緣起
這是一篇找噴的文章。
由於一些歷史原因和人際淵源，周圍同事談論一些技術話題的時候，經常使用“UI線程”一詞。雖然我從來沒有看到其確切定義，但心里對其含義可能略懂，因此一直裝作心知肚明的樣子（以免被嘲諷）。
日前，一同事發了封郵件大談“UI線程”的概念，分享到大部門。大部門里除了我們一個Windows客戶端部門，其他都是做網站的Java開發。因此，在他們面前談論一些我們並不成熟甚至並不存在的概念，有那么一點點故弄玄虛的味道，這激起了我談論這個話題的小小欲望。當然，並不是說那封郵件里說的有錯誤，事實上絕大部分語句都是正確的。不過我看到的最讓人豁然開朗的一句話卻是“UI線程並不是官方概念”。在此，我想梳理下有關“UI線程”始末和自己理解，望CppBlog的看官們批判。
對了，說明一下，本文的大背景是Win32桌面程序開發，.Net請繞道，WinRT請繞道，Web請繞道，手機請繞道……
“UI線程”語源
據考證，“UI線程”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提供了兩個版本：
| 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);
|
第一個版本用來讓人創建“工作線程”，第二個版本讓人用來創建“UI線程”。可能由於來自MFC的遠古光環，讓“UI線程”的提法略有普及。但除此之外，在Windows開發方面，似乎找不到第二個例子了。（如果有，請在評論中告訴我。）不管怎樣，既然MFC官方文檔里說了，那么在“MFC領域”使用“UI線程”的提法總是可以的。下面，我們先來認識一下MFC中的UI線程以及工作線程。
MFC中的UI線程
我們按照http://msdn.microsoft.com/en-us/library/b807sta6(v=vs.110).aspx的指示，來創建一個“UI線程”。首先，繼承CWinThread：
| class CMyThread : public CWinThread { DECLARE_DYNCREATE(CMyThread)
public: virtual BOOL InitInstance() { return TRUE; } };
IMPLEMENT_DYNCREATE(CMyThread, CWinThread) |
然后，隨便找個地方來啟動線程：
| AfxBeginThread(RUNTIME_CLASS(CMyThread)); |
線程被創建后，就處於CWinThread::Run里的消息循環之中了。來看看CWinThread::Run的實現：
| // 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，是個夾雜了OnIdle概念的消息循環。
再看一下AfxBeginThread：
| 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 } |
其中調用了CWinThread::CreateThread：
| 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 } |
線程函數為_AfxThreadEntry：
| 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 } |
林林總總地貼了這么些代碼，差不多可以看出MFC的CWinThread的一些實現機制了。總的來說，MFC提供的“UI線程”，默認為線程實現了一個帶OnIdle機制的消息循環，同時，它Attach了應用程序主窗口，m_pMainWindow被設為了應用程序主窗口，它在OnIdle以及ProcessMessageFilter中被用到。
注意到在_AfxThreadEntry中有一行AfxInitThread，這里面注冊了一個消息鈎子，鈎子回調函數里面會調用ProcessMessageFilter。當處於幫助模式的時候，這個函數會向m_pMainWindow發送code為ID_HELP的WM_COMMAND消息。
MFC中的工作線程
工作線程由另一個AfxBeginThread啟動：
| 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) } |
它調用了CWinThread的如下構造函數：
| CWinThread::CWinThread(AFX_THREADPROC pfnThreadProc, LPVOID pParam) { m_pfnThreadProc = pfnThreadProc; m_pThreadParams = pParam;
CommonConstruct(); } |
然后同樣用CWinThread::CreateThread創建線程。新線程的入口函數同樣為_AfxThreadEntry。與上例不同，這時，程序進入這個if判斷的第一個分支：
