Multithreaded Application Tutorial/de

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Überblick

Diese Seite soll zeigen, wie man unter FreePascal und Lazarus Multithread-Anwendungen erstellt und verwaltet. In einer Multithread-Anwendung lassen sich verschiedene Aufgaben auf mehrere Threads verteilen, die gleichzeitig ausgeführt werden können.

Wenn Sie bisher keinerlei Erfahrungen zur Multithread-Programmierung gemacht haben, empfehlen wie Ihnen, sich zunächst den Artikel "Benötigt Ihre Anwendung wirklich Multithread-Eigenschaften?" sorgfältig durch zu lesen, da Multithread-Programmierung kein leichtes Unterfangen ist.

Das Hauptziel der Multithread-Programmierung ist die Verfügbarkeit der Benutzeroberfläche eines Programms, während es im Hintergrund Berechnungen durchführt. Dies kann man erreichen, indem man die Berechnung in einen Thread außerhalb des sogenannten Main-Thread verlagert, welcher für die Aktualisierung der Benutzeroberfläche zuständig ist.

Andere Anwendungen, bei denen Multithread-Programmierung zum Einsatz kommt, sind Server-Anwendungen, die mehrere Klienten gleichzeitig betreuen müssen.

Multithread-Anwendungen ermöglichen auch die Aufteilungen der Lasten einer Berechnung auf mehrere Kerne einer Multi-Core-CPU.

Wichtig: Der Main Thread wird beim Start Ihrer Anwendung vom Betriebssystem erstellt. Der Main Thread ist dabei der einzige Thread (und muss auch der einzige bleiben), der für die Aktualisierung der Komponenten der Benutzeroberfläche zuständig ist (Forms, etc.) (ansonsten hängt sich Ihre Anwendung auf).

Benötigt Ihre Anwendung wirklich Multithread-Eigenschaften?

Wenn Multithread Programmierung für Sie Neuland ist und Sie lediglich eine bessere Reaktionsfähigkeit ihrer Anwendung während langer Berechnungen benötigen, dann ist Multithreading nicht unbedingt die einfachste Lösung. Multithreading Applikationen sind immer schwieriger zu debuggen und auch oft viel komplexer. Außerdem benötigen Sie in vielen Fällen kein Multithreading, um ihre Anwendung reaktionsfähig zu halten. Statt dessen können Sie ein Application.ProcessMessages in Ihre Berechnungen mit einbauen. Dieses verarbeitet alle anstehenden Nachrichten, die an Ihre Applikation gesendet wurden und Ihre Applikation reagiert auf Ereignisse. Sie können also einen Teil der Berechnung durchführen, dann Application.ProcessMessages aufrufen und die Benutzereingaben werden verarbeitet und die Oberfläche neu gezeichnet. Platzieren Sie das Application.Processmessages z.B. in Schleifen, so dass bei jedem Schleifendurchlauf die Benutzeroberfläche reagiert.

Zum Beispiel: In den Lazarus-Beispielen unter examples/multithreading/singlethreadingexample1.lpi wird eine große Datei gelesen und verarbeitet und die oben genannte Technik benutzt.

Multithreading wird wirklich benötigt für:

  • blocking handles, wie Netzwerkkommunikation, Interrupts (Linux)
  • Mehrprozessor- oder Mehrkernbetrieb
  • Algorithmen und Bibliotheksaufrufe, die nicht in mehrere kleine Stufen zerteilt werden können.

Die Klasse TThread

Das folgende Beispiel ist im Verzeichnis examples/multithreading/ zu finden. Der einfachste Weg, um eine Multithread-Anwendung zu erstellen, ist die Verwendung der Klasse TThread. Über diese Klasse lässt sich, neben dem Main-Thread, ein zusätzlicher Thread in einfacher Weise erstellen. Unter normalen Umständen müssen dazu bloß zwei Methoden überschrieben (override) werden: Der Konstruktor Create und die Methode Execute. Im Konstruktor Create wird der Thread für die spätere Ausführung vorbereitet. Hier werden die dem Thread zugrunde liegenden Variablen initialisiert. Der originale Konstruktor des Threads enthält einen Parameter namens "Suspended": Damit der Thread nicht automatisch nach seiner Erstellung gestartet wird, ist es empfehlenswert, diesen Parameter auf "true" zu setzen. In diesem Fall können Sie den Thread zu einem späteren Zeitpunkt über die Methode "Resume" starten. Ist es dagegen erwünscht, dass der Thread direkt nach seiner Erstellung startet, setzen Sie Suspended auf "false".

