WCF后续之旅(11): 关于并发、回调的线程关联性（Thread Affinity）

对于一般的多线程操作，比如异步地进行基于文件系统的IO操作；异步地调用Web Service；或者是异步地进行数据库访问等等，是和具体的线程无关的。也就是说，对于这些操作，任意创建一个新的线程来执行都是等效的。但是有些情况下，有些操作却只能在固定的线程下执行。比如，在GUI应用下，对控件的访问就需要在创建该控件的线程下执行；或者我们在某个固定的线程中通过TLS（Thread Local Storage）设置了一些Context信息，供具体的操作使用，我们把操作和某个固定的线程的依赖称为线程关联性（Thread Affinity）。在这种情况下，我们的异步操作就需要被Marshal到固定的线程执行。在WCF并发或者Callback的情况下也具有这样的基于线程关联性的问题。

一、从基于Windows Application客户端的WCF回调失败谈起

在"我的WCF之旅"系列文章中,有一篇（WinForm Application中调用Duplex Service出现TimeoutException的原因和解决方案）专门介绍在一个Windows Application客户端应用, 通过WCF 的Duplex通信方式进行回调失败的文章.我们今天以此作为出发点介绍WCF在Thread Affinity下的表现和解决方案.

我们来创建一个WCF的应用来模拟该场景: 客户端是一个基于Windows Form应用, 完成一个计算器的功能, 用户输入操作数,点击"计算"按钮, 后台通过调用WCF service, 并传递一个用于显示计算结果的Callback对象; service进行相应的计算得到最后的运算结果,调用该Callback对象将运算结果显示到客户端界面.这是我们的WCF四层结构：

1、Contract：ICalculate & ICalculateCallback

namespace Artech.ThreadAffinity.Contracts
{
    [ServiceContract(CallbackContract = typeof(ICalculateCallback))]
    public interface ICalculate
    {
        [OperationContract]
        void Add(double op1, double op2);
    }
}

这是Service Contract，下面是Callback Contract，用于显示运算结果：

   1: namespace Artech.ThreadAffinity.Contracts

   2: {

   3:    public interface ICalculateCallback

   4:     {

   5:         [OperationContract]

   6:         void DisplayResult(double result);

   7:     }

   8: } 

2、Service：CalculateService

   1: namespace Artech.ThreadAffinity.Services

   2: {

   3:     [ServiceBehavior(ConcurrencyMode = ConcurrencyMode.Reentrant)]

   4:     public class CalculateService:ICalculate

   5:     {

   6:         public static ListBox DisplayPanel

   7:         { get; set; }         

   8:  

   9:         #region ICalculate Members 

  10:  

  11:         public void Add(double op1, double op2)

  12:         {

  13:             double result = op1 + op2;

  14:             ICalculateCallback callback = OperationContext.Current.GetCallbackChannel<ICalculateCallback>();            

  15:  

  16: DisplayPanel.Items.Add(string.Format("{0} + {1} = {2}", op1, op2, result));

  17:  

  18:             callback.DisplayResult(result);

  19:         } 

  20:  

  21:         #endregion

  22:     }

  23: }

由于需要进行callback, 我们把ConcurrencyMode 设为Reentrant。当得到运算的结果后，通过OperationContext.Current.GetCallbackChannel得到callback对象，并调用之。还有一点需要提的是，该service是通过一个Windows Form application进行host的。并且有一个ListBox列出所有service执行的结果，就像这样：

3、Hosting

Hosting的代码写在Form的Load事件中：

   1: private void HostForm_Load(object sender, EventArgs e)

   2: {    

   3:     this._serviceHost = new ServiceHost(typeof(CalculateService));

   4:     CalculateService.DisplayPanel = this.listBoxResult;

   5:     CalculateService.SynchronizationContext = SynchronizationContext.Current;

   6:     this._serviceHost.Opened += delegate

   7:     { 

   8: this.Text = "The calculate service has been started up!";

   9:     }; 

  10:  

