start(); 46

47 Kolejka producent - konsument void konsument() while (true) string mesg = null; lock (kolejka) if (kolejka.count > 0) mesg = kolejka.dequeue(); if (mesg == null) return; if (mesg!= null) Console.WriteLine("odebralem: " + mesg); Thread.Sleep(1000); else Console.WriteLine("no to czekam..."); // Jeżeli nie ma więcej zadań to czekaj czekaczka.waitone(); 47

48 Kolejka producent - konsument public void zakolejkuj(string mesg) lock (kolejka) kolejka.enqueue(mesg); czekaczka.set(); public void Dispose() zakolejkuj(null); konsumentwatek.join(); czekaczka.close(); 48

49 Wait Handles ManualResetEvent EventWaitHandle czekaczka = new EventWaitHandle (false, EventResetMode.Manual); EventWaitHandle czekaczka = new ManualResetEvent (false); Powyższe dwa wywołania są równoważne. Pierwszy parametr określa czy bramka ma być podczas utworzenia otwarta. Metoda Set wpuszcza wszystkich czekających lub wołających WaitOne dopóki nie zamknie się przez Reset. 49

50 Wait Handles Mutex Działa tak samo jak lock z tym że może być używany pomiędzy procesami i jest około 100 razy wolniejszy (przy założeniu że nie blokujemy) Tak samo jak lock zapewnia wyłączny dostęp do bloku programu pomiędzy wywołaniem WaitOne a ReleaseMutex i musi być wywołany z tego samego wątka. Zaletą jest automatyczne zwolnienie mutexa nawet gdy aplikacja się zakończy nie wywołując ReleaseMutex 50

51 Wait Handles Mutex static Mutex mutex = new Mutex(false, "tu.kielce.pl mutex"); private void naszwatekzmutex(object o) for (int ii = 0; ii < ; ii++) mutex.waitone(); licznik++; mutex.releasemutex(); Przykład Sekajca_krytyczna1 51

52 Wait Handles Semaphore Semafor jest jak licznik, który nigdy nie może być mniejszy od 0. Operacja WaitOne zmniejsza ten licznik o 1, jeżeli jest 0 to dany wątek czeka, aż inny zwiększy za pomocą Release. W przypadku semafora, podnieść go może każdy inny wątek, nie tylko ten który go opuścił, tak jak to jest w przypadku lock czy Mutex. Semafor jest nieco szybszy od Mutexa. 52

53 Wait Handles Semaphore static Semaphore semafor = new Semaphore(1, 1); private void naszwatekzsemaphore(object o) for (int ii = 0; ii < ; ii++) semafor.waitone(); licznik++; semafor.release(); Przykład Sekajca_krytyczna1 53

54 Wait Handles Wait, wait, wait... WaitHandle.SignalAndWait Jednoczesne wysłanie sygnału i czekanie. Można w ten sposób zrealizować np. spotkania. private static EventWaitHandle wh1 = new EventWaitHandle(false,EventResetMode.AutoReset); private static EventWaitHandle wh2 = new EventWaitHandle(false,EventResetMode.AutoReset); Jeden z wątków wywołuje: WaitHandle.SignalAndWait(wh1, wh2); Drugi z wątków wywołuje: WaitHandle.SignalAndWait(wh2, wh1); 54

55 Wait Handles Wait, wait, wait... WaitHandle.WaitAll(WaitHandle[] waithandles)czekaj na pozwolenie od wszystkich z waithandles WaitHandle.WaitAny(WaitHandle[] waithandles) Czekaj na pozwolenie od którego kolwiek z waithandles 55