Ab der Version 2.0.1 des FreePascal-Compilers lässt sich auch die Größe des von einem Thread verwendeten Stacks über einen Parameter des Konstruktor TThread.Create einstellen. Das kann beispielsweise bei rekursiven Prozeduren oder Funktionen nützlich sein. Wird die Größe des Stack nicht explizit festgelegt, verwendet FPC die vom Betriebssystem festgelegte Standardgröße.

In die (mit Parameter Override) überschriebene Methode Execute schreibt man den vom Thread auszuführenden Quelltext hinein.

Die Klasse TThread besitzt die wichtige Eigenschaft (property): Terminated : boolean; (Standardeinstellung: Terminated=false)

Der Sinn der Eigenschaft Terminated ist, dass sich ein Thread damit zu einem beliebigen Zeitpunkt abbrechen lässt. Jedoch muss dies von dem Programmierer in den Quelltext der Methode Execute eingearbeitet werden - die Methode Terminate greift also nicht direkt in den vom Programmierer vorgesehenen Programmablauf ein. Sollten sich in Ihrem Thread also Repeatschleifen oder andere sich wiederholende Stellen finden, ist es deshalb notwendig, dass Sie in jeder Schleife explizit prüfen, ob die Eigenschaft Terminated wahr oder falsch ist. Sollte Terminated=true sein, muss die Methode Execute (evtl. nach einer finalen Konfiguration) auf schnellstem Wege verlassen werden.

Wie eingangs erwähnt, sollte der erstellte Thread in keinem Fall mit den sichtbaren Komponenten der Benutzeroberfläche agieren. Die Benutzeroberfläche verändern, Eingaben abfragen, etc. darf ausschließlich der Main-Thread.

Um trotzdem aus einem Thread heraus auf die Benutzeroberfläche bzw. Variablen des Hauptprogrammes zuzugreifen, existiert die Methode Synchronize. Synchronize wird mit einer procedure als Parameter aufgerufen. Wenn Sie Synchronize(@MyMethod) aufrufen, wird der Thread gestoppt, der Code in MyMethod wird im Hauptthread ausgeführt, und dann die Bearbeitung des Threads fortgesetzt. Die exakte Arbeitsweise von Synchronize hängt von der Plattform ab.

Eine andere wichtige Eigenschaft (property) von TThread ist FreeOnTerminate. Wenn diese Eigenschaft auf True gesetzt ist, wird der Thread automatisch freigegeben (wie ein Aufruf von .Free), wenn Execute beendet wird. Beispiel: 

  Type
    TMyThread = class(TThread)
    private
      fStatusText : string;
      procedure ShowStatus;
    protected
      procedure Execute; override;
    public
      Constructor Create(CreateSuspended : boolean);
    end;

  constructor TMyThread.Create(CreateSuspended : boolean);
  begin
    FreeOnTerminate := True;
    inherited Create(CreateSuspended);
  end;

  procedure TMyThread.ShowStatus;
  // Diese Methode wird vom MainThread ausgeführt und kann deshalb auf alle GUI-Elemente zugreifen
  begin
    Form1.Caption := fStatusText;
  end;
 
  procedure TMyThread.Execute;
  var
    newStatus : string;
  begin
    fStatusText := 'TMyThread Starting...';
    Synchronize(@Showstatus);
    fStatusText := 'TMyThread Running...';
    while (not Terminated) and ([any condition required]) do
      begin
        ...
        // here goes the code of the main thread loop
        ...
        if NewStatus <> fStatusText then
          begin
            fStatusText := newStatus;
            Synchronize(@Showstatus);
          end;
      end;
  end;

In der Hauptunit erfolgt dann folgender Aufruf 

  var
    MyThread : TMyThread;
  begin
    MyThread := TMyThread.Create(True); // So startet es nicht automatisch
    ...
    // Here the code initialises anything required before the threads starts executing
    ...
    MyThread.Resume;
  end;

Soll Ihr Programm flexibler sein, können Sie ein Ereignis für den Thread erzeugen - Ihre synchronisierte Methode ist dann nicht eng an eine bestimmte Form oder Klasse gebunden und Listeners können mit dem Ereignis des Threads verbunden werden. Hier ein Beispiel: 

  Type
    TShowStatusEvent = procedure(Status: String) of Object;

