详解WPF线程模型和Dispatcher

这里将介绍WPF线程模型和Dispatcher，首先我们要了解WPF应用程序从两个线程开始：一个用于处理呈现，一个用于管理UI。希望能对大家有所帮助。

WPF线程模型是从WPF的两个线程：一个用于处理呈现和一个用于管理UI开始。并展开同时讨论Dispatcher的相关对象。

通常，WPF应用程序从两个线程开始：一个用于处理呈现，一个用于管理UI。呈现线程有效地隐藏在后台运行，而UI线程则接收输入、处理事件、绘制屏幕以及运行应用程序代码。

UI 线程对一个名为Dispatcher的对象内的工作项进行排队。Dispatcher基于优先级选择工作项，并运行每一个工作项，直到完成。

每个UI 线程都必须至少有一个Dispatcher，并且每个Dispatcher都只能在一个线程中执行工作项。

这两段是MSDN上关于WPF线程模型的描述。主要介绍了两个概念：
  一，WPF中线程一分为二，一个用于呈现（Render），一个用于管理UI；
  二，在UI线程中，使用了一个名为Dispatcher的类帮助UI线程处理任务。

那么这个线程模型和Dispatcher到底是怎样的呢，它又有什么特点，有什么优缺点呢？在正式分析线程模型和Dispatcher之前，先找一个插入点,对应这个插入点我们需要有所理解。

作为一个Presentation的基架，WPF的使命就是要编写图形化的操作界面。而在Windows操作系统上，图形化界面是建立在消息机制这个基础上的，那么创建一个窗口，要经历哪些步骤呢？

1. 创建窗口类。 WNDCLASSEX wcex； RegisterClassEx(&wcex);

2. 创建窗口。CreateWindow(…); ShowWindow(…); UpdateWindow(…);

3. 建立消息泵。 　

while (GetMessage(&msg, NULL, 0, 0))
{
TranslateMessage(&msg);
DispatchMessage(&msg);
}

打个比方，我们在一个自动化的厂房里生产设备。基于正规，我们会首先定义好该设备的模板，这就是创建窗口类，这里”类”更多表示类别的意思。模板定义完毕，我们可以正式生产设备了，这就是创建窗口，这个CreateWindow的时候会通过字符串来匹配到我们定义的模板（窗口类）。创建成功后，我们要让设备动起来，就要像人一样，体内一定要有类似于血液的流传机制，把命令传达到设备的各个部分，这就是消息泵，这个泵就像我们的心脏一样，源源不断的通过GetMessage并Dispatch来分发血液（消息）。既然我们通过消息来对设备下达指令，那么就要有消息队列来存储消息，在Windows中，线程为基本的调度单位，这个消息队列就在线程上，当循环使用GetMessage时，就是在当前线程的消息队列中任劳任怨的取出消息，然后分发到对应的窗口中去。

那么具体到WPF，它又是一个怎么样的情况，如何和老的技术兼容，又有什么新的突破呢？

WPF引入了Dispatcher的概念，这个Dispatcher的主要功能类似于Win32中的消息队列，在它的内部函数，仍然调用了传统的创建窗口类，创建窗口，建立消息泵等操作。Dispatcher本身是一个单例模式，构造函数私有，暴露了一个静态的CurrentDispatcher方法用于获得当前线程的Dispatcher。对于线程来说，它对Dispatcher是一无所知的，Dispatcher内部维护了一个静态的List _dispatchers, 每当使用CurrentDispatcher方法时，它会在这个_dispatchers中遍历，如果没有找到，则创建一个新的Dispatcher对象，加入到_dispatchers中去。Dispatcher内部维护了一个Thread的属性，创建Dispatcher时会把当前线程赋值给这个Thread的属性，下次遍历查找的时候就使用这个字段来匹配是否在_dispatchers中已经保存了当前线程的Dispatcher。

那么这个创建窗口，建立消息泵又是什么时候被调用的呢？在Dispatcher内部，维护了一个HwndWrapper的字段，在Dispatcher的构造函数中，调用了HwndWrapper的构造函数，这个创建窗口类，创建窗口就是在这个函数中被调用的。这里实际的类是MessageOnlyHwndWrapper，这个Message-Only，是Windows编程中常用的伎俩，创建一个隐藏窗口，仅仅用来派发消息。那么循环读取消息的消息泵又是什么时候建立起来的呢？