  11:     this._serviceHost.Open();

  12: } 

我们注意到了CalculateService使用到的用于显示所有预算结果的ListBox就是在这了通过static property传递的。

这么配置文件

   1: <configuration>

   2:     <system.serviceModel>

   3:         <services>

   4:             <service name="Artech.ThreadAffinity.Services.CalculateService">

   5:                 <endpoint binding="netTcpBinding" bindingConfiguration="" contract="Artech.ThreadAffinity.Contracts.ICalculate" />

   6:                 <host>

   7:                     <baseAddresses>

   8:                         <add baseAddress="net.tcp://127.0.0.1:8888/calculateservice" />

   9:                     </baseAddresses>

  10:                 </host>

  11:             </service>

  12:         </services>

  13:     </system.serviceModel>

  14: </configuration> 

4、Client

Client的界面很简单：输入两个操作数，点击“=”按钮，将运算结果显示出来。

先来看看client端对callback contract的实现：

   1: namespace Clients

   2: {

   3:     public class CalculateCallback : ICalculateCallback

   4:     {

   5:         public static TextBox ResultPanel;               

   6:  

   7:         #region ICalculateCallback Members 

   8:  

   9:         public void DisplayResult(double result)

  10:         {

  11:             ResultPanel.Text = result.ToString();

  12:         }         

  13:  

  14:         #endregion

  15:     }

  16: } 

这是配置：

   1: <configuration>

   2:     <system.serviceModel>

   3:         <client>

   4:             <endpoint address="net.tcp://127.0.0.1:8888/calculateservice"

   5:                 binding="netTcpBinding" bindingConfiguration="" contract="Artech.ThreadAffinity.Contracts.ICalculate"

   6:                 name="calculateservice" />

   7:         </client>

   8:     </system.serviceModel>

   9: </configuration>

然后是我们“=”按钮的单击事件对运算的实现：

   1: private void buttonCalculate_Click(object sender, EventArgs e)

   2: {

   3:     CalculateCallback.ResultPanel = this.textBoxResult;

   4:     DuplexChannelFactory<ICalculate> channelFactory = new DuplexChannelFactory<ICalculate>(new CalculateCallback(), "calculateservice");

   5:     ICalculate calculator = channelFactory.CreateChannel();

   6:     calculator.Add(double.Parse(this.textBoxOp1.Text), double.Parse(this.textBoxOp2.Text));

   7: } 

CalculateCallback 用于显示运算结果的TextBox通过statis property实现传递。这个实现很简单，貌似没有什么问题，但是我们运行程序，在客户端就会抛出这样的exception。可以看出是一个TimeoutException。

二、是什么导致TimeoutException？

我们现在来分析是什么导致了TimeoutException的抛出。原因很简单：由于我们对service的调用的是在UI 线程调用的，所以在开始调用到最终得到结果，这个UI Thread会被锁住；但是当service进行了相应的运算的到运算的结果后，需要调用callback对象对client进行回调，默认的情况下，Callback的执行是在UI线程执行的。当Callback试图执行的时候，发现UI 线程被锁，只能等待。这样形成一个死锁，UI线程需要等待CalculateService执行返回后才能解锁，而CalculateService需要Callback执行完成；而Callback需要等到UI线程解锁才能执行。

基于上门的原因，我们有两种解决方案：

• CalculateService不必等到Callback执行完成就返回，我们可以通过异步调用Callback。或者让Client异步方式调用CalculateService，以便及时释放UI线程，我们可以通过One-way的方式来进行service的调用。
• 让Callback的执行不必绑定到UI线程

三、解决方案一：通过异步调用或者One-way回调

为了简单起见，我们通过ThreadPool实现了异步回调：

   1: public void Add(double op1, double op2)

   2: {

   3:     double result = op1 + op2;

   4:     ICalculateCallback callback = OperationContext.Current.GetCallbackChannel<ICalculateCallback>();  

   5:  