    TMyThread = class(TThread)
    private
      fStatusText : string;
      FOnShowStatus: TShowStatusEvent;
      procedure ShowStatus;
    protected
      procedure Execute; override;
    public
      Constructor Create(CreateSuspended : boolean);
      property OnShowStatus: TShowStatusEvent read FOnShowStatus write FOnShowStatus;
    end;

  constructor TMyThread.Create(CreateSuspended : boolean);
  begin
    FreeOnTerminate := True;
    inherited Create(CreateSuspended);
  end;

  procedure TMyThread.ShowStatus;
  // Diese Methode wird vom MainThread ausgeführt und kann deshalb auf alle GUI-Elemente zugreifen
  begin
    if Assigned(FOnShowStatus) then
    begin
      FOnShowStatus(fStatusText);
    end;
  end;

  procedure TMyThread.Execute;
  var
    newStatus : string;
  begin
    fStatusText := 'TMyThread Starting...';
    Synchronize(@Showstatus);
    fStatusText := 'TMyThread Running...';
    while (not Terminated) and ([any condition required]) do
      begin
        ...
        [here goes the code of the main thread loop]
        ...
        if NewStatus <> fStatusText then
          begin
            fStatusText := newStatus;
            Synchronize(@Showstatus);
          end;
      end;
  end;

Und im Hauptformular 

  Type
    TForm1 = class(TForm)
      Button1: TButton;
      Label1: TLabel;
      procedure FormCreate(Sender: TObject);
      procedure FormDestroy(Sender: TObject);
    private
      { private declarations }
      MyThread: TMyThread; 
      procedure ShowStatus(Status: string);
    public
      { public declarations }
    end;

  procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);
  begin
    inherited;
    MyThread := TMyThread.Create(true);
    MyThread.OnShowStatus := @ShowStatus;
  end;

  procedure TForm1.FormDestroy(Sender: TObject);
  begin
    MyThread.Terminate;
    MyThread.Free;
    inherited;
  end;

  procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
  begin
   MyThread.Resume;
  end;

  procedure TForm1.ShowStatus(Status: string);
  begin
    Label1.Caption := Status;
  end;

Worauf Sie achten sollten

Wenn Sie den Compilerswitch -Ct (Stack Check) benutzen, kann das einige Probleme mit sich bringen (Originalübersetzung: Es könnte Ihnen Kopfschmerzen bereiten :)) Aus unbekannten Gründen "triggert" der Stack Check an jedem TThread.Create, wenn Sie die Standardgröße des Stacks benutzen. Die einzige Lösung ist zur Zeit, -Ct nicht zu benutzen.

Um auf Exceptions im Thread zu prüfen, können Sie folgendermaßen vorgehen: 

     MyThread := TThread.Create(False);
     if Assigned(MyThread.FatalException) then
       raise MyThread.FatalException;

Dieser Code sorgt dafür daß Exceptions, die während der Erzeugung des Threads auftreten, im Main Thread einen Ausnahmefehler auslösen.

Für Multithread-Anwendungen benötigte Units

Unter Windows benötigen Sie keine spezielle Unit, damit es funktioniert. Unter Linux, MacOSX und FreeBSD benötigen Sie die Unit cthreads und diese muss die erste verwendete Unit im Projekt sein (die Programm-Unit, .lpr)!

Daher sollte der Code Ihrer Lazarus-Anwendung etwa so aussehen: 

  program MyMultiThreadedProgram;
  {$mode objfpc}{$H+}
  uses
  {$ifdef unix}
    cthreads,
  {$endif}
    Interfaces, // dies bindet das LCL Widgetset ein
    Forms
    { fügen Sie Ihre Units hier hinzu },

Wenn Sie dies vergessen, kommt die folgende Fehlermeldung: 

 This binary has no thread support compiled in.
 Recompile the application with a thread-driver in the program uses clause before other units using thread.

Lazarus Packages, die Multithreading beutzen, sollten -dUseCThreads zu den benutzerdefinierten Einstellungen für abhängige Pakete hinzufügen. Dazu öffnen Sie den Package-Editor für das entsprechende Paket, unter Einstellungen > Bedienung > Benutzerdefiniert fügen Sie -dUseCThreads hinzu. Dies wird diesen Compiler-Switch für alle Projekte und andere Packages, die dieses Package benutzen (die IDE eingeschlossen), definieren. Sowohl die IDE als auch alle von ihr neu erstellten Projekte, haben bereits folgenden Code in ihrer Projektdatei (.lpr): 

  uses
    {$IFDEF UNIX}{$IFDEF UseCThreads}
    cthreads,
    {$ENDIF}{$ENDIF}

SMP (Mehrprozessor) Unterstützung

Sobald Sie Threads benutzen, werden diese vom Betriebsystem auf mehrere Prozessoren verteilt.

Debuging Multithread-Anwendungen mit Lazarus

Das Debuggen von Multithread-Anwendungen wird von Lazarus zur Zeit noch nicht vollständig unterstützt.