Dispatcher对外提供了一个静态的Run函数，顾名思义，就是启动Dispatcher，在函数内部，调用了PushFrame函数，在这个函数中，可以找到熟悉的GetMessage, TranslateAndDispatchMessage。那么这个PushFrame是怎么回事，Frame这个概念又是如何而来的呢？

这个就是WPF线程模型引入的一个新的概念，嵌套消息泵，就是在一个While(GetMessage(...))内部又启动了一个While(GetMessage(...))。每调用一次PushFrame，就会启动一个新的嵌套的消息泵。每调用一次GetMessage，就在线程的消息队列中取出一个消息，直至取出WM_QUIT的时候GetMessage才返回False。这个GetMessage函数Windows内部进行了处理，当消息队列为空时，挂起执行线程，避免死循环的发生。关于嵌套消息泵的优缺点，我们稍后再讲，先来看看Dispatcher是如何处理任务的：

Windows中定义了很多Message，以WM_开头，在注册窗口类的时候需要设置窗口过程函数，GetMessage取得的消息再分发到窗口过程函数中，整个过程为： 



这个图来自于侯捷的经典书籍《深入浅出MFC》，1.首先创建Window并指定窗口的过程函数WndProc。2.当窗口创建时一个WM_CREATE被放入到消息队列中，3.消息泵通过GetMessage取得该消息后分发到窗口，窗口过程函数处理这个WM_CREATE消息…

那么WPF线程模型的Dispatcher在这个过程中扮演了什么角色呢？前面的1,2,3仍然如此，当窗口过程函数接收到消息时，它需要根据消息的类别把Windows消息转译成内部的RoutedEvent或者调用布局函数等来处理。前面提到了Dispatcher主要功能类似于Win32中的消息队列，这个队列中存放的对象是DispatcherOperation，这个DispatcherOperation，顾名思义，就是把每一个执行项封装成一个对象，类似：



这个队列的类型为PriorityQueue，是一个含有优先级的队列。WPF定义了这个优先级DispatcherPriority，有



当对这个PriorityQueue调用DeQueue时，就会取出优先级最高的任务。那么这个队列中的任务是什么时候被添加的，又是什么时候被取出执行的呢？

Dispatcher暴露了两个方法，Invoke和BeginInvoke，这两个方法还有多个不同参数的重载。其中Invoke内部还是调用了BeginInvoke，一个典型的BeginInvoke参数如下：

public DispatcherOperation BeginInvoke(Delegate method, DispatcherPriority priority, params object[] args);

在这个BeginInvoke内部，会把执行函数method与参数args封装成DispatcherOperation,并按priority加入到PriorityQueue中，这个返回值就是内部创建的DispatcherOperation。也就是说每调用一次Invoke和BeginInvoke，就向Dispatcher中加入了一个任务，那么这个任务什么时候被执行呢？

DispatcherPriority定义了很多优先级，WPF将这些优先级主要分成两类。前台优先级和后台优先级，其中前台包括Loaded~Send，后台包括Background~Input。剩下的几个优先级除了Invalid和Inactive都属于空闲优先级，处理顺序同后台优先级。这个前台优先级和后台优先级的分界线是以Input来区分的，这里的Input指的是键盘输入和鼠标移动、点击等等。ProrityQueue的来源有：



当然，这里Hwnd级别Hook到的消息最终也是调用Dispatcher的Invoke/BeginInvoke方法加入到Dispatcher的队列中去的。当处理这个PriorityQueue时，会首先取得队列中的最大优先级，如果它属于前台优先级，执行。如果属于后台优先级，那么它要去扫描线程的消息队列，看看其中是由有类似WM_MOUSEMOVE之类的Input消息。如果没有，执行。如果存在，则放弃执行，并启动一个Timer，当Timer唤起时继续判断是否可以执行。

那么处理PriorityQueue的时机呢？当你调用BeginInvoke，向队列中加入执行项的同时，也会调用处理Queue的判断。判断逻辑和上面类似，队列中最大优先级是前台优先级，向隐藏窗口PostMessage，这个消息是Disptcher使用RegisterWinodwMessage注册的自定义消息。然后在GetMessage的时候如果取出这个自定义消息，则处理PriorityQueue。如果是后台优先级，扫描线程消息队列的Input消息，决定是否启动Timer还是PostMessage。