   6:     ThreadPool.QueueUserWorkItem(delegate{ callback.DisplayResult(result); }, null);

   7: } 

这是一种方案，另一种是将Add操作设成One-way的：

   1: namespace Artech.ThreadAffinity.Contracts

   2: {

   3:     [ServiceContract(CallbackContract = typeof(ICalculateCallback))]

   4:     public interface ICalculate

   5:     {

   6:         [OperationContract(IsOneWay = true)]

   7:         void Add(double op1, double op2);

   8:     }

   9: } 

这两种方案都可以解决问题。

四、方案二、通过解除Callback操作和UI线程的关联性

现在我们才进入我们今天讨论的主题：WCF并发操作的线程关联性问题。在这之前，我们需要了解一个重要的对象：SynchonizationContext（System.Threading.SynchronizationContext）。SynchonizationContext就是为了解决这种线程关联性问题而设计的。SynchonizationContext提供了两个主要的API将操作和对应的Thread关联：Post和Send。

   1: public virtual void Post(SendOrPostCallback d, object state) 

   2: public virtual void Send(SendOrPostCallback d, object state) 

Send和Post分别以同步和异步的方式将以Delegate表示的具体的操作和SynchonizationContext对象对应的Thread关联，而SendOrPostCallback delegate对象代表你需要的线程关联操作，state代表传入delegate的参数：

public delegate void SendOrPostCallback(object state);

对于某些具有线程关联的应用，比如Windows Form application，在程序启动的时候，会设置当前的SynchonizationContext对象（Windows Form application使用的是继承了SynchonizationContext的WindowsFormsSynchronizationContext ：System.Windows.Forms.WindowsFormsSynchronizationContext）。当前SynchonizationContext被成功初始化后，你就可以通过SynchonizationContext的静态属性Current得到它。在你自己的应用中，如何有需要，你也可以自定义SynchonizationContext，并通过静态方法SetSynchronizationContext将其设置为current SynchronizationContext。

对应WCF来说，无论是host一个service，还是在调用service时制定callback，在默认的情况下，service和callback的操作将自动和当前的SynchonizationContext进行关联（如何有的话）。也就是说，如过我们的service被host到Windows Form application下，那么service的操作将在UI 线程下执行；同理，如何我们在一个Windows Forms UI线程下调用duplex service并制定callback，那么callback的最终执行将在UI线程。

关于WCF对线程关联性的控制，可以通过ServiceBehavior或者CallbackBehavior的UseSynchronizationContext属性进行设定，该属性默认为true，这正式WCF默认具有线程关联性的原因。

现在我们来实现我们的第二套方案：让Callback的执行不必绑定到UI线程。为此我们只需要加上如何的CallbackBehavior attribute就可以了。

   1: namespace Artech.ThreadAffinity.Clients

   2: {

   3:     [CallbackBehavior(UseSynchronizationContext = false)]

   4:     public class CalculateCallback : ICalculateCallback

   5:     {

   6:         public static TextBox ResultPanel; 

   7:  

   8:         #region ICalculateCallback Members 

   9:  

  10:         public void DisplayResult(double result)

  11:         {

  12:             ResultPanel.Text = result.ToString();

  13:  

  14:         } 

  15:  

  16:         #endregion

  17:     }

  18: }

  19:  

但是现在我们运行我们的程序，将会出现如下的InvalidOperation异常：

原因很简单，由于我们将callbaclk的UseSynchronizationContext 设置成false，那么callback的操作将不会再UI线程下执行。但是我们需要运算的结果输入到UI的TextBox上，对UI上控件的操作需要在UI线程上执行，显然会抛出异常了。

为了我们引入SynchonizationContext到CalculateCallback中：将SynchonizationContext定义成一个static属性，通过Post方法异步地实现对运算结果的显示。

   1: namespace Artech.ThreadAffinity.Clients

   2: {

   3:     [CallbackBehavior(UseSynchronizationContext = false)]

   4:     public class CalculateCallback : ICalculateCallback

   5:     {

   6:         public static TextBox ResultPanel;