Debugger Ausgabe

In einer Anwendung mit einem Thread (dem Hauptthread), können Sie einfach auf die Konsole in ein Terminal oder ähnliches schreiben und die Reihenfolge der Zeilen wird chronologisch so angeordnet sein, wie Sie es ausgegeben haben. In Multithreaded Anwendungen wird dies etwas komplizierter. Wenn 2 Threads schreiben, sagen wir, eine Zeile wird von Thread A und eine von Thread B geschrieben, dann ist nicht gesagt, dass sie zeitlich in der richtigen Reihenfolge erscheinen, bzw. es kann vorkommen, dass ein Thread dem anderen in die Ausgabe hineinschreibt.

Die Unit LCLProc enthält einige Funktionen, um jeden Thread seine eigene Logdatei schreiben zu lassen: 

  procedure DbgOutThreadLog(const Msg: string); overload;
  procedure DebuglnThreadLog(const Msg: string); overload;
  procedure DebuglnThreadLog(Args: array of const); overload;
  procedure DebuglnThreadLog; overload;

Zum Beispiel: Anstelle von writeln('irgendein Text ', 123); verwenden Sie 

  DebuglnThreadLog(['irgendein Text ', 123]);

Dies wird eine Zeile 'irgendein Text 123' an die Log<PID>.txt Datei anhängen, wobei <PID> die Prozess ID des aktuellen Threads ist.

Es ist eine gute Idee, die Logdateien vor jedem Lauf zu entfernen: 

  rm -f Log* && ./project1

Linux

Das Debuggen von grafischen Multithreading-Anwendungen unter Linux funktioniert mittlerweile problemlos. In der Vergangenheit traten aber aufgrund von Kompatibilitätsproblemen dabei Probleme mit dem X-Server auf: Er stürzte ab.

Sollten bei Ihnen also solche Probleme auftreten, können Sie diese durch Starten einer neuen X-Instanz umgehen. Wie Sie dies erreichen, ist im Folgenden dargestellt. Eine andere Lösung ist bisher nicht bekannt.

X-Server in einem neuen Terminal starten

Starten Sie eine neue X-Instanz. Dies können Sie über die Konsole mit folgendem Befehl erreichen: 

 X :1 &

Nachdem Sie diesen Befehl ausgeführt haben, öffnet sich die neue X-Instanz. Mit den Tastenkombinationen [Strg]+[Alt]+[F7] und [Strg]+[Alt]+[F8] können Sie nun zwischen der Arbeitsoberfläche, auf der Sie arbeiten, und der neuen Instanz hin und her wechseln. (Bei der Slackware-Distribution und wenigen anderen wird dies durch die Kombination [Strg]+[Alt]+[F2] erreicht)

Als nächsten Schritt müssen Sie eine Desktop-Sitzung in der neuen X-Instanz starten. Starten Sie zum Beispiel eine neue gnome-Sitzung in der Konsole: 

 gnome-session --display=:1 &

X-Server in einem Fenster starten

Mit Xnest oder Xephyr können Sie auch einen X-Server in einem Fenster eines anderen X-Servers betreiben. Der Vorteil ist, dass Sie beim Debuggen nicht mehr zwischen verschiedenen Terminals wechseln müssen.

Mit dem Befehl 

 Xnest :1 -ac

starten Sie mit Xnest eine X-Sitzung auf :1 und deaktivieren die Zugriffskontrolle.

Unter GNOME können Sie auch folgenden Befehl verwenden: 

 gdmflexiserver --xnest

Dies startet nicht nur eine X-Sitzung; es wird auch gleichzeitig eine neue GDM-Sitzung, in der Sie sich anmelden können, gestartet.

Benötigte Einstellungen in Lazarus

Schließlich müssen Sie eine letzte Einstellung in Lazarus selbst vornehmen: Gehen Sie in der IDE in das Menü "Start"->"Start-Parameter...". Aktivieren Sie dort das Häkchen "Display verwenden", und tragen Sie in das Feld darunter die Zuordnungsnummer ":1" ein.


Jetzt wird die Anwendung auf dem zweiten X Server laufen und Sie sind in der Lage, sie vom ersten aus zu debuggen.

Dies wurde mit Free Pascal 2.0 und Lazarus 0.9.10 unter Windows und Linux getestet.

Widgetsets

Die win32, gtk und carbon Schnittstellen unterstützen Multithreading vollständig. Das bedeutet, TThread, critical sections und Synchronize funktioniert.