| // 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(); } |
直接調用我們傳入的線程函數，而不再進入CWinThread::Run。這里，m_pMainWindow的處理與上例相同。
MFC中的UI線程與工作線程的異同
綜上，我們可以看到，MFC里的UI線程里，CWinThread實現了一個消息循環，這是工作線程所不具備的。除此之外，差異之處很寥寥。從MFC代碼里來看，MFC的開發者對兩者的稱呼只是“simple worker thread”和“thread with message loop”，事實上兩者的代碼層面的區別也正是如此。並且，CWinThread::Run被聲明為虛的，這意味着我們可以覆蓋它——同時在自己的版本里不實現消息循環。
而MSDN里，將兩個_AfxBeginThread的使用分別稱為創建“User Interface Thread”和創建“Worker Thread”。
嘗試定義“UI線程”
現在開始，我們走出MFC，回到通用程序領域。看看“UI線程”是否有必要定義，以及應該如何定義。
首先有一點要明白，在MFC之外，UI線程的官方概念已經不存在了。這時，你去問一個人“你知道什么是UI線程嗎？”是很奇怪很愚蠢的事情。如果他說不知道，你會怎么做？你大概會告訴他你心中的定義，這表明你試圖讓他相信你心中的定義是真理（業界通用說法），並且不指定適用范圍（比如MFC內）。這是不道德的。
就像有一次，一位同事“嘲諷”我說：“Cookies是進程內全局共享的，你不知道嗎？”我當然不知道呢，Cookies不是HTTP協議里一行文本而已嗎？我願意怎么處理就怎么處理嘛，願意讓它在進程內全局共享它就是進程內全局共享的了，我不願意讓它在進程內全局共享它就不是進程內全局共享的了，不是嗎？后來，才知道他說的是“在WinINet中，Cookies是進程內全局共享的”。
既然我們使用了WinINet，那么有時候省略“在WinINet中”的限定或許是情有可原的。但我們如果沒有使用MFC，那么不帶前提地大談“UI線程”就顯得不太合適了。稍稍總結下，我們談到“UI線程”一般是這些場景：
- 1. 不要在UI線程中做長時間的操作
- 2. 只能在UI線程中操作HWND
- 3. 我們搞個雙UI線程
第三點暫時無視吧，個人覺得無意義，什么單UI線程、雙UI線程，這個在系統層面根本沒這個提法以及限制，完全取決於開發者。倒是前兩者，是有那么一點意義的提法。為了描述方便，在本節中，暫且定義“UI線程”為，具有消息循環，並且在其中至少創建了一個可見窗口的線程。（這里可能有人會問，沒有窗口，你需要消息循環干嘛？一個例子：帶TimerProc的Timer需要消息循環。）
對於第一條，其實我並無多大異議，只要不去拷問別人什么叫“UI線程”，這樣輕描淡寫的提及，大家總是心知肚明的。第二條是創造“UI線程”概念的一個的很大的使用場景，然而這個命題本身卻是錯誤的。起碼，SendMessage和PostMessage是無論在哪個線程執行都是可行的，那么，那一大堆由GUI庫包裝SendMessage而成的窗口操作函數自然也是隨處可用的，以及本質上由SendMessage實現的一些窗口API也是隨處可用的。為了說清楚此問題，好像要總結一下哪些API需要在UI線程中執行，以及哪些不需要——但這是不可能的，下一節我略舉幾個例子。
本節結束之前，我想將上述1、2改個提法，以避免提及“UI線程”：
1. 不要在窗口回調函數中做長時間的操作
2. 只能在創建HWND的線程中操作HWND
只能在創建HWND的線程中操作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
這兩個當然不必在創建窗口的線程使用了。
l ShowWindowAsnyc
這個函數的用途是“Sets the show state of a window created by a different thread”，雖然文檔中沒特異指出可以在非創建線程中使用，但簡單腦補一下就知道可以。注意，這並不意味着ShowWindow一定需要在創建窗口的線程中使用。ShowWindowAsync做的是“posts a show-window event to the message queue of the given window”，它的意義在於“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，腦補。
精力有限，例子就不再舉了（各位可以幫忙補充）。按筆者個人理解，文檔中沒有特意指出一定要在創建窗口的線程中使用的，一般是可以在其他線程甚至其他進程使用的。再來看一下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.
