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	2011年12月27日 07:00

Windows和Android之——GUI多线程编程

Xu Xing

1. 简介

本文包括下述内容：

GUI的一般原理。

Windows Forms和Android 的多线程GUI编程的对比。

本文要求读者对Windows Forms( C#)和Android GUI编程有基本的了解。

2. GUI的基本元素

GUI系统通常包含下述核心组件：

UI元素：

这些UI元素可以组织成为树形结构；在 Android，UI元素由View及其子类组成。而在Windows Forms( C#),这些元素由Control组成。UI元素实现对自身大小，位置的管理。并借助图形引擎将自身的内容绘制到指定位置。

图形引擎：

如2D或者3D引擎。实现绘制点、线，2D/3D图形的功能。 Android使用了Skia/OpenGL ES。Windows Forms可用的有GDI（?其实微软使用的什么2D/3D引擎了解与不了解不太重要，会用就可以了。）。

对绘图区域的抽象：

这里的绘图区域可以直接是屏幕区域(如X Window)。也可以是一块内存区域(如Android)。Android提供了Surface对象用于抽象绘图区域。

无论是Android编程，还是Forms编程，最常用的接口其实是UI元素和绘图上下文提供的。直接用到图形引擎和绘图区域的机会比较少。这是因为绘图上下文通常就封装了图形引擎和绘图区域。譬如Android使用Canvas的对象，既提供了2D绘图操作，同时还会被指定一块绘图区域。而Forms也提供了Graphics对象。

事件处理和窗口管理：

这一部分和本文要论述的问题关系不大。而且这些往往都不仅仅是接口层面的东西。暂且不表。

Forms的UI元素类图（部分）：

Forms-UI Elements

Android的UI元素类图（部分）：

Android UI Elements
Android UI Elements2

3. Android多线程GUI

在Android，多线程界面分为两种情况：非UI线程通过异步消息更新UI；非UI线程通过直接操作Surface的形式更新绘图缓冲区，最终实现对屏幕内容的更新。

为了不至于混淆，对Android约定如下：Android UI是指用View及其子类组成的实现。UI线程是指实现对View及其子类进行更新、事件处理的线程。Android UI通过Surface最终显示在屏幕上。但是应用也可以直接操作 Surface往绘图缓冲区绘制内容。

那么，Windows的C#是否也提供了类似的机制和实现呢？这正是本文要通过实例来揭示的内容。

3.1 Android:范例HandlerExample介绍

范例HandlerExample说明：UI线程，即Activity所在线程使用了Yes/No按钮和一个SurfaceView、以及提供辅助信息的TextView和布局容器等。UI线程将会负责Yes/No按钮的显示隐藏。而UserThread负责刷新SurfaceView对应的Surface。UI线程使用mHandlerMain接收来自UserThread的消息以控制Yes/No按钮的显示隐藏。而UserThread使用mHandlerChild接收来自UI线程的消息，以实现在SurfaceView上绘制不同的色块。图示如下：

Android Example

使用下述的layout文件：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>

<LinearLayout

android:id="@+id/widget31"

android:orientation="vertical"

android:layout_width="fill_parent"

android:layout_height="fill_parent"

xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"

<TextView

android:layout_width="fill_parent"

android:layout_height="50dip"

android:textSize="25sp"

android:text="@string/info"

<LinearLayout

android:orientation="horizontal"

android:layout_width="fill_parent"

android:layout_height="50dip">

<Button

android:id="@+id/yes_button"

android:layout_width="50dip"

android:layout_height="50dip"

android:text="@string/yes" >

</Button>

<Button

android:id="@+id/no_button"

android:layout_width="50dip"

android:layout_height="50dip"

android:text="@string/no" >

</Button>

</LinearLayout>

<SurfaceView android:id="@+id/test_surfaceview"

android:layout_width="100dip"

android:layout_height="100dip"/>

</LinearLayout>

本章所介绍的内容都是基于这个范例。

3.2 Android:非UI线程更新UI

Android的UI是非线程安全的。即如果你要在非UI线程更新UI，只能通过往UI线程发送消息或者提交Runnable来实现。非UI线程是不能直接操作UI元素的。