Critical sections

Eine critical section (kritischer Abschnitt) stellt sicher, dass in einer multi-thread Anwendung nicht gleichzeitig von verschiedenen Threads aus auf einen bestimmten Bereich des Codes zugegriffen wird. Bevor eine critical section benutzt werden kann, muss sie erstellt und initialisiert werden; wenn sie nicht mehr gebraucht wird, muss sie freigegeben werden.

Zur Verwendung von critical sections gehen Sie wie folgt vor:

Fügen Sie über uses die Unit SyncObjs hinzu, die die notwendigen Routinen beinhaltet.

Als nächsten Schritt deklarieren Sie die critical section (für alle Threads, die auf die section Zugriff haben sollen): 

  MyCriticalSection: TRTLCriticalSection;

Erstellen Sie die Section mit folgender Prozedur: 

 InitCriticalSection(MyCriticalSection);


Starten Sie einige Threads, die exklusive Aufgaben durchführen: 

  EnterCriticalSection(MyCriticalSection);
  try
    // An dieser Stelle können Sie auf Variablen zugreifen, Dateien schreiben, auf das Netzwerk zugreifen, u.s.w.
  finally
    LeaveCriticalSection(MyCriticalSection);
  end;

Nachdem alle Threads, die Zugriff auf die critical section hatten, beendet wurden, müssen Sie sie nun deinitialisieren: 

  DoneCriticalSection(MyCriticalSection);

Alternativ können Sie die Klasse TCriticalSection benutzen. Das Erstellen eines Objektes der Klasse entspricht hier der Initialisierung, die Methode Enter entspricht obigem EnterCriticalSection, die Methode Leave entspricht der obigen LeaveCriticalSection und die Vernichtung (destruction) des Objektes erledigt das Freigeben.

Beispiel: 5 Threads, die einen einzigen Zähler erhöhen: lazarus/examples/multithreading/criticalsectionexample1.lpi

ACHTUNG: Sowohl die RTL als auch die LCL beinhalten beide obige 4 Funktionen. (Die Funktionen der LCL sind in den Units LCLIntf und LCLType definiert.) Beide erfüllen den gleichen Zweck. Sie können sowohl die Funktionen der RTL als auch die Funktionen der LCL zur selben Zeit in Ihrem Programm einsetzen. Sie sollten es nur vermeiden, die "critical section"-Funktionen der LCL auf die Funktionen der RTL anzuwenden und umgekehrt.


Gemeinsamer Variablenzugriff

Mehrere Threads können sich eine Variable im Lesezugriff teilen, ohne dass Probleme zu erwarten sind. Nur wenn der eine oder andere Thread den Wert der Variablen ändern möchte, muss sicher gestellt werden, dass niemals mehrere Threads gleichzeitig auf die Variable zugreifen.


Als Beispiel: 5 Threads inkrementieren einen Counter: lazarus/examples/multithreading/criticalsectionexample1.lpi

Wenn ein Thread das Ergebnis eines anderen benötigt...

Wenn ein Thread A das Ergebnis eines Threads B benötigt, muss er warten, bis B fertig ist.

Wichtig: Der Main-Thread sollte niemals auf einen anderen Thread warten müssen. Für diesen Fall benutzen Sie am Besten Synchronize (oben beschrieben).

Beispiel: lazarus/examples/multithreading/waitforexample1.lpi 

{ TThreadA }

procedure TThreadA.Execute;
begin
  Form1.ThreadB := TThreadB.Create(false);
  // create event
  WaitForB := RTLEventCreate;
  while not Application.Terminated do begin
    // wait infinitely (until B wakes A)
    RtlEventWaitFor(WaitForB);
    WriteLn('A: ThreadB.Counter=', Form1.ThreadB.Counter);
  end;
end;

{ TThreadB }

procedure TThreadB.Execute;
var
  i: Integer;
begin
  Counter := 0;
  while not Application.Terminated do begin
    // B: Working ...
    Sleep(1500);
    inc(Counter);
    // wake A
    RtlEventSetEvent(Form1.ThreadA.WaitForB);
  end;
end;

Fork

When forking in a multithreaded application, be aware that any threads created and running BEFORE the fork (or fpFork) call, will NOT be running in the child process. As stated on the fork() man page, any threads that were running before the fork call, their state will be undefined.

So be aware of any threads initializing before the call (including on the initialization section). They will NOT work.

Distributed computing

The next higher steps after multi threading is running the treads on multiple machines.

  • You can use one of the TCP suites like synapse, lnet or indy for communications. This gives you maximum flexibility and is mostly used for loosely connected Client / Server applications.
  • You can use message passing libraries like MPICH, which are used for HPC (High Performance Computing) on clusters.
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