這里它特別指出Vista之后，跨Session操作HWND會失敗。這從側面表明，跨線程玩一下HWND，或者跨進程玩一下，通常是不會失敗的。如果失敗了，那才是特例，就像DestroyWindow。
通則、局部規則、家長式規則
從上面的反例，我們可以知道，“只能在創建HWND的線程中操作HWND”這一命題是不成立的。它肯定不是Windows開發領域的通則。那么，這句話從何而來呢？確切地說，我不知道。
第一，它可能是某個GUI庫的規則。可能因為這個GUI庫的設計問題，導致必須在創建HWND的線程中操作HWND。這句話或許因此成為某些GUI庫的局部規則。但可能因為我們在交流的時候，有意無意地忽略了前提條件（“在MFC中”、“在WinINet中”），導致被誤解為通則。
第二，有可能有些前輩高人對於后輩跨線程操作HWND導致的一些問題感到厭倦，於是就對他們諄諄教誨：“孩子啊，只能在創建HWND的線程中操作HWND的。”然后世事變幻，滄海桑田，幾代以后，這句為防止不太會的人用錯的家長式規則被口口相傳當成了通則。
順便說一句，剛才的第一條不是說不要在“UI線程”中做長時間操作么？那么，要提高窗口響應速度，在“UI線程”中做的事自然是越少越好。如果某些API是可以跨線程使用的，在別的線程把該算的全算好，該IO的全做好，最后直接操作HWND，是最理想的狀況。而不是在操作HWND的前面一段時間就轉入“UI線程”。
API：IsGUIThread
非常有意思的事情，當筆者快寫完上面的文字的時候，卻發現了“IsGUIThread”這個函數。對此，本文當然有必要把這個函數中的GUI線程的概念考究清楚了。
調查發現，GUI線程是Windows內核中的概念。筆者對此並不無實際開發體驗，且摘錄一段查到的文字：
普通的Win32線程有兩個棧：一個是用戶棧，另一個是內核棧；而如果是內核中創建的系統工作線程，則只有內核棧。只要代碼在內核中運行，線程就一定是使用其內核棧的。棧的主要作用是維護函數調用幀，以及為局部變量提供空間。
用戶棧可以指定其大小，默認是1MB，通過編譯指令/stack可改設其他值。
普通內核棧的大小是固定的，由系統根據CPU架構而定，x86系統上為12KB，x64系統上為24KB，安騰系統上為32KB。對於GUI線程，普通內核棧空間可能不夠，所以系統又定義了“大內核棧”概念，可以在需要的時候增長棧空間。只有GUI線程才能使用大內核棧，這也是系統規定的。
關於GUI線程，筆者多說幾句。Windows的發明，將GDI和USER模塊，即“窗口與圖形模塊”的實現移到了內核中，稱為Windows子系統內核服務，並形成一個win32k.sys內核文件。而用戶層僅留調用接口，由User32.dll和GDI32.dll兩個文件暴露出來。判斷一個線程是不是GUI線程的依據，竟非常的簡單：線程初建時，都是普通線程，第一次調用Windows子系統內核服務（只要用戶程序調用了User32.dll和GDI32.dll中的函數，並導致相關內核服務在內核中被執行），系統即立刻將之轉變為GUI線程，並從而切換到“大內核棧”；倘若至線程結束，並未有任何一個子系統內核服務被調用，那么它一直都是普通線程，一直使用普通內核棧。
Windows內核中的內核棧（摘自《竹林蹊徑：深入淺出Windows驅動開發》）
http://yvqvan.blog.163.com/blog/static/254151032011321113127651/
從這段文字看，Windows內核的GUI線程概念和我們剛才所談的“UI線程”完全是兩個概念。因此，除了“UI線程不是官方概念”有待商榷以外，上文仍然成立。當然，官方概念叫“GUI線程”，還是說准確點為好。
總結
好了，下面簡單概括一下我要表達的觀點：
l 向無知者兜售自己創造的概念並試圖讓他奉為真理，是不厚道的。
l MFC的文檔中確實有“UI線程”的提法，它與工作線程分別由兩個不同版本的_AfxBeginThread創建，主要區別是“UI線程”具備一個消息循環。不過我們可以覆蓋CWinThread::Run使得這個區別不存在。
l Win32用戶態中，並不存在官方的“UI線程”概念。
l 並不是說所有操作HWND的函數都必須在創建HWND的線程中使用，事實上可能正好相反，或許只有少數函數有此限制。
l Window內核中確實有GUI線程和工作線程的區分，但這與我們之前所要表達的“UI線程”並不是一個意思。
以上，懇請各位批評指正。如果你看到了這里，那非常感謝你能看完。：）