演练：从用户界面线程中移除工作

项目
02/21/2013

本文档演示如何使用并发运行时将 Microsoft 基础类 (MFC) 应用程序中的用户界面 (UI) 线程所执行的工作移到辅助线程。本文档还演示如何提高长时间绘制操作的性能。

通过将阻塞操作（例如绘制操作）卸载到辅助线程，从 UI 线程中移除工作，可以提高应用程序的响应能力。本演练使用可生成 Mandelbrot 分形的绘制例程来演示长时间的阻塞操作。生成 Mandelbrot 分形也很适合于并行化，因为每个像素的计算都独立于所有其他计算。

系统必备

在开始本演练之前，请阅读下列主题：

此外，建议您在开始本演练之前，先了解 MFC 应用程序开发和 GDI+ 的基础知识。有关 MFC 的更多信息，请参见 MFC 桌面应用程序。有关 GDI+ 的更多信息，请参见 GDI+。

各节内容

本演练包含以下各节：

创建 MFC 应用程序
实现 Mandelbrot 应用程序的序列化版本
从用户界面线程中移除工作
提高绘制性能
添加取消支持

创建 MFC 应用程序

本节描述如何创建基本 MFC 应用程序。

创建 Visual C++ MFC 应用程序

在**“文件”菜单上，单击“新建”，然后单击“项目”**。
在**“新建项目”对话框的“已安装的模板”窗格中，选择“Visual C++”，然后在“模板”窗格中选择“MFC 应用程序”。为项目键入名称（例如 Mandelbrot），然后单击“确定”以显示“MFC 应用程序向导”**。
在**“应用程序类型”窗格中选择“单个文档”。确保清除“文档/视图结构支持”**复选框。
单击**“完成”以创建项目，然后关闭“MFC 应用程序向导”**。

通过生成并运行应用程序来验证该应用程序已成功创建。若要生成应用程序，请在**“生成”菜单上单击“生成解决方案”。如果成功生成了该应用程序，请单击“调试”菜单上的“开始调试”**来运行该应用程序。

实现 Mandelbrot 应用程序的序列化版本

本节说明如何绘制 Mandelbrot 分形。此版本向 GDI+ Bitmap 对象绘制 Mandelbrot 分形，然后将此位图的内容复制到客户端窗口中。

实现 Mandelbrot 应用程序的序列化版本

在 stdafx.h 中，添加以下 #include 指令：
```
#include <memory>
```
在 ChildView.h 中，在 pragma 指令后面定义 BitmapPtr 类型。BitmapPtr 类型允许多个组件共享指向 Bitmap 对象的指针。当 Bitmap 对象不再由任何组件引用时，删除此对象。
```
typedef std::shared_ptr<Gdiplus::Bitmap> BitmapPtr;
```

在 ChildView.h 中，将以下代码添加到 CChildView 类的 protected 部分中：

protected:
   // Draws the Mandelbrot fractal to the specified Bitmap object.
   void DrawMandelbrot(BitmapPtr);

protected:
   ULONG_PTR m_gdiplusToken;

在 ChildView.cpp 中，注释掉或移除以下行。
```
//#ifdef _DEBUG
//#define new DEBUG_NEW
//#endif
```
在调试版本中，此步骤可阻止应用程序使用与 GDI+ 不兼容的 DEBUG_NEW 分配器。
在 ChildView.cpp 中，将 using 指令添加到 Gdiplus 命名空间。
```
using namespace Gdiplus;
```

将以下代码添加到 CChildView 类的构造函数和析构函数中以初始化并关闭 GDI+。

CChildView::CChildView()
{
   // Initialize GDI+.
   GdiplusStartupInput gdiplusStartupInput;
   GdiplusStartup(&m_gdiplusToken, &gdiplusStartupInput, NULL);
}

CChildView::~CChildView()
{
   // Shutdown GDI+.
   GdiplusShutdown(m_gdiplusToken);
}

实现 CChildView::DrawMandelbrot 方法。此方法向指定的 Bitmap 对象绘制 Mandelbrot 分形。

// Draws the Mandelbrot fractal to the specified Bitmap object.
void CChildView::DrawMandelbrot(BitmapPtr pBitmap)
{
   if (pBitmap == NULL)
      return;

   // Get the size of the bitmap.
   const UINT width = pBitmap->GetWidth();
   const UINT height = pBitmap->GetHeight();

   // Return if either width or height is zero.
   if (width == 0 || height == 0)
      return;