   7:        public static SynchronizationContext SynchronizationContext; 

   8:  

   9:         #region ICalculateCallback Members 

  10:  

  11:         public void DisplayResult(double result)

  12:         {

  13:              SynchronizationContext.Post(delegate { ResultPanel.Text = result.ToString(); }, null);           

  14:         }        

  15:  

  16:         #endregion

  17:     }

  18: } 

SynchonizationContext在调用service的时候指定：

   1: private void buttonCalculate_Click(object sender, EventArgs e)

   2: {

   3:     CalculateCallback.ResultPanel = this.textBoxResult;

   4:     CalculateCallback.SynchronizationContext = SynchronizationContext.Current; 

   5:  

   6:     DuplexChannelFactory<ICalculate> channelFactory = new DuplexChannelFactory<ICalculate>(new CalculateCallback(), "calculateservice");

   7:     ICalculate calculator = channelFactory.CreateChannel();

   8:     calculator.Add(double.Parse(this.textBoxOp1.Text), double.Parse(this.textBoxOp2.Text));

   9: } 

现在我们程序能够正常运行了。

五、另一种可选方案：通过ISynchronizeInvoke的Invoke/BeginInvoke

熟悉Windows Form编程的读者应该都知道，WinForm空间的基类Control（System.Windows.Forms.Control）都实现了System.ComponentModel.ISynchronizeInvoke接口，而Control对ISynchronizeInvoke的实现就是为了解决Control的操作必须在创建Control线程的问题，ISynchronizeInvoke定义Invoke和BeginInvoke方法方面我们以同步或者异步的方式操作Control：

   1: public interface ISynchronizeInvoke

   2: {

   3:     // Methods

   4:     [HostProtection(SecurityAction.LinkDemand, Synchronization=true, ExternalThreading=true)]

   5:     IAsyncResult BeginInvoke(Delegate method, object[] args);

   6:     object EndInvoke(IAsyncResult result);

   7:     object Invoke(Delegate method, object[] args); 

   8:  

   9:     // Properties

  10:     bool InvokeRequired { get; }

  11: } 

  12:  

如何我们放弃基于SynchonizationContext的解决方案，我们也可以通过基于ISynchronizeInvoke的方式来解决这个问题。为此我们这样定义CalculateCallback：

   1: namespace Artech.ThreadAffinity.Clients

   2: {

   3:     [CallbackBehavior(UseSynchronizationContext = false)]

   4:     public class CalculateCallback : ICalculateCallback

   5:     {

   6:         public static TextBox ResultPanel;

   7:         public delegate void DisplayResultDelegate(TextBox resultPanel, double result); 

   8:  

   9:         #region ICalculateCallback Members 

  10:  

  11:         public void DisplayResult(double result)

  12:         {

  13:             DisplayResultDelegate displayResultDelegate = new DisplayResultDelegate(DisplayResult);

  14:            ResultPanel.BeginInvoke(displayResultDelegate, new object[] { ResultPanel, result });                   

  15:         } 

  16:  

  17:         private void DisplayResult(TextBox resultPanel, double result)

  18:         {

  19:             resultPanel.Text = result.ToString();

  20:         } 

  21:  

  22:         #endregion

  23:     }

  24: } 

  25:  

由于BeginInvoke方式只能接受一个具体的delegate对象（不能使用匿名方法），所以需要定义一个具体的Delegate（DisplayResultDelegate）和对应的方法（DisplayResult），参数通过一个object[]传入。

从本质上将，这两种方式的实现完全是一样的，如何你查看System.Windows.Forms.WindowsFormsSynchronizationContext的代码，你会发现其Send和Post方方法就是通过调用Invoke和BeginInvoke方式实现的。

六、Service Hosting的线程关联性

我们花了很多的精力介绍了WCF Duplex通信中Callback操作的线程关联性问题，实际上我们使用到更多的还是service操作的线程关联性问题。就以我们上面的程序为例，我们通过一个Windows Form application来host我们的service，并且要求service的运算结束后将结果输出到server端的Window form的ListBox中，对ListBox的操作肯定需要的Host程序的UI线程中执行。

