COM對象的線程模型

查找了好多資料，終于對套件這一概念有一點心得，趕緊記錄下來。
首先，只要遵守COM規(guī)范，不用COM庫也能編寫COM程序，那相當于自己實現(xiàn)用到的COM庫函數(shù)。本篇COM如果單獨出現(xiàn)，指COM庫。
1 ? 進程、線程回顧
《WINDOWS核心編程》對進程和線程有深入解釋，一個程序運行起來，需要一個進程作為容器。進程管理所有系統(tǒng)資源、內(nèi)存、線程等等。線程是CPU的調(diào)度單位，有自己的棧和寄存器狀態(tài)。程序最初創(chuàng)建的線程叫主線程，主線程可以創(chuàng)建子線程，子線程還可以創(chuàng)建子線程。
不同進程之間是無法直接通信的，因為它們在虛擬內(nèi)存中的地址不一樣。但操作系統(tǒng)通過LPC機制，可以完成不同進程之間的通信。
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COM在進程間通信的方法是本地過程調(diào)用(LPC)，因為操作系統(tǒng)知道各個進程的確切邏輯地址，所以操作系統(tǒng)可以完成這一點。不同進程間傳遞的參數(shù)需要調(diào)整，LPC技術(shù)可以完成普通數(shù)據(jù)的直接拷貝(甚至包括自定義類和指針)，但對于接口參數(shù)，COM實現(xiàn)了IMarshal接口以調(diào)整。
為了可以用同樣的方式和進程外、遠程組件通信，客戶端不直接和組件通信，而是和代理/存根通信，代理/存根是(而且必須是) DLL形式，能完成參數(shù)調(diào)整和LPC調(diào)用。代理存根不用自己寫，系統(tǒng)會自動產(chǎn)生。
注：接口的調(diào)整，包括列集和散集兩種marshal/unmarshal。
2 ? COM線程模型
2.1 分清模型與實現(xiàn)
?? ?看過《Inside C++ Object Model》(中文名：深入C++對象模型；侯捷譯)的人都知道，C++對象模型有三種，各家編譯器都選擇其中效率最高的一種實現(xiàn)出來。另外兩種就留在了理論世界，實現(xiàn)出來沒有太大意義。提這個的原因，就是為了弄清楚這一點：COM線程模型只是理論構(gòu)想，是一種抽象的數(shù)學模型，還要COM庫通過各種手段實現(xiàn)出來，才能為我們使用。
2.2 套間的由來
最開始的COM庫，支持的使用組件的唯一模式是single-thread-per-process模式。這樣就避免了多線程的同步，而且組件執(zhí)行的線程肯定是創(chuàng)建它的線程。
然而組件對象真正的執(zhí)行環(huán)境很復雜。COM組件的執(zhí)行環(huán)境有兩種：單線程環(huán)境Single-Thread，多線程環(huán)境Multi-Thread。單線程要考慮執(zhí)行線程是否是創(chuàng)建組件的線程；多線程還要考慮并發(fā)、同步、死鎖、競爭等問題。無論哪種環(huán)境，都要編寫大量的代碼以使COM組件對象正確的運行。
為了使程序員減輕痛苦，COM庫決心提供一套機制來幫助程序員。如果我們都遵從這套機制，只要付出較少的勞動，就可以讓組件對象和COM庫一起完成工作。COM庫這套機制的核心技術(shù)就是“套間技術(shù)”。
2.3 COM的多線程模型
2.3.1 COM庫的規(guī)定
關(guān)于多線程問題方面，COM庫做出了如下規(guī)則(不是COM標準，是COM庫為了簡化多線程編程中對組件的調(diào)用而制定的)：
1. ?COM庫提供兩種套間，單線程套間和多線程套間，COM組件的編寫者最好提供對應(yīng)的屬性(后面會提到)，COM組件的使用者要在套間里創(chuàng)建和調(diào)用組件。
2. ?COM庫對所有的調(diào)用進行參數(shù)調(diào)整(如果需要)，不管是對進程內(nèi)服務(wù)器的調(diào)用，還是對進程外服務(wù)器的調(diào)用。
3. ?線程內(nèi)調(diào)用、跨線程調(diào)用、跨進程調(diào)用都用統(tǒng)一的方式。需要用代理的會用代理。