56 Bariera Bariera jest stosowana do synchronizacji pracy wątków w pewnych etapach. Przykładowo w algorytmach genetycznych gdzie czekamy, aż wszystkie wątki zakończą pracę w danej iteracji. Poniżej niezsynchronizowane praca kilku wątków. static void printstring(string inputstring) ThreadStart watek = () => for (int i = 0; i < inputstring.length; i++) Console.Write(inputstring.ToArray()[i]); ; Thread[] watki = new Thread[liczbaWatkow]; for (int i = 0; i<liczbawatkow; ++i) watki[i] = new Thread(watek); watki[i].start(); //Tu poczekamy aż zakończą się wszystkie uruchomione w tej metodzie wątki for (int i = 0; i < liczbawatkow; ++i) Przykład: Barrier watki[i].join(); 56

57 Bariera Próba zastosowania Monitora static void printstringwaitpulse(string inputstring) object o = new object(); int licznikwywolan = 0; ThreadStart watek = () => for (int i = 0; i < inputstring.length; i++) lock (o) Console.Write(inputstring.ToArray()[i]); licznikwywolan++; if (licznikwywolan < liczbawatkow) Monitor.Wait(o); else Monitor.PulseAll(o); //Zasygnalizuj wszystkim że działamy dalej licznikwywolan = 0; ; Thread[] watki = new Thread[liczbaWatkow]; for (int i = 0; i < liczbawatkow; ++i) watki[i] = new Thread(watek); watki[i].start(); //Tu poczekamy aż zakończą się wszystkie uruchomione tej metodzie wątki Przykład:w Barrier for (int i = 0; i < liczbawatkow; ++i) watki[i].join(); 57

58 Bariera Zastosowanie Barrier oraz CountdownEvent static System.Threading.Barrier bariera = new System.Threading.Barrier(liczbaWatkow, (b) => Console.WriteLine(" Bariera w fazie: 0", b.currentphasenumber); ); static void printstringbarrier(string inputstring) ThreadStart watek = () => for (int i = 0; i < inputstring.length; i++) Console.Write(inputstring.ToArray()[i]); bariera.signalandwait(); ce.signal();//gdy zadanie jest wykonane zgłaszamy to by obniżyć licznik ; Thread[] watki = new Thread[liczbaWatkow]; for (int i = 0; i < liczbawatkow; ++i) watki[i] = new Thread(watek); watki[i].start(); //Tu poczekamy aż licznik dotrze do 0 (wszystkie wątki wywołają ce.signal()) ce.wait(); Przykład: Barrier 58

59 Kolekcje Dodawanie do listy przez wiele wątków List<Thread> watki = new List<Thread>(); List<int> liczby = new List<int>(10000); for (int i = 0;i<100;i++) var watek = new Thread(() => for (int l = 0; l<100; l++) liczby.add(i*l); ); watki.add(watek); watek.start(); foreach (var watek in watki) watek.join(); Console.WriteLine($"Liczba elementów w liście zwykłej: liczby.count"); Przykład: Kolekcje 59

60 Kolekcje Zastosowanie ConcurrentBag ConcurrentBag<int> bag = new ConcurrentBag<int>(); List<Thread> watki2 = new List<Thread>(); for (int i = 0; i < 100; i++) var watek = new Thread(() => for (int l = 0; l < 100; l++) bag.add(i * l); ); watki2.add(watek); watek.start(); foreach (var watek in watki2) watek.join(); Console.WriteLine($"Liczba elementów w concurrent bag: bag.count"); Przykład: Kolekcje 60

61 Kolekcje Problem z unikalnymi wartościami ConcurrentBag<int> bag2 = new ConcurrentBag<int>(); List<Thread> watki3 = new List<Thread>(); for (int i = 0; i < 100; i++) var watek = new Thread(() => for (int l = 0; l < 100; l++) if (!bag2.any(x => x == l)) //po sprawdzeniu tego warunku może nastąpić niekorzystny przeplot. bag2.add(l); ); watki3.add(watek); watek.start(); foreach (var watek in watki3) watek.join(); Console.WriteLine($"Liczba elementów w concurrent bag niby Przykład: Kolekcje unikalnych: bag2.count"); 61

