Tag: wielowątkowość

Podczas pisania aplikacji okienkowych często zdarza się, że nasz program pobiera duże ilości danych, a następnie wyświetla je użytkownikowi. Niezwykle denerwującą sytuacją jest, gdy całość danych wyświetla się „na raz”. Jeśli nie „zamraża” to interfejsu użytkownika i jeszcze do tego pisze coś w stylu „Praca w toku” to jeszcze pół biedy, gorzej jak użytkownik pozostaje z okienkiem z uroczym dopiskiem „Nie odpowiada”. Wielkie szanse, że zirytowany taką sytuacją wyłączy naszą aplikację i zgłosi nam błąd – że nie działa :) Warto jednak zrobić coś jeszcze lepszego, niż zwykłe ostrzeżenie użytkownika, że troszkę poczeka.

Moim zdaniem najlepiej jest wprowadzić do aplikacji pasek postępu (choć nie zawsze jest to możliwe, bo czasem nie wiadomo ile danych przybędzie) i przede wszystkim – podzielić dane na paczki i prezentować dane progresywnie.

Jak to zrobić?

Najprostszym i przyjemnym sposobem jest użycie klasy BackgroundWorker, ale zacznijmy od początku. W celach demonstracyjnych stworzymy proste okienko, które będzie zawierało ListBox – do prezentacji wyników, przycisk „Start” oraz ProgressBar. Przejdźmy teraz do kodu:

private BackgroundWorker backgroundWorker = new BackgroundWorker();
private const int Results = 40;
private const int MaxPartCount = 5;

public PartialUpdateWindow()
{
    InitializeComponent();

    //initializing backgroundWorker
    backgroundWorker.DoWork += backgroundWorker_DoWork;
    backgroundWorker.ProgressChanged += backgroundWorker_ProgressChanged;
    backgroundWorker.RunWorkerCompleted += backgroundWorker_RunWorkerCompleted;
    backgroundWorker.WorkerReportsProgress = true;
}

Kod chyba jest bardzo wymowny. Tworzymy nową instancję BackgroundWorkera, dla prostoty przykładu ustalamy ile będzie wyników i ile ma liczyć maksymalna paczka danych do wyświetlenia. Następnie przypisujemy odpowiednie zdarzenia – DoWork – czyli to co ma zostać wykonane, ProgressChanged – zdarzenie odpalane w wątku GUI, które wyświetla wyniki, RunWorkerCompleted – odpalane po zakończeniu DoWork. Ostatnia linijka jest istotna, bo domyślnie ustawiona jest na false i wywołanie ProgressChanged skończy się wyjątkiem. Przejdźmy teraz do implementacji poszczególnych metod.

private void startButton_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
    resultsListBox.Items.Clear();
    startButton.IsEnabled = false;
    backgroundWorker.RunWorkerAsync(Results);
}

Na początek funkcja podpięta pod przycisk która odpali naszego BackgroundWorkera. Jak widzimy do metody RunWorkerAsync, która uruchamia wątek możemy przekazać opcjonalnie argument. Może być on dowolnego typu i może być tylko jeden. W razie potrzeby, można zawsze przesłać tablicę lub inny kontener.

private void backgroundWorker_DoWork(object sender, DoWorkEventArgs e)
{
    int percentageComplete;
    List tempResults = new List();
    int partsCount;

    var random = new Random();

    for (var i = 1; i <= Math.Ceiling((int)e.Argument / (double)MaxPartCount); i++)
    {
        Thread.Sleep(random.Next(500, 1000)); //simulating data fetching

        if (i * MaxPartCount <= (int)e.Argument)
            partsCount = MaxPartCount; //send maximum
        else
            partsCount = (int)e.Argument - i * MaxPartCount; //send remaining

        for (var j = 0; j < partsCount; j++)
            tempResults.Add(random.Next());

        percentageComplete = (int)(((double)(i * MaxPartCount) / (int)e.Argument) * 100);