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如此COM規(guī)定了COM庫、組件編寫者、組件使用者三方合作關(guān)系。COM庫進行協(xié)調(diào)關(guān)系，會根據(jù)組件的能力，在不同環(huán)境(套間)中創(chuàng)建和調(diào)用組件；編寫者要說明組件可以生存的環(huán)境；調(diào)用者查詢接口，合理調(diào)用。
2.3.2 單線程套間STA
Single-threaded Apartments，一個套間只關(guān)聯(lián)一個線程，COM庫保證對象只能由這個線程訪問（通過對象的接口指針調(diào)用其方法），其他線程不得直接訪問這個對象(可以間接訪問，但最終還是由這個線程訪問)。
COM庫實現(xiàn)了所有調(diào)用的同步，因為只有關(guān)聯(lián)線程能訪問COM對象。如果有N個調(diào)用同時并發(fā)，N-1個調(diào)用處于阻塞狀態(tài)。對象的狀態(tài)（也就是對象的成員變量的值）肯定是正確變化的，不會出現(xiàn)線程訪問沖突而導致對象狀態(tài)錯誤。
注意：這只是要求、希望、協(xié)議，實際是否做到是由COM決定的。這個模型很像Windows提供的窗口消息運行機制，因此這個線程模型非常適合于擁有界面的組件，像ActiveX控件、OLE文檔服務(wù)器等，都應(yīng)該使用STA的套間。
2.3.3 多線程套間MTA
Multithreaded Apartments，一個套間可以對應(yīng)多個線程，COM對象可以被多個線程并發(fā)訪問。所以這個對象的作者必須在自己的代碼中實現(xiàn)線程保護、同步工作，保證可以正確改變自己的狀態(tài)。
這對于作為業(yè)務(wù)邏輯組件或干后臺服務(wù)的組件非常適合。因為作為一個分布式的服務(wù)器，同一時間可能有幾千條服務(wù)請求到達，如果排隊進行調(diào)用，那么將是不能想象的。
注意：這也只是一個要求、希望、協(xié)議而已。
2.3.4 COM+新增NA
COM+為了進一步簡化多線程編程，引入了中立線程套間概念。
NA/TNA/NTA，Neutral Apartment/Thread Neutral Apartment / Neutral Threaded Apartment。這種套間只和對象相關(guān)聯(lián)，沒有關(guān)聯(lián)的線程，因此任何線程都可以直接訪問里面的對象，不存在STA的還是MTA的。
2.4 到底什么是套間
根據(jù)《COM技術(shù)內(nèi)幕》的觀點，COM沒有定義自己新的線程模型，而是直接利用了Win32線程，或者說對其做了改造、包裝。線程間的同步也是直接用的Win32 APIs。
《COM本質(zhì)論》設(shè)這樣定義的：套間定義了一組對象的邏輯組合，這些對象共享一組并發(fā)性和沖入限制。每個COM對象都屬于某一個套間，一個套間可以包含多個COM對象。
MSDN上解釋說，可以把進程中的組件對象想象為分成了很多組，每一組就是一個套間。屬于這個套間的線程，可以直接調(diào)用組件，不屬于這個套間的線程，要通過代理才能調(diào)用組件。
最直接的說，COM庫為了實現(xiàn)簡化多線程編程的構(gòu)想，提出了套間概念。套間是一個邏輯上的概念，它把Win32里的線程、組件等，按照一定的規(guī)則結(jié)合在一起，并且以此提供了一種模式，用于多線程并發(fā)訪問COM組件方面?？梢园烟组g看作COM對象的管理者，它通過調(diào)度，切換COM對象的執(zhí)行環(huán)境，保證COM對象的多線程調(diào)用正常運行。COM和線程不是包含關(guān)系，而是對應(yīng)和關(guān)聯(lián)關(guān)系。
3 ? 第一方COM庫：模型的實現(xiàn)
3.1 單線程套間STA
CoInitializeEx(NULL, COINIT_APARTMENTTHREADED);這句代碼創(chuàng)建了一個STA，然后套間把當前的線程和自己關(guān)聯(lián)在一起，線程被標記為套間線程，只有這個線程能直接調(diào)用COM對象。