   // Lock the bitmap into system memory.
   BitmapData bitmapData;   
   Rect rectBmp(0, 0, width, height);
   pBitmap->LockBits(&rectBmp, ImageLockModeWrite, PixelFormat32bppRGB, 
      &bitmapData);

   // Obtain a pointer to the bitmap bits.
   int* bits = reinterpret_cast<int*>(bitmapData.Scan0);

   // Real and imaginary bounds of the complex plane.
   double re_min = -2.1;
   double re_max = 1.0;
   double im_min = -1.3;
   double im_max = 1.3;

   // Factors for mapping from image coordinates to coordinates on the complex plane.
   double re_factor = (re_max - re_min) / (width - 1);
   double im_factor = (im_max - im_min) / (height - 1);

   // The maximum number of iterations to perform on each point.
   const UINT max_iterations = 1000;

   // Compute whether each point lies in the Mandelbrot set.
   for (UINT row = 0u; row < height; ++row)
   {
      // Obtain a pointer to the bitmap bits for the current row.
      int *destPixel = bits + (row * width);

      // Convert from image coordinate to coordinate on the complex plane.
      double y0 = im_max - (row * im_factor);

      for (UINT col = 0u; col < width; ++col)
      {
         // Convert from image coordinate to coordinate on the complex plane.
         double x0 = re_min + col * re_factor;

         double x = x0;
         double y = y0;

         UINT iter = 0;
         double x_sq, y_sq;
         while (iter < max_iterations && ((x_sq = x*x) + (y_sq = y*y) < 4))
         {
            double temp = x_sq - y_sq + x0;
            y = 2 * x * y + y0;
            x = temp;
            ++iter;
         }

         // If the point is in the set (or approximately close to it), color
         // the pixel black.
         if(iter == max_iterations) 
         {         
            *destPixel = 0;
         }
         // Otherwise, select a color that is based on the current iteration.
         else
         {
            BYTE red = static_cast<BYTE>((iter % 64) * 4);
            *destPixel = red<<16;
         }

         // Move to the next point.
         ++destPixel;
      }
   }

   // Unlock the bitmap from system memory.
   pBitmap->UnlockBits(&bitmapData);
}

实现 CChildView::OnPaint 方法。此方法调用 CChildView::DrawMandelbrot，然后将 Bitmap 对象的内容复制到此窗口中。

void CChildView::OnPaint() 
{
   CPaintDC dc(this); // device context for painting

   // Get the size of the client area of the window.
   RECT rc;
   GetClientRect(&rc);

   // Create a Bitmap object that has the width and height of 
   // the client area.
   BitmapPtr pBitmap(new Bitmap(rc.right, rc.bottom));

   if (pBitmap != NULL)
   {
      // Draw the Mandelbrot fractal to the bitmap.
      DrawMandelbrot(pBitmap);

      // Draw the bitmap to the client area.
      Graphics g(dc);
      g.DrawImage(pBitmap.get(), 0, 0);
   }
}

通过生成并运行应用程序来验证应用程序是否已成功更新。

下图演示 Mandelbrot 应用程序的结果。

Mandelbrot 应用程序

由于计算每个像素要消耗大量的计算资源，因此在整体计算完成之前，UI 线程无法处理其他消息。这会降低应用程序的响应能力。但是，您可以通过从 UI 线程中移除工作来缓解此问题。

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从 UI 线程中移除工作

本节演示如何从 Mandelbrot 应用程序的 UI 线程中移除绘制工作。将绘制工作从 UI 线程移动到辅助线程后，辅助线程在后台生成图像，同时 UI 线程可以处理消息。

并发运行时提供三种运行任务的方式：任务组、异步代理和轻量级任务。虽然您可以使用任何一种机制从 UI 线程中移除工作，此示例使用 concurrency::task_group 对象，因为任务组支持取消。本演练稍后将使用取消功能，以便在调整客户端窗口大小时减少所执行的工作量，并在窗口销毁时执行清理工作。

此示例还使用了 concurrency::unbounded_buffer 对象，使 UI 线程和辅助线程以相互进行通信。辅助线程在产生图像后将一个指向 Bitmap 对象的指针发送到 unbounded_buffer 对象，然后将一条绘制消息发送给 UI 线程。接着，UI 线程将从 unbounded_buffer 对象接收 Bitmap 对象，并将该对象绘制到客户端窗口。

从 UI 线程中移除绘制工作

在 stdafx.h 中，添加以下 #include 指令：
```
#include <agents.h>
#include <ppl.h>
```
在 ChildView.h 中，将 task_group 和 unbounded_buffer 成员变量添加到 CChildView 类的 protected 部分。task_group 对象保留执行绘制的任务；unbounded_buffer 对象保留已完成的 Mandelbrot 图像。
```
concurrency::task_group m_DrawingTasks;
concurrency::unbounded_buffer<BitmapPtr> m_MandelbrotImages;
```
在 ChildView.cpp 中，将 using 指令添加到 concurrency 命名空间。
```
using namespace concurrency;
```