举个例子，在后台线程中向UI线程中使用Invoke来发送请求，经历的过程为：

1. 调用Invoke，对传入的参数DispatcherPriority进行判断，如果是Send，这是个特殊的优先级，直接切换线程上下文，执行任务并返回。如果是其他的优先级，调用BeginInvoke。

2. 在BeginInvoke中，把传入的Delegate和参数封装成DispatcherOperation，加入到PriorityQueue中。

3. 调用队列处理的请求函数，希望处理PriorityQueue。

4. 如果队列中最大优先级属于前台优先级，调用PostMessage向隐藏窗口发送自定义消息。后台处理这里省略不表。

5. 在GetMessage中取得消息并分发到隐藏窗口，这里使用的是常见的SubWindow（注释一），消息通过Hook发送到Dispatcher的WndProcHook函数进行处理。

6. 在WndProcHook中，如果接收到的Window消息是Dispatcher自定义的消息，则真正处理PriorityQueue。

7. 处理PriorityQueue，从中取出一个任务，进行前后台优先级判断，决定是否处理还是启动Timer稍后处理。

回过头来，说一说嵌套的消息循环，这个要从模态对话框说起，一个通常的模态对话框场景如下：

SomeCodeA();

bool? result = dlg.ShowDialog();

SomeCodeB();

代码运行在UI线程中，当执行到dlg.ShowDialog时，启动模态对话框，等待用户点击Yes/No或者关闭对话框，对话框关闭后程序继续执行SomeCodeB代码。那么程序要在SomeCodeB处等待ShowDialog返回后才继续执行。当然你可以使用WaitHandle来同步，不过这个需要挂起当前(UI)线程，如果主窗口中有动画等UI动作，那么会停止得不到响应。这里WPF使用的是PushFrame，就是在ShowDialog内部又建立起了一个消息泵。While(GetMessage(…))。一方面，可以确保UI线程中的消息可以被处理；另一方面，因为是While循环，在对话框关闭时返回，可以确保SomeCodeB的执行顺序。

那么是不是这个嵌套的消息循环真的如此完美呢？当然不是，它打开了一扇门的同时，也打开了另一扇门。一个情景，当收到WM_SIZE消息的时候，Layout系统开始处理，如果在这个处理过程中，又启动了PushFrame，那么嵌套的消息泵就会继续从消息队列中取出消息，如果下一个消息也是WM_SIZE，那么进行处理。假设这个消息处理结束后这个嵌套的消息泵返回了，那么第一个WM_SIZE得以继续处理。这样就发生了错误，本来12的处理顺序变成了121。当然这种情况不仅仅发生在Layout中，所以WPF在Dispatcher中加入了一个DisableProcessing函数，在Layout等关键过程中调用了这个函数，在这个过程中停止pump消息和禁止PushFrame。

在WPF中，所有的WPF对象都派生自DispatcherObject，DispatcherObject暴露了Dispatcher属性用来取得创建对象线程对应的Dispatcher。鉴于线程亲缘性，DispatcherObject对象只能被创建它的线程所访问，其他线程修改DispatcherObject需要取得对应的Dispatcher，调用Invoke或者BeginInvoke来投入任务。一个UI线程至少有一个Dispatcher来建立消息泵处理任务，一个Dispatcher只能对应一个UI线程。那么UI线程和Render线程又如何呢？

开篇提到，WPF线程模型一分为二，一个是UI线程，一个是Render线程。这两个被设计成分离的关系，通过Channel（event）来进行通信。两者之间的数量关系是一个WPF进程只能有一个Render线程，旦可以有大于等于一个的UI线程。通常情况下是一个UI线程，也就是一个Dispatcher，那么什么情况下需要建立多个呢？

大多情况下是不需要的，少数情况下，比如MediaElement，或者Host其他ActiveX控件，我们期望在其他线程中创建，以提高性能。可以新建线程，在新线程中创建控件，并调用Dispatcher.Run启动Dispatcher。这样主Window和新控件就处在不同线程中，两者间的通信可以使用VisualTarget连接视觉树或者使用D3DImage拷贝新控件到主Window中显示。

开篇有益，WPF没有什么全新的技术，但提出了很多新的概念。




注释一:  SubWindow，子窗口子类化。通常情况，所有同类别Window会共用同一个消息处理函数WndProc，子Window可以调用SetWindowLong用SubWndProc替换WndProc，这个通常称为Sub-Window。