        backgroundWorker.ReportProgress(percentageComplete, tempResults);
    }
}

Teraz główna część naszego przykładu, czyli metoda podpięta pod DoWork. W środku tej metody tworzymy pętlę, która przebiega odpowiednią ilość razy (sufit ze wszystkich wyników podzielonych na maksymalna ilość części). Jak widzimy możemy się odwołać do przesłanego argumentu poprzez e.Argument. Musimy jednak stosować rzutowanie, gdyż e.Argument jest typu object (to dosyć oczywiste). W dalszych linijkach generujemy w losowym odstępie czasu po partsCount (równa MaxPartCount albo to co nie zostało jeszcze wysłane) liczb losowych, a także obliczamy procent wykonanej roboty. Kluczową częścią metody jest jej ostatnia linijka, która wywołuje w wątku GUI metodę podpiętą pod ProgressChanged. Do metody tej przekazujemy procent wykonanej pracy oraz znowu mamy opcjonalnie do przekazania jeden argument (ponownie typu object). To umożliwia nam sprytne użycie pozyskanych częściowych wyników - wysłanie ich do GUI. Dalsza część to już oczywistość:

private void backgroundWorker_ProgressChanged(object sender, ProgressChangedEventArgs e)
{
    completeProgressBar.Value = e.ProgressPercentage;
    foreach (var item in (List)e.UserState)
        resultsListBox.Items.Add(item);
}

private void backgroundWorker_RunWorkerCompleted(object sender, RunWorkerCompletedEventArgs e)
{
    startButton.IsEnabled = true;
}

W backgroundWorker_ProgressChanged uaktualniamy stan ProgressBara oraz dodajemy pozyskane elementu do ListBoksa. Jest to możliwe gdyż, jak już wspomniałem, metoda ta wywoływana jest w tym samym wątku co GUI. Warto zwrócić uwagę na przekazany argument dostępny pod e.UserState - znów konieczne jest rzutowanie. Po skończonej pracy odblokowywujemy przycisk start i to tyle.

Podsumowanie

Widzimy, że rozwiązanie problemu częściowego uaktualniania interfejsu za pomocą BackgroundWorkera jest bardzo łatwe. To jest niewątpliwy plus. Ten sposób ma też (jak chyba wszystko ;)) jednak swoje wady. Po pierwsze, widać w kodzie, że w wielu miejscach musimy stosować rzutowanie z typu object na inny typ. Nie jest to operacja bezpieczna i przy jakichkolwiek zmianach w kodzie należy pamiętać aby pozmieniać też rzutowania w innych miejscach. Innym minusem jest utrudnione oddzielnie widoku od logiki, gdyż klasa BackgroundWorker pozostaje mocno powiązana z GUI.

Konicząc mój wywód - jeśli tworzysz małą aplikację lub pogodzenie się z minusami BackgroundWorkera nie jest szkodliwe dla Ciebie, ani dla tworzonego kodu - jak najbardziej polecam to rozwiązanie, bo po co pisać kod, który stworzył już ktoś wcześniej?

Niejednokrotnie podczas pisania aplikacji napotyka się na sytuację gdy jedna metoda produkuje pewne dane, inna natomiast w pewien sposób je konsumuje. Czasem dobrym pomysłem jest, w przypadku gdy produkowane dane są w pewien sposób podzielne na części, wykonywać produkcję i konsumpcję w równoległych wątkach. Tutaj pojawia się istotny problem z zagadnienia wielowątkowości – synchronizacja. Oba (wszystkie) wątki współdzielące dany zasób muszą z niego korzystać w pewien ustalony sposób, tak aby w danej chwili korzystał z niego tylko jeden z wątków. W uproszczeniu, zapewnienie tego stanu nazywamy synchronizacją. Problem ten jest na tyle niebanalny i powszechny, że platforma .NET wspomaga synchronizację za pomocą wbudowanych mechanizmów. Jednym z nich jest słowo kluczowe lock. Użycie słowa kluczowego lock wygląda tak:

 lock(somethingSharedToLock)
{
     // operations on the locked object
}

Jak widać składnia jest bardzo prosta, ale co tak właściwie daje nam lock? Użycie słowa kluczowego lock gwarantuje nam, iż żaden inny wątek nie będzie ingerował w zablokowany obiekt podczas wykonywania instrukcji z nawiasu klamrowego. Natomiast jeśli obiekt jest zablokowany przez inny wątek, to kolejny lock będzie cierpliwie czekał na zwolnienie obiektu i dopiero wtedy go zablokuje. Pięknie, prawda? :) Oczywiście lock, jak wszystko – ma swoje wady. Częste i nierozważne lockowanie może doprowadzić do tzw. zakleszczenia (ang. deadlock). Starczy tej teorii, przejdźmy do przykładu (przykład z całą pewnością nie pokazuje best practices tworzenia kodu, ale chodziło mi o maksymalne uproszczenie przykładu).

Stwórzmy sobie prostą klasę producenta:

class Producer
{
public bool IsFinished
{
    get;
    set;
}
public List List
{
    get;
    set;
}
public Producer()
{
    List = new List();
    IsFinished = false;
}
public void Produce()
{
    Random random = new Random();

    for (int i = 0; i < 20; i++)
    {
        List.Add(random.Next(0, 20));
        Console.WriteLine("Producer[{0}]={1}", i, List[i]);
        Thread.Sleep(500);
    }
    IsFinished = true;
    Console.WriteLine("Producer has finished his work");
}
}

Klasa ta, jak widać, w konstruktorze przyjmuję listę, a następnie po wywołaniu Produce() wpisuje do tej listy losowe liczby całkowite z przedziału <0,20) wypisując je przy okazji. Klasa posiada pole które poinformuje nas, że praca została zakończona. Usypianie w metodzie produkującej umożliwi nam zaobserwowanie pewnej ciekawej rzeczy, ale o tym dalej.

Klasa konsumenta:

class Consument
{
    private Producer producer;
    public Consument(Producer producer)
    {
        this.producer = producer;
    }
    public void Consume()
    {
        int currentElement = 0;
        int elementCount = 0;

        while (true)
        {
              elementCount = producer.List.Count;

              if (producer.List.Count > currentElement)
              {
                   producer.List[currentElement] += 2;
                   Console.WriteLine("Consument[{0}]={1}", currentElement, producer.List[currentElement]);
                   currentElement++;
              }
              if (producer.List.Count == currentElement && producer.IsFinished)
                   break;
         }
         Console.WriteLine("Consument has finished his work");
    }
}

Konsument, w konstruktorze przyjmuje producenta, a po wywołaniu Consume(), o ile pojawiło się coś nowego zwiększa wartość każdego elementu o 2, a następnie go wypisuje. Metoda kończy swoje działanie w momencie, gdy Producent da o tym znać i wszystkie elementy zostaną zmienione.

Pozostaje nam odpalić produkcje i konsumpcje w oddzielnych wątkach:

private static void Main(string[] args)
{
     Producer producer = new Producer();
     Consument consument = new Consument(producer);

     Thread producerThread = new Thread(new ThreadStart(producer.Produce));
     Thread consumentThread = new Thread(new ThreadStart(consument.Consume));

     producerThread.Start();
     consumentThread.Start();
     producerThread.Join();
     consumentThread.Join();
}

Wynik działania programu (przykładowy!!):

Producer[0]=0
Consument[0]=2
Producer[1]=4
Consument[1]=4
Producer[2]=17
Consument[2]=17
Producer[3]=8
Consument[3]=8
Producer[4]=0
Consument[4]=2
Producer[5]=16
Consument[5]=16
Producer[6]=6
Consument[6]=6
Producer[7]=13
Consument[7]=13
Producer[8]=17
Consument[8]=19
Producer[9]=9
Consument[9]=11
Producer[10]=15
Consument[10]=17
Producer[11]=14
Consument[11]=14
Producer[12]=11
Consument[12]=13
Producer[13]=3
Consument[13]=5
Producer[14]=15
Consument[14]=15
Producer[15]=13
Consument[15]=13
Producer[16]=16
Consument[16]=18
Producer[17]=5
Consument[17]=7
Producer[18]=2
Consument[18]=2
Producer[19]=14
Consument[19]=16
Producer has finished his work
Consument has finished his work