按照我们一般的想法，我们的Service面向若干client，肯定是并发的接收client端的请求，以多线程的方式执行service的操作，那么操作中UI 控件的操作肯定会出现错误。

我们的程序依然可以正常运行，其根本原因是WCF的service操作默认实现了对Host service的当前线程的SynchonizationContext实现了关联。与Callback操作的线程关联性通过CallbackBehavior的UseSynchronizationContext 进行控制一样，service的线程关联性通过ServiceBehavir的UseSynchronizationContext 进行设定。UseSynchronizationContext 的默认值为true。

如何我们将CalculateService的UseSynchronizationContext 设为false：

   1: namespace Artech.ThreadAffinity.Services

   2: {

   3:     [ServiceBehavior(ConcurrencyMode = ConcurrencyMode.Reentrant,UseSynchronizationContext = false)]

   4:     public class CalculateService:ICalculate

   5:     {

   6:         public static ListBox DisplayPanel

   7:         { get; set; }       

   8:  

   9:         #region ICalculate Members 

  10:  

  11:         public void Add(double op1, double op2)

  12:         {

  13:             double result = op1 + op2;

  14:             ICalculateCallback callback = OperationContext.Current.GetCallbackChannel<ICalculateCallback>();            

  15:  

  16:            DisplayPanel.Items.Add(string.Format("{0} + {1} = {2}", op1, op2, result));

  17:  

  18:             callback.DisplayResult(result);

  19:         } 

  20:  

  21:         #endregion

  22:     }

  23: } 

  24:  

有control被不是创建它的线程操作，肯定会抛出一个InvalidOperationException，就像这样：

我们一样可以通过SynchonizationContext或者ISynchronizeInvoke的方式来解决这样的问题，我们只讨论前面一种，为此我们改变了CalculateService的定义：通过SynchonizationContext的Post方法实现对ListBox的访问。

   1: namespace Artech.ThreadAffinity.Services

   2: {

   3:     [ServiceBehavior(ConcurrencyMode = ConcurrencyMode.Reentrant,UseSynchronizationContext = false)]

   4:     public class CalculateService:ICalculate

   5:     {

   6:         public static ListBox DisplayPanel

   7:         { get; set; } 

   8:  

   9:         public static SynchronizationContext SynchronizationContext

  10:         { get; set; } 

  11:  

  12:         #region ICalculate Members 

  13:  

  14:         public void Add(double op1, double op2)

  15:         {

  16:             double result = op1 + op2;

  17:             ICalculateCallback callback = OperationContext.Current.GetCallbackChannel<ICalculateCallback>();

  18:            SynchronizationContext.Post(delegate

  19:             {

  20:                 DisplayPanel.Items.Add(string.Format("{0} + {1} = {2}", op1, op2, result));

  21:             }, null); 

  22:  

  23:             callback.DisplayResult(result);            

  24:         } 

  25:  

  26:         #endregion

  27:     }

  28: } 

  29:  

通过static属性定义的SynchonizationContext在host的时候指定：

   1: private void HostForm_Load(object sender, EventArgs e)

   2: {    

   3:     this._serviceHost = new ServiceHost(typeof(CalculateService));

   4:     CalculateService.DisplayPanel = this.listBoxResult;

   5:    CalculateService.SynchronizationContext = SynchronizationContext.Current;

   6:     this._serviceHost.Opened += delegate

   7:     { 

   8: this.Text = "The calculate service has been started up!";

   9:     }; 

  10:  

  11:     this._serviceHost.Open();

  12: } 

  13:  

这样我们的程序又可以正常运行了。

WCF后续之旅：
WCF后续之旅(1): WCF是如何通过Binding进行通信的
WCF后续之旅(2): 如何对Channel Layer进行扩展——创建自定义Channel
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