在創(chuàng)建套間的時候，COM創(chuàng)建了一個隱藏的窗口。關(guān)聯(lián)線程對組件的調(diào)用直接通過接口指針調(diào)用方法；其他線程對套間里的對象的調(diào)用，都轉(zhuǎn)變成對那個隱藏窗口發(fā)送消息，然后由這個隱藏窗口的消息處理函數(shù)來實際調(diào)用組件對象的方法。編寫組件代碼的時候，只需調(diào)用DispatchMessage即可將方法調(diào)用的消息和普通的消息區(qū)分開來（通過隱藏窗口的消息處理函數(shù)）。
由于窗口消息的處理是異步的，所以所有的調(diào)用都是依次進行的，不必考慮同步的問題。只要調(diào)用的時候，參數(shù)進行合理調(diào)整即可（COM庫會做到這一點）。但是對于全局變量和靜態(tài)變量，組件編寫者還是要費心的。
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一個STA只關(guān)聯(lián)一個線程， single-thread-per-process模式只是STA的一個特例。使用這種模式的線程叫套間線程(Apartment Thread)。
3.2 多線程套間MTA
CoInitializeEx(NULL, COINIT_MULTITHREADED);第一次如此調(diào)用的時候，會創(chuàng)建一個MTA，然后套間把當前線程和自己關(guān)聯(lián)在一起，線程被標記為自由線程。以后第二個線程再調(diào)用(在同一進程中)的時候，這個MTA會把第二個線程也關(guān)聯(lián)在一起，并標記為自由線程。一個MTA可以關(guān)聯(lián)多個線程。
所有的關(guān)聯(lián)線程都可以調(diào)用套間中的組件。這就涉及到同步問題，需要組件編寫者解決。
一個MTA可以關(guān)聯(lián)一個或多個線程，這種模式下，COM組件自己要考慮同步問題。使用這種模式的這些線程叫做自由線程(Free Thread) 。
3.3 總結(jié)
一個進程可以有0個、1個或多個STA，還可以有0個或1個MTA。 同時使用CoInitialize(NULL)和CoInitializeEx(NULL,COINIT_APARTMENTTHREADED)是一樣的，也就是說，我們在使用CoInitialize的時候默認的是使用套間線程?
一個線程，進入(或創(chuàng)建)套間后，不能改變套間模式；但可以退出套間，然后以另外的模式再進入(或創(chuàng)建)另一個套間。
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在一個進程中，主套間是第一個被初始化的。在單線程的進程里，這是唯一的套間。調(diào)用參數(shù)在套間之間被調(diào)整，COM庫通過消息機制處理同步。
如果你設(shè)計多個線程作為自由線程，所有的自由線程在同一個單獨的套間中，參數(shù)被直接(不被列集)傳遞給這個套間的任何線程，而且你要處理所有的同步。
在既有自由線程又有套間線程的進程里，所有自由線程在一個套間里，而其他套間都是單線程套間。而進程是包含一個多線程套間和N個單線程套間的容器。
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COM的線程模型為客戶端和服務(wù)器提供了這樣一種機制：讓不同的線程協(xié)同工作。不同進程內(nèi)，不同線程之間的對象調(diào)用也是被支持的。以調(diào)用者的角度來看，所有對進程外對象的調(diào)用都是一致的，而不管它在怎樣的線程模型。以被調(diào)用者的角度來看，不管調(diào)用者的線程模型如何，所獲得的調(diào)用都是一致的。
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客戶端和進程外對象之間的交互也很直接，即使它們使用了不同的線程模型，因為它們屬于不同的進程。COM介入了客戶端和服務(wù)器之間，通過標準的列集和RPC，并提供了跨線程操作的代碼。