62 Kolekcje Zastosowanie ConcurrentDictionary var dictionary = new ConcurrentDictionary<int, object>(); //sztuczka by klucz był wartością a wartość może być null List<Thread> watki4 = new List<Thread>(); for (int i = 0; i < 100; i++) var watek = new Thread(() => for (int l = 0; l < 100; l++) dictionary.tryadd(l, null); ); watki4.add(watek); watek.start(); foreach (var watek in watki4) watek.join(); Console.WriteLine($"Liczba elementów w ConcurrentDictionary unikalnych: dictionary.count"); Przykład: Kolekcje 62

63 Kolekcje Zastosowanie BlockingCollection var blockingcollection = new BlockingCollection<int>(); var producent = new Thread(() => for (int l = 0; l < 100; l++) blockingcollection.tryadd(l); Thread.Sleep(10); blockingcollection.completeadding(); ); var konsument = new Thread(() => for (int l = 0; l < 100; l++) blockingcollection.trytake(out var result2); //co się stanie gdy użyjemy funkcji nieblokującej? // var result2 = blockingcollection.take( ); //a co gdy będzie to funkcja blokująca Console.Write($"result2 "); Thread.Sleep(5); ); producent.start(); Przykład: Kolekcje 63 Thread.Sleep(100); konsument.start();

64 Wait Handles ContextBoundObject Automatyczne blokowanie wywołań metod z jednej instancji klasy. using System.Runtime.Remoting.Contexts; [Synchronization] public class JakasKlasa : ContextBoundObject... CLR (Common Language Runtime) zapewnia, że tylko jeden wątek może wywołać kod tej samej instancji obiektu w tym samym czasie. Sztuczka polega na tym, że podczas tworzenia obiektu klasy JakasKlasa tworzony jest obiekt proxy, przez którego przechodzą wywołania metod klasy 64 JakasKlasa.

65 Wait Handles ContextBoundObject Automatyczna synchronizacja nie może być stosowana do pól protect static ani klas wywodzących się od ContextBoundObject np. Windows Form Trzeba też pamiętać, że nadal nie rozwiązuje nam to problemu gdy wywołamy dla kolekcji coś takiego: BezpiecznaKlasa bezpieka = new BezpiecznaKlasa();... if (bezpieka.count > 0) bezpieka.removeat (0); 65

66 Wait Handles ContextBoundObject Jeżeli z bezpiecznego obiektu tworzony jest kolejny obiekt to automatycznie jest on też bezpieczny w tym samym kontekscie, chyba, że postanowimy inaczej za pomocą atrybutów. [Synchronization (SynchronizationAttribute.REQUIRES_NEW)] public class JakasKlasaB : ContextBoundObject... NOT_SUPPORTED - równoważne z nieużywaniem Synchronized SUPPORTED - dołącz do istniejącego kontekstu synchronizacji jeżeli jest stworzony z innego obiektu, w innym przypadku będzie niesynchronizowany REQUIRED - (domyślny) dołącz do istniejącego kontekstu synchronizacji jeżeli jest stworzony z innego obiektu, w innym przypadku stwórz swój nowy kontekst synchronizacji REQUIRES_NEW - Zawsze twórz nowy kontekst synchronizacji 66

67 Delegaty i zdarzenia Obiektowy odpowiednik wskaźnika do funkcji z c/c++ klasa pochodną z klasy System.Delegate Deklaracja wygląda jak deklaracja funkcji: delegate void PrzykladowyDelegat(); //deklaracja delegatu która jest równoważna z deklaracją klasy By wykorzystać delegat musimy stworzyć nowy obiekt tej klasy. delegate ddd = new PrzykladowyDelegat(jakasFunkcja); jakasfunkcja musi być tego samego typu co delegat. Funkcjonalnie zachowuje się jak klasy wewnętrzne w javie z tym że w javie trzeba było tworzyć całą klasę tu tylko metodę. 67