发送消息的方式：

1,非UI线程，发送消息给UI线程的Handler

mHandlerMain.removeMessages(MAIN_MSG_HIDE);

mHandlerMain.sendMessageDelayed(

mHandlerMain.obtainMessage(MAIN_MSG_HIDE), 0);

2,UI线程,接收到来自非UI线程的消息

private Handler mHandlerMain = new Handler() {

//Handler没有任何参数，其使用的事件Loop就是申明Handler所在线程使用的Loop。

//即UI线程。所以其handleMessage的执行也是位于UI线程。

@Override

public void handleMessage(Message msg) {

switch (msg.what) {

…

case MAIN_MSG_HIDE: {

mYesButton.setVisibility(View.INVISIBLE);

mNoButton.setVisibility(View.INVISIBLE);

break;

}

…

}

};

提交Runnable的方式：

1,非UI线程，提交Runnable给UI线程

mHandlerMain.post(mMainRunable);

2, 在UI线程执行mMainRunable

// Use Runnable or Msg, they both work

public Runnable mMainRunable = new Runnable() {

public void run() {

Log.d(TAG, "mMainRunable::run thread id= "

+ Thread.currentThread().getId());

if (true) {

mYesButton.setVisibility(View.VISIBLE);

mNoButton.setVisibility(View.VISIBLE);

}

};

对于Android而言，无论使用哪一种机制，最终都是在UI线程里面对UI进行更新。

有时候你会发现，你在非UI线程里面对View进行操作，系统并没有报错。大家应该了解，多线程编程，一次或者若干次的结果正确并不表示这么做就是正确的。

3.3 Android:非UI线程更新绘图缓冲区

Android通常使用SurfaceView(或者其子类GLSurfaceView等)来实现对绘图缓冲区的更新。但是SurfaceView使用的绘图缓冲区（绘图缓冲区其实就是Surface）和UI主线程使用的绘图缓冲区不是同一个。了解过Android Graphics框架的同学都清楚，Android是客户端渲染，服务器合成的机制。每个客户端维护一到多个绘图缓冲区（Surface），譬如这里的HandlerExample最少就有两个Surface：一个用于显示UI主线程的View Tree。另一个用于UserThread的内容显示。

Android要在非UI主线程里面操作绘图缓冲区主要分下述几步：

1,在UI主线程里面通过SurfaceHolder.Callback接口获取SurfaceView的SurfaceHolder

// @Override

public void surfaceChanged(SurfaceHolder holder, int format, int width,

int height) {

mSurfaceHolder = holder;

}

2，使用Canvas往SurfaceHolder指定的Surface绘制图形

void drawColor(Paint paint, int color) {

DisplayMetrics displayMetrics = new DisplayMetrics();

getWindowManager().getDefaultDisplay().getMetrics(displayMetrics);

int height = displayMetrics.heightPixels;

int width = displayMetrics.widthPixels;

if (mSurfaceHolder != null) {

Canvas canvas = mSurfaceHolder.lockCanvas(null);

paint.setColor(color);

canvas.drawRect(new RectF(0, 0, width, height), paint);

mSurfaceHolder.unlockCanvasAndPost(canvas);

}

3.4 Android:线程的事件循环和线程间通信

Android封装了一个Looper对象。该对象实现了一个循环，用于从MessageQueue里面提取消息，然后将消息分发给对应的Handler。而Handler本身也提供了Handler::sendMessage和Handler::post函数用于给相应的MessageQueue队列插入事件。Looper和MessageQueue，Handler三个对象使得线程（非UI线程和UI线程都可以）之间的异步通信实现起来非常简单。

线程要创建自己的Looper使用下述代码：

Looper.prepare();

Looper.loop();

4. C#多线程GUI

在C#的多线程界面，作者已知两种情况：非UI线程更新UI；非UI线程更新绘图缓冲区。

4.1 C#:非UI线程更新UI

所使用的范例：FormsMultiThreadDemo。

FormsMultiThreadDemo

userThread，非UI线程，点击界面Safe Call,

// Form1.cs

private void SetText(string text)

{

// InvokeRequired required compares the thread ID of the

// calling thread to the thread ID of the creating thread.