在CChildView::DrawMandelbrot方法，在调用之后Bitmap::UnlockBits，调用 concurrency::send 传递函数Bitmap到 UI 线程对象。然后，将绘制消息发送到 UI 线程并使工作区无效。

// Unlock the bitmap from system memory.
pBitmap->UnlockBits(&bitmapData);

// Add the Bitmap object to image queue.
send(m_MandelbrotImages, pBitmap);

// Post a paint message to the UI thread.
PostMessage(WM_PAINT);
// Invalidate the client area.
InvalidateRect(NULL, FALSE);

更新 CChildView::OnPaint 方法以接收已更新的 Bitmap 对象并在客户端窗口中绘制图像。

void CChildView::OnPaint() 
{
   CPaintDC dc(this); // device context for painting

   // If the unbounded_buffer object contains a Bitmap object, 
   // draw the image to the client area.
   BitmapPtr pBitmap;
   if (try_receive(m_MandelbrotImages, pBitmap))
   {
      if (pBitmap != NULL)
      {
         // Draw the bitmap to the client area.
         Graphics g(dc);
         g.DrawImage(pBitmap.get(), 0, 0);
      }
   }
   // Draw the image on a worker thread if the image is not available.
   else
   {
      RECT rc;
      GetClientRect(&rc);
      m_DrawingTasks.run([rc,this]() {
         DrawMandelbrot(BitmapPtr(new Bitmap(rc.right, rc.bottom)));
      });
   }
}

如果消息缓冲区中不存在 Mandelbrot 图像，CChildView::OnPaint 方法将创建一个任务来生成 Mandelbrot 图像。对于初始绘制消息和另一个窗口移到客户端窗口前面的情况，消息缓冲区中将不包含 Bitmap 对象。

通过生成并运行应用程序来验证应用程序是否已成功更新。

现在，UI 线程能够更快地响应，因为绘制工作在后台执行。

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提高绘制性能

生成 Mandelbrot 分形很适合于并行化，因为每个像素的计算都独立于所有其他计算。并行化绘图的过程，将外部for循环中CChildView::DrawMandelbrot方法的调用 concurrency::parallel_for 算法，如下所示。

// Compute whether each point lies in the Mandelbrot set.
parallel_for (0u, height, [&](UINT row)
{
   // Loop body omitted for brevity.
});

因为每个位图元素的计算都是独立的，所以您不必同步访问位图内存的绘制操作。这样，性能将随可用处理器数的增加而进行调整。

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添加取消支持

本节描述如何调整窗口大小，以及如何在窗口销毁时取消任何活动的绘制任务。

PPL 中的取消操作文档解释取消操作如何在运行时中工作。取消是协作性的操作；因此，它不会立即发生。若要停止已取消的任务，则在从任务中对运行时进行后续调用期间，运行时将引发内部异常。上一节演示了如何使用 parallel_for 算法提高绘制任务的性能。调用 parallel_for 后运行时将能够停止任务，并因此使取消操作起作用。

取消活动任务

Mandelbrot 应用程序将创建其维度与客户端窗口大小匹配的 Bitmap 对象。每次调整客户端窗口大小时，此应用程序都会另外创建一个后台任务，以便针对新的窗口大小生成图像。此应用程序不需要这些中间图像，而只需要针对最终窗口大小的图像。若要阻止此应用程序执行这一附加工作，您可以取消 WM_SIZE 和 WM_SIZING 消息的消息处理程序中的任何活动的绘制任务，然后在调整窗口大小之后重新计划绘制工作。

若要取消活动绘图的任务，调整窗口大小时，应用程序调用 concurrency::task_group::cancel 中的处理程序方法WM_SIZING和WM_SIZE消息。该处理程序的WM_SIZE消息还调用 concurrency::task_group::wait 等待所有活动完成的任务，然后重新安排的更新的窗口大小的绘图任务的方法。

当客户端窗口销毁时，最好取消任何活动的绘制任务。取消任何活动的绘制任务可确保在客户端窗口销毁后，辅助线程不会向 UI 线程发送消息。此应用程序将取消 WM_DESTROY 消息的处理程序中的任何活动的绘制任务。