68 Delegaty i zdarzenia //PrzykladDelegate class Program delegate void JakisDelegat(); // metoda zgodna z deklaracją delegatu static void jakasfunkcja() System.Console.WriteLine("Jakas Funkcja!? Przecieże to był delegat!"); static void Main(string[] args) JakisDelegat ddd = new JakisDelegat(jakasFunkcja); // w tym miejscu delegujemy wywołanie metody jakasfunkcja() ddd(); Console.ReadLine(); 68

69 Delegaty i zdarzenia Zdarzenia (events) są formą komunikacji informowania innych, że wystąpiła jakaś sytuacja. Realizowane są przy pomocy delegatów. Przykład eventa wraz argumentami: public delegate void TikTakEventHandler(object sender, TikTakEventArgs e); public event TikTakEventHandler cykevent; public class TikTakEventArgs : EventArgs public int ktorecykniecie; public bool czywiecznie; 69

70 Delegaty i zdarzenia Zasygnalizowanie zdarzenia: TikTakEventArgs tta = new TikTakEventArgs(); tta.czywiecznie = true; for (int ii = 0;ii<ileRazy;ii++) tta.ktorecykniecie = ii; if (cykevent!=null) cykevent(this,tta); Thread.Sleep(1000); Przykład: PrzykladEventa 70

71 WinForms i wątki Cross-Thread W wielowątkowej aplikacji WinForms nie można używać metod ani pól kontrolek, które nie zostały stworzone w danym wątku. Gdy chcemy zapisać coś na formatce z innego wątku private void niebezpieczneliczydlo() for (int liczba = 0; liczba < 20; liczba++) labellicznik.text = liczba.tostring();... Thread wateklicz = new Thread(niebezpieczneLiczydlo); wateklicz.start(); dostaniemy: Przykład: przykladcrossthread Cross-thread operation not valid: Control 'labellicznik' accessed from a thread other than the thread it was created on. Trzeba posłużyć się pewną sztuczką, którą podpowiada MS. 71

72 WinForms i wątki Komponenty WinForms zawierają własność Control.InvokeRequired oznaczającą, że dane przypisanie wartości należy zlecić do wątka będącego twórcą kontrolki. W tym celu należy użyć metody Control.Invoke wskazując delegata z odpowiednią metodą. Przykład: przykladcrossthread 72

73 WinForms i wątki private void liczydlobezpieczne() ZapiszTekst zapdel = new ZapiszTekst(zapiszTekst); for (int liczba = 0; liczba < 20; liczba++) if (this.labellicznik.invokerequired) // jest w innym wątku więc wymaga //wywołuje delegata zapdel przekazując mu tablicę //parametrów w tym przypadku jeden parametr this.invoke(zapdel, new object[] liczba.tostring()); else // Gdy jest w tym samym wątku this.labellicznik.text = liczba.tostring(); Thread.Sleep(1000); Przykład: przykladcrossthread 73

74 WinForms i wątki Bardziej eleganckim rozwiązaniem będzie stworzenie klasy zawierającej bezpieczne metody: static class ThreadSafeCalls private delegate void SetLabelDelegate(Label label, string tekst); public static void SetLabel(Label label, string tekst) //sprawdzanie czy wywołanie jest niebezpieczne //(spoza wątku który utworzył tę kontrolkę) if (label.invokerequired) // jest w innym wątku więc wymaga // wywołuje delegata zapdel przekazując mu tablicę parametrów // w tym przypadku jeden parametr label.invoke(new SetLabelDelegate(SetLabel), new object[] label, tekst ); //przekazanie do wątku będącego właścicielem kontrolki, żądania jej zmiany else // Gdy jest w tym samym wątku label.text = tekst; 74 Przykład: przykladcrossthread s

75 WinForms i wątki Ustawienie tekst etykietki będzie prostrze i czytelniejsze: private void liczydlobezpieczne2() for (int liczba = 0; liczba < 21; liczba++) ThreadSafeCalls.SetLabel(labelLicznik,liczba.ToString()); Thread.Sleep(500); 75 Przykład: przykladcrossthread