4 ? 第二方COM組件的調(diào)用者
4.1 各種調(diào)用
4.1.1 同一線程中的調(diào)用
同步問題：不需要，調(diào)用者和組件在同一線程中，自然同步。
調(diào)整問題：不需要，COM庫不需要任何介入，參數(shù)也不需要調(diào)整，組件也不必線程安全。
調(diào)用地點：當前線程
這是最簡單的情況。
4.1.2 套間線程之間的調(diào)用
同步問題：COM庫對調(diào)用進行同步。
調(diào)整問題：不管兩個套間是否在同一進程，都需要調(diào)整。某些情況下，需要手動調(diào)整。
調(diào)用地點： 對象所在套間線程。
4.1.3 自由線程之間的調(diào)用
同步問題：COM不進行同步，組件自己同步。
調(diào)整問題：同一進程不調(diào)整，不同進程要調(diào)整。
調(diào)用地點：客戶線程。
4.1.4 自由線程調(diào)用套間線程的組件
同步問題：COM庫對調(diào)用進行同步。
調(diào)整問題：不管兩個套間是否在同一進程，都需要調(diào)整。某些情況下，需要手動調(diào)整。
調(diào)用地點：套間線程
4.1.5 套間線程調(diào)用自由線程的組件
同步問題：COM不進行同步，組件自己同步。
調(diào)整問題：需要調(diào)整，同一進程，COM會優(yōu)化調(diào)整。
調(diào)用地點：客戶線程。
4.2 手工調(diào)整
如果通過COM方法，所有的參數(shù)都由COM庫進行調(diào)整。有時候需要程序員手工對接口指針進行列集marshal和散集unmarshal，那就是在跨越套間邊界，但沒有通過COM庫進行通信的時候。更明確的說，不通過COM接口函數(shù)，通過我們自己寫的函數(shù)跨套間傳遞接口指針的時候。
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情況一：跨套間傳遞接口指針。
情況二：類廠在另外的套間中，創(chuàng)建類實例，并傳回給客戶端的接口指針。
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列集函數(shù)：CoMarshalInterThreadInterfaceInStream
散集函數(shù)：CoGetInterfaceAndReleaseStream?
5 ? 第三方COM組件的編寫者
組件將在哪種類型的套間中執(zhí)行，是編寫者決定的。對于進程外組件，要調(diào)用CoInitializeEx并指定參數(shù)，以顯示確定套間類型。對于進程內(nèi)的服務(wù)器來說，因為客戶端已經(jīng)調(diào)用CoInitializeEx產(chǎn)生套間了，為了允許進程內(nèi)的服務(wù)器可以控制它們的套間類型，COM允許每個組件有自己不同的線程模型，并記錄在注冊表中。
HKEY_CLASSES_ROOT/CLSID/.../InprocServer32 鍵值ThreadingModel
5.1 線程模型屬性
組件編寫者可以實現(xiàn)：同一個組件，既可以在STA中運行，也可以在MTA中運行，還可以在兩中環(huán)境中同時存在。可以說組件有一種屬性說明可以在哪種環(huán)境中生存，屬性名叫做“線程模型”(相當于“隱藏”)也未嘗不可。COM+里真正引入了這個屬性，并叫做ThreadModel。這個屬性可以有如下取值：
1. ?Main Thread Apartment
2. ?Single Thread Apartment (Apartment)
3. ?Free Thread Apartment (Free)
4. ?Any Apartment (Both)
5. ?Neutral Apartment (N/A)
5.2 對象在哪個套間創(chuàng)建
下表中第一列為套間種類，第一行為對象線程模型屬性。那么，結(jié)果就是在這樣的套間中創(chuàng)建這樣的組件，組件在什么地方。在必要的時候，會創(chuàng)建一個代理，就是表中的宿主。