Ups! Widzimy, że w wielu przypadkach (1, 2, 3, 5, 6, 7, 11, 14, 15, 18 - czyli w połowie wszystkich) wartość producenta nie została zmieniona, tak jakbyśmy chcieli. Czemu się tak stało? Otóż produkcja kolejnych elementów trwa dłużej niż konsumpcja (poprzez wspomniane wcześniej Thread.Sleep(500)) co powoduje iż w pewnych momentach dana jest "jeszcze" tworzona, a próbuje już być skonsumowana, co powoduje iż proces konsumpcji (dodanie do wartości 2) zostaje pominięte. Uniknięcie tej katastrofy jest możliwe dzięki wspomnianemu lockowi. Wystarczy napisać:

lock (((ICollection)List).SyncRoot)
{
    List.Add(random.Next(0, 20));
    Console.WriteLine("Producer[{0}]={1}", i, List[i]);
    Thread.Sleep(500);
}

oraz:

lock (((ICollection)producer.List).SyncRoot)
{
    elementCount = producer.List.Count;

    if (producer.List.Count > currentElement)
    {
        producer.List[currentElement] += 2;
        Console.WriteLine("Consument[{0}]={1}", currentElement, producer.List[currentElement]);
        currentElement++;
    }
    if (producer.List.Count == currentElement && producer.IsFinished)
        break;
}

To zapewni nam prawidłowe działanie kodu (jak nie wierzycie - sprawdźcie sami :)). A co tak właściwie się stało? Kolekcja w momencie produkowania jest na chwilę blokowana, a więc konsumpcja jest wtedy wstrzymana, gdy produkcja się skończy, konsumpcja zabiera kolekcję dla siebie. Dzięki temu działanie jest zgrabnie zsynchronizowane. Dla kolekcji, w celu synchronizacji należy używać właściwości SyncRoot która jest wymagana przez interfejs ICollection. Wszystkie inne obiekty możemy lockować w sposób bezpośredni (lock(someObject)) chyba, że coś (dokumentacja) podpowiada nam inaczej ;)

To tyle w tej kwestii, dla zainteresowanych polecam poczytać Thread Synchronization oraz How to: Synchronize a Producer and a Consumer Thread.

Pełny listing:

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading;

namespace ProducentConsumerExample
{
    class Example
    {
        private static void Main(string[] args)
        {
            Producer producer = new Producer();
            Consument consument = new Consument(producer);

            Thread producerThread = new Thread(new ThreadStart(producer.Produce));
            Thread consumentThread = new Thread(new ThreadStart(consument.Consume));

            producerThread.Start();
            consumentThread.Start();

            producerThread.Join();
            consumentThread.Join();
        }
    }

    class Producer
    {
        public bool IsFinished
        {
            get;
            set;
        }

        public List List
        {
            get;
            set;
        }

        public Producer()
        {
            List = new List();
            IsFinished = false;
        }

        public void Produce()
        {
            Random random = new Random();

            for (int i = 0; i < 20; i++)
            {
                lock (((ICollection)List).SyncRoot)
                {
                    List.Add(random.Next(0, 20));
                    Console.WriteLine("Producer[{0}]={1}", i, List[i]);
                    Thread.Sleep(500);
                }
            }

            IsFinished = true;

            Console.WriteLine("Producer has finished his work");
        }
    }

    class Consument
    {
        private Producer producer;

        public Consument(Producer producer)
        {
            this.producer = producer;
        }

        public void Consume()
        {
            int currentElement = 0;
            int elementCount = 0;

            while (true)
            {
                lock (((ICollection)producer.List).SyncRoot)
                {
                    elementCount = producer.List.Count;

                    if (producer.List.Count > currentElement)
                    {
                        producer.List[currentElement] += 2;
                        Console.WriteLine("Consument[{0}]={1}", currentElement, producer.List[currentElement]);
                        currentElement++;
                    }
                    if (producer.List.Count == currentElement && producer.IsFinished)
                        break;
                }
            }

            Console.WriteLine("Consument has finished his work");
        }
    }
}