76 WinForms i wątki Kolejna metoda to napisanie zmodyfikowanej klasy komponentu: public class LabelThreadSafe : Label public new string Text get return base.text; set if (this.invokerequired) this.invoke(new Action(() => this.text = value; )); else base.text = value; Przykład: przykladcrossthread 76

77 WinForms i wątki Umieszczamy swój komponent na formatce i normalnie używamy. private void liczydlobezpieczne3() for (int liczba = 0; liczba < 21; liczba++) labelthreadsafelicznik.text = liczba.tostring(); Thread.Sleep(500); 77 Przykład: przykladcrossthread

78 WinForms i wątki Kontekst synchronizacji W.Net wątki mogą posiadać kontekst synchronizacji. Są to obiekt klasy SynchronizationContext. Można sprawdzić badając statyczną własność SynchronizationContext.Current Aplikacje desktopowe mają tworzony automatycznie kontekst synchronizacji dla wątków interfejsu użytkownika. WindowsFormsSynchronizationContext (WinForms), DispatcherSynchronizationContext (WPF), AspNetSynchronizationContext (ASP.NET) Możliwe jest przekazanie kontekstu przez referencję do innego wątku. Wątek, który otrzymał kontekst synchronizacji może wywołać metody lub wyrażenia lambda w wątku z którego kontekst pochodzi 78 Przykład: przykladcrossthread

79 WinForms i wątki Kontekst synchronizacji Mechanizm ten, można użyć do zmiany własności kontrolek wątku okna przez inne wątki. Kontekst posiada dwie metody do uruchamiania kodu w wątku właściciela kontekstu Send podobna do Invoke, blokująca Post metoda asynchroniczna podobna do BeginInvoke/EndInvoke Powyższe metody asynchrocniczne nie przekazują wyjątku na zewnątrz, Metoda Send w WPF też nie przekaże wyjątku Stosując metody BeginInvoke możemy też odczytać stan wątku, czy się zakończył czy nie. W przypadku Post nie jest to możliwe. 79 Przykład: przykladcrossthread

80 Background Worker Jest pomocną klasą z System.ComponentModel, która dostarcza nam następującej funkcjonalności Flaga cancel do zasygnalizowania końca, zamiast Abort Standardowy protokół do do raportowania postępu, zakończenia i przerwania pracy Implementacja IComponent pozwalająca na umieszczenie w VS Designerze. Łapanie wyjątków w wątku workera Możliwość zapisywania postępu bezpośrednio na formatkę w innym wątku (nie ma problemu z wywołaniem Cross-thread), nie musimy używać Control.Invoke 80

81 Background Worker Model tego typu wykorzystuje identyczną składnię, jak asynchroniczne delegaty Aby użyć BacgroundWorkera wystarczy poinformować go obsługując zdarzenie DoWork jaka metoda ma być wykonana w tle i wywołać RunWorkerAsync() Wątek główny kontynuuje działanie, a w tle wykonywana jest funkcja zgłoszona do BackgroundWorkera. BW sygnalizuje postęp prac za pomocą zdarzenia ProgressChanged w jego obsłudze można aktualizować np. ProgressBar Gdy BW skończy sygnalizuje to zdarzeniem RunWorkerCompleted 81

82 Background Worker Zróbmy sobie formatkę jak niżej: Pola nazwane będą textboxczas oraz textboxilosc Guziki buttonstart i buttoncancel ProgressBar - progressbarliczydlo Dodajemy backgroundworkera przeciągając go z toolsów i zmieniamy jego nazwę na backgroundworkerliczydlo 82