响应取消操作

执行绘制任务的 CChildView::DrawMandelbrot 方法必须对取消操作做出响应。因为运行时使用异常处理来取消任务，所以 CChildView::DrawMandelbrot 方法必须使用异常安全机制来保证正确清理所有资源。此示例使用“获取资源即初始化”(RAII) 模式来保证在取消任务时不锁定位图位。

在 Mandelbrot 应用程序中添加取消支持

在 ChildView.h 中，在 CChildView 类的 protected 部分，为 OnSize、OnSizing 和 OnDestroy 消息映射函数添加声明。

afx_msg void OnPaint();
afx_msg void OnSize(UINT, int, int);
afx_msg void OnSizing(UINT, LPRECT); 
afx_msg void OnDestroy();
DECLARE_MESSAGE_MAP()

在 ChildView.cpp 中，修改消息映射以包含 WM_SIZE、WM_SIZING 和 WM_DESTROY 消息的处理程序。

BEGIN_MESSAGE_MAP(CChildView, CWnd)
   ON_WM_PAINT()
   ON_WM_SIZE()
   ON_WM_SIZING()
   ON_WM_DESTROY()
END_MESSAGE_MAP()

实现 CChildView::OnSizing 方法。此方法取消任何现有绘制任务。

void CChildView::OnSizing(UINT nSide, LPRECT lpRect)
{
   // The window size is changing; cancel any existing drawing tasks.
   m_DrawingTasks.cancel();
}

实现 CChildView::OnSize 方法。此方法取消任何现有绘制任务，并针对更新后的客户端窗口大小创建一个新的绘制任务。

void CChildView::OnSize(UINT nType, int cx, int cy)
{
   // The window size has changed; cancel any existing drawing tasks.
   m_DrawingTasks.cancel();
   // Wait for any existing tasks to finish.
   m_DrawingTasks.wait();

   // If the new size is non-zero, create a task to draw the Mandelbrot 
   // image on a separate thread.
   if (cx != 0 && cy != 0)
   {      
      m_DrawingTasks.run([cx,cy,this]() {
         DrawMandelbrot(BitmapPtr(new Bitmap(cx, cy)));
      });
   }
}

实现 CChildView::OnDestroy 方法。此方法取消任何现有绘制任务。

void CChildView::OnDestroy()
{
   // The window is being destroyed; cancel any existing drawing tasks.
   m_DrawingTasks.cancel();
   // Wait for any existing tasks to finish.
   m_DrawingTasks.wait();
}

在 ChildView.cpp 中，定义实现 RAII 模式的 scope_guard 类。

// Implements the Resource Acquisition Is Initialization (RAII) pattern 
// by calling the specified function after leaving scope.
class scope_guard 
{
public:
   explicit scope_guard(std::function<void()> f)
      : m_f(std::move(f)) { }

   // Dismisses the action.
   void dismiss() {
      m_f = nullptr;
   }

   ~scope_guard() {
      // Call the function.
      if (m_f) {
         try {
            m_f();
         }
         catch (...) {
            terminate();
         }
      }
   }

private:
   // The function to call when leaving scope.
   std::function<void()> m_f;

   // Hide copy constructor and assignment operator.
   scope_guard(const scope_guard&);
   scope_guard& operator=(const scope_guard&);
};

在调用 Bitmap::LockBits 之后，将以下代码添加到 CChildView::DrawMandelbrot 方法：

// Create a scope_guard object that unlocks the bitmap bits when it
// leaves scope. This ensures that the bitmap is properly handled
// when the task is canceled.
scope_guard guard([&pBitmap, &bitmapData] {
   // Unlock the bitmap from system memory.
   pBitmap->UnlockBits(&bitmapData);      
});

此代码通过创建 scope_guard 对象处理取消操作。当该对象离开范围时，它将取消锁定位图位。

修改 CChildView::DrawMandelbrot 方法的结尾，以便在取消锁定位图位之后、发送任何消息到 UI 线程之前关闭 scope_guard 对象。这样可确保在取消锁定位图位之前不会更新 UI 线程。

// Unlock the bitmap from system memory.
pBitmap->UnlockBits(&bitmapData);

// Dismiss the scope guard because the bitmap has been 
// properly unlocked.
guard.dismiss();

// Add the Bitmap object to image queue.
send(m_MandelbrotImages, pBitmap);

// Post a paint message to the UI thread.
PostMessage(WM_PAINT);
// Invalidate the client area.
InvalidateRect(NULL, FALSE);

通过生成并运行应用程序来验证应用程序是否已成功更新。

当调整窗口的大小时，仅针对最终窗口大小执行绘制工作。当窗口销毁时，也将取消任何活动的绘制任务。

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