// If these threads are different, it returns true.

if (this.textBox1.InvokeRequired)

{

SetTextCallback d = new SetTextCallback(SetText);

this.Invoke(d, new object[] { text });

}

Else

{

//如果直接这么做，系统会出错！非UI线程不能直接更新界面

this.textBox1.Text = text;

}

因为不知道windows内部实现。所以作者无法去了解this.Invoke的实现。从给用户提供的接口来看，C#和Android其实非常的类似：非UI线程都无法直接操作UI元素。非UI线程最终都是以消息或者特殊调用的方式实现对UI元素的操作。

4.2 C#:非UI线程更新绘图缓冲区

所使用的范例：GraphicsMultiThreadDemo。

功能介绍：程序启动的时候，会在界面显示”Hello,OnPaint”和红色竖排的”Sample Text”。当用户点击”Start Graphics Thread”时，会显示绿色竖排的”Sample Text”

Forms Graphics Thread

UI线程，点击”Start Graphics Thread”按钮

//MainForm.Designer.cs

private void StartGraphicsThread()

{

this.graphicsThread =new Thread(new ThreadStart(this.GraphicsThread));

this.graphicsThread.Start();

}

Graphics Thread子线程，绘制绿色竖排文字

// MainForm.Designer.cs

private void GraphicsThread()

{

this.customControl.DrawVerticalString();

}

//CustomControl.cs

public void DrawVerticalString()

{

Console.Write("\n***************" + System.Threading.Thread.CurrentThread.ManagedThreadId+"\n");

System.Drawing.Graphics formGraphics = this.CreateGraphics();

string drawString = "Sample Text";

System.Drawing.Font drawFont = new System.Drawing.Font("Arial", 16);

System.Drawing.SolidBrush drawBrush = new System.Drawing.SolidBrush(System.Drawing.Color.Green);

float x = 10.0F;

float y = 50.0F;

System.Drawing.StringFormat drawFormat = new System.Drawing.StringFormat();

drawFormat.FormatFlags = StringFormatFlags.DirectionVertical;

formGraphics.DrawString(drawString, drawFont, drawBrush, x, y, drawFormat);

drawFont.Dispose();

drawBrush.Dispose();

formGraphics.Dispose();

}

从代码逻辑看，C#通过Control::CreateGraphics获得绘图缓冲区，然后往里面绘制内容。至于这块缓冲区和当前Control所使用的缓冲区是否是同一块存储空间，这个也需要微软提供解答。

4.3 C#:非UI线程的事件循环和线程间通信

在作者即将给C#下定论，微软在C#这一块为开发者做的很少的时候。作者发现了BackgroundWorker。这个类封装了事件循环、和UI线程的通信机制。但是看起来确实不如Android的直接。

BackgroundWorker提供了三个主要的接口：

DoWork接口：在非UI线程里面执行

this.backgroundWorker1.DoWork+=new DoWorkEventHandler(backgroundWorker1_DoWork);

ProgressChanged接口：在UI线程里面执行

this.backgroundWorker1.ProgressChanged += new ProgressChangedEventHandler(backgroundWorker1_ProgressChanged);

ProgressChanged接口：在UI线程里面执行

this.backgroundWorker1.RunWorkerCompleted += new RunWorkerCompletedEventHandler(backgroundWorker1_RunWorkerCompleted);

使用BackgroundWorker的主要流程是：

1，启动BackgroundWorker(在UI主线程启动BackgroundWorker肯定是没有问题的。作者没有测试在非UI线程里面启动是否可以)

this.backgroundWorker1.RunWorkerAsync(…);

2，BackgroundWorker所在线程执行DoWork指定的任务。

3，UI线程调用ProgressChanged更新进度。

4，UI线程调用RunWorkerCompleted以结束任务。

步骤3，4其实都封装了BackgroundWorker线程到UI线程间通信的内容。只是看起来不像Android的实现那么直接而已。

5. 总结

从UI相关的多线程支持上来看，Android和C#在功能和接口上差别不是很大。在UI线程和非UI线程间通信、非UI线程更新绘图缓冲区等功能上，两者都提供了较完备的支持。但是在接口的易用上，作者更倾向于Android。C#发展了这么多年，也许为了后向兼容，在新技术的使用上，肯定没Android这个全新的平台这么彻底。