83 Background Worker Dwukrotnie klikając w BW otworzy nam się kod wykonywany podczas zdarzenia DoWork Uzupełniamy go private void backgroundworkerliczydlo_dowork(object sender, DoWorkEventArgs e) //uzyskaj obiekt wejsciowy Uwaga: 100/parametry.iloscIteracji*(i+1) ParametryDwa parametry = (ParametryDwa)e.Argument; nie zadziała dla większej liczby iteracji niż 100 for (int i = 0; i < parametry.ilosciteracji; i++) Console.WriteLine("właśnie wykonuję iterację " + i); System.Threading.Thread.Sleep(parametry.czasUspienia); backgroundworkerliczydlo.reportprogress((i + 1)*100 /parametry.ilosciteracji); if (backgroundworkerliczydlo.cancellationpending) e.cancel = true; return; string komunikat="w sumie "+(parametry.ilosciteracji*parametry.czasuspienia)+" milisekund"; e.result = komunikat; 83

84 Background Worker Klasa parametry: class ParametryDwa public int czasuspienia,ilosciteracji; public ParametryDwa(int _czasuspienia, int _ilosciteracji) czasuspienia = _czasuspienia; ilosciteracji = _ilosciteracji; 84

85 Background Worker Dwukrotnie klikając w buttonstart otwiera nam się kod wykonany po kliknięciu w guzik (do uzupełnienia): private void buttonstart_click(object sender, EventArgs e) try //uzyskaj dane z formatki int czas = int.parse(textboxczas.text); int ilosc = int.parse(textboxilosc.text); //umieść to w obiekcie do wysyłki ParametryDwa param = new ParametryDwa(czas, ilosc); backgroundworkerliczydlo.runworkerasync(param); catch (Exception ex) MessageBox.Show(ex.Message); Uruchamiamy (F5), wypełniamy, klikamy start Backgroundworker wykonuje swoją pracę a my możemy dalej 85

86 Background Worker Gdy chcemy się dowiedzieć o końcu zadania i przekazać jakieś parametry wystarczy obsłużyć zdarzenie: RunWorkerCompleted. private void backgroundworkerliczydlo_runworkercompleted(object sender, RunWorkerCompletedEventArgs e) if (e.cancelled) MessageBox.Show("przerwano"); else if (e.error!= null) MessageBox.Show("Błąd: " + e.error.tostring()); else MessageBox.Show("Praca została wykonana\n" + e.result); 86 Przykład: BackgroundWorker

87 Background Worker Jeszcze tylko obsługa eventów kliknięcia cancel oraz zmiana statusu progress bar private void backgroundworkerliczydlo_progresschanged(object sender, ProgressChangedEventArgs e) progressbarliczydlo.value = e.progresspercentage; private void buttoncancel_click(object sender, EventArgs e) backgroundworkerliczydlo.cancelasync(); 87 Przykład: BackgroundWorker

88 Wątki w WPF Jeżeli w aplikacji WPF chcemy zmienić stan kontrolki spoza wątku, który ją utworzył także będziemy mieli problem podobnie jak z aplikacją Win Forms: private void niebezpieczneliczydlo() for (int liczba = 0; liczba < 21; liczba++) labellicznik.content = liczba.tostring(); Thread.Sleep(200); private void buttonstart_click(object sender, RoutedEventArgs e) Thread wateklicz = new Thread(niebezpieczneLiczydlo); wateklicz.start(); 88 Przykład: WPFThread

89 Wątki w WPF Druga wersja już poprawna: delegate void ZapiszTekst(string tekst); private void zapisztekst(string tekst) labellicznik.content = tekst; private void liczydlobezpieczne() ZapiszTekst zapdel = new ZapiszTekst(zapiszTekst); for (int liczba = 0; liczba < 21; liczba++) if (!labellicznik.dispatcher.checkaccess()) labellicznik.dispatcher.invoke(zapdel, new object[] liczba.tostring() ); else labellicznik.content = liczba.tostring(); Thread.Sleep(200); Przykład: WPFThread 89

90 Wątki w WPF Komponenty wizualne kontrolowane są przez wątek okna aplikacji. Wszelkie zmiany zgłaszane są jako żądania z innych wątków do wątku kontrolującego za pośrednictwem obiektu Dispatcher, po wcześniejszym sprawdzeniu za pomocą CheckAccess. Metodę Invoke można przeciążyć podając priorytet wywołania label.dispatcher.invoke(new Action(() => label.content = content; ),System.Windows.Threading.DispatcherPriority.ApplicationIdle); Jest też możliwość zgłaszania, żądań asynchronicznie z pomocą BeginInvoke. 90 Przykład: WPFThread

91 Wątki w WPF Trzecia wersja poprawna, osobna klasa statyczna z bezpiecznymi metodami class ThreadSafeCallsWPF public static void setlabelcontent(label label, object content) if (!label.dispatcher.checkaccess()) label.dispatcher.invoke(new Action(() => label.content = content; )); else label.content = content; private void liczydlobezpieczne2() for (int liczba = 0; liczba < 21; liczba++) ThreadSafeCallsWPF.setLabelContent(labelLicznik, liczba.tostring()); Thread.Sleep(200); 91 Przykład: WPFThread

92 Wątki w WPF Do trzeciej wersji dodajemy canvas Przy próbie narysowania elipsy na kontrolce canvas bez synchronizacji dostajemy następujący błąd: Singe Threaded Apartment model wywodzący się z architektury aplikacji wielowątkowych wykorzystujących obiekty COM (technologia tworzenia obiektów rejestrowanych globalnie w systemie operacyjnym dzięki czemu mogą być wykorzystywane przez inne aplikacje. COM jest podstawą Microsoft OLE, COM+, DCOM czy ActiveX. 92 Przykład: WPFThread

93 Wątki w WPF Czwarta wersja (włączamy STA) Thread wateklicz = new Thread(liczydloNiebezpieczne2); wateklicz.setapartmentstate(apartmentstate.sta); wateklicz.start(); Dostaniemy błąd, który już znamy i wiemy jak sobie z nim poradzić. 93 Przykład: WPFThread

94 Wątki w WPF Dodajemy bezpieczną metodę rysującą elipsy na canvasie: private delegate void drawellipsedelegate(canvas canvas, double w, double h, double x, double y, Brush brush); public static void drawellipse(canvas canvas, double w, double h, double x, double y, Brush brush) if (!canvas.dispatcher.checkaccess()) canvas.dispatcher.invoke(new drawellipsedelegate(drawellipse), new object[] canvas, w, h, x, y, brush ); else Ellipse ellipse = new Ellipse(); ellipse.width = w; ellipse.height = h; ellipse.fill = brush; canvas.children.add(ellipse); Canvas.SetLeft(ellipse, x); Canvas.SetTop(ellipse, y); 94 Przykład: WPFThread

95 Wątki w WPF Teraz powinno wszystko działać (wersja piąta). ThreadSafeCallsWPF.drawEllipse(canvas1, w, h, x, y, Brushes.Red); Jednak gdy chcielibyśmy tworzyć różne kolory a nie używać statycznego: SolidColorBrush scb = new SolidColorBrush(losujKolor()); ThreadSafeCallsWPF.drawEllipse(canvas1, w, h, x, y, scb); Pojawia się kolejny problem: The Application is in break mode, z konsoli można odczytać błąd: Nie można użyć obiektu DependencyObject należącego do innego wątku niż nadrzędny obiekt Freezable. Na szczęście rozwiązanie jest proste. Trzeba wykonać metodę Freeze na obiekcie scb przed jego użyciem. scb.freeze(); 95 Przykład: WPFThread

96 Wątki w WPF Szósta wersja użycie kontekstu synchronizacji private void liczydlobezpieczne3(object par) DispatcherSynchronizationContext context = par as DispatcherSynchronizationContext; for (int liczba = 0; liczba < 21; liczba++) context.send((object s) => labellicznik.content = s as string;, liczba.tostring()); Thread.Sleep(200); Thread wateklicz = new Thread(liczydloBezpieczne3); wateklicz.start(synchronizationcontext.current); 96 Przykład: WPFThread

97 Wątki w WPF Uwaga na niebezpieczeństwo blokady. Nie powinno się tak robić (efekt taki jak byśmy wykonali funkcję sekwencyjnie), ale przy dodaniu oczekiwania na wątek Thread wateklicz = new Thread(liczydloBezpieczne3); wateklicz.start(synchronizationcontext.current); Watek.Join(); W momencie wykonywania funkcji obsługi kliknięcia buttonstart_click startujemy wątek potomny, który w pętli stara się zakolejkować zgłoszenie czynności do wykonania przez wątek macierzysty (Control.Invoke lub SynchronizeContext.Send). Zatrzymują one dalsze działania do momentu zakończenia czynności wątku interfejsu. Niestety wątek macierzysty jest zajęty bo czeka na zakończenie się buttonstart_click, gdzie Joinem czeka na zakończenie wątku potomnego. Przykład: WPFThread 97

98 Wątki w WPF Zamiast Send, można użyć do kolejkowania zgłoszeń metody asynchronicznej Post Spowoduje to wykonanie całej pętli jednak obsługą zgłoszeń interfejs użytkownika zajmie się dopiero po zakończeniu wątku potomnego. Efekt będzie taki, że wszystkie żądania mogą wykonać się jednocześnie, czyli zobaczymy ostateczny wynik licznika. Nie jest to poprawne działanie ale przynajmniej nie mamy już blokady. Przykład: WPFThread 98

99 Apartment Threading Jest logicznym kontenerem zawierającym: Jeden wątek (Single-Threded Apartment) Wiele wątków (Multi-Threded Apartment) Apartment może zawierać zarówno wątki jak i obiekty Kontekst Synchronizacji mógł tylko obiekty Obiekty takie są przypisane do Apartment'u przez cały okres trwania. Obiekty w kontekście synchronizacji mogą być wołane przez dowolne wątki (ale w trybie exclusive) Obiekty w Apartment mogą być wywołane tylko przez wątki w tym samym Apartmencie. 99

100 Apartment Threading Jeżeli można by było przedstawić obrazowo kontener jako bibliotekę, obiekty jako książki a wątki jako osoby to: W przypadku kontekstu synchronizacji do biblioteki wchodziłby sobie ktokolwiek ale zawsze pojedynczo (nie może być dwóch osób w bibliotece) W przypadku apartmentów mamy pracowników przypisanych do biblioteki. Single. Jest jeden bibliotekarz i do niego odwołujemy się by coś przeczytał i nam powiedział co w danej książce jest Multi. Jest wielu bibliotekarzy. 100

101 Apartment Threading Sygnalizowanie bibliotekarzowi, że chcemy skorzystać z jakiejś książki (obiektu) nosi nazwę marshalling. Metoda jest przekazywana (marshal) poprzez pracownika biblioteki i wykonywana na obiektach w bibliotece Marshalling jest zaimplementowany w bibliotekarzu przez system komunikatów w Windows Forms i jest przekazywane automatycznie Jest to mechanizm, który cały czas sprawdza zdarzenia związane z myszką i klawiaturą. Gdy nie zdążą być obsłużone są kolejkowane (FIFO). 101

102 Apartment Threading Wątki.Net są automatycznie przypisane do multithread-appartment chyba, że chcemy by było inaczej wtedy: Thread t = new Thread (...); t.setapartmentstate (ApartmentState.STA); Lub class Program [STAThread] static void Main()

103 Apartment Threading Gdy nasza aplikacja to czysty kod.net Apartment nie ma znaczenia. Typy z System.Windows.Forms korzystają z kodu Win32 przeznaczonego do pracy w Single Thread Apartment. Z tego powodu w programach tego typu wymagane jest [STAThread]. 103