Excel 中的多線程和記憶體爭用

適用於：Excel 2013 |Office 2013 |Visualstudio

Excel 2007 之前的 Microsoft Excel 版本會針對所有工作表計算使用單個線程。不過，從 Excel 2007 開始，Excel 可以設定為使用 1 到 1024 個並行線程來計算工作表。在多處理器或多核心計算機上，默認線程數目等於處理器或核心數目。因此，安全線程的儲存格，或只包含安全線程函式的儲存格，可以分配給並行線程，受限於需要在其前導之後計算的一般重新計算邏輯。

Thread-Safe 函式

從 Excel 2007 開始，大部分的內建工作表函式都是安全線程。您也可以將 XLL 函式寫入並註冊為安全線程。 Excel 會使用一個線程 (其主線程) 來呼叫所有命令、線程不安全的函式、 xlAuto 函式 (除了 xlAutoFree 和 xlAutoFree12) ，以及 COM 和 Visual Basic for Applications (VBA) 函式。

當 XLL 函式傳回 XLOPER 或具有 xlbitDLLFree 集合的XLOPER12時，Excel 會使用呼叫 xlAutoFree 或 xlAutoFree12 的相同線程。 xlAutoFree 或 xlAutoFree12 的呼叫是在該線程上的下一個函數調用之前進行。

針對 XLL 開發人員，建立安全線程函式有其優點：

它們可讓 Excel 充分利用多處理器或多核心電腦。
相較於使用單一線程，它們可讓您更有效率地使用遠端伺服器。

假設您有一部已設定為使用 N 個線程的單一處理器電腦。假設電子表格正在執行，它會對 XLL 函式進行大量呼叫，進而傳送數據要求，或對遠端伺服器或伺服器叢集執行計算。根據相依性樹狀結構的拓撲，Excel 幾乎可以同時呼叫函式 N 次。如果伺服器或伺服器的速度夠快或平行，電子表格的重新計算時間可以減少 1/N 的一倍。

撰寫安全線程函式的主要問題是正確處理資源爭用。這通常表示記憶體爭用，而且可以分成兩個問題：

如何建立您知道只會由這個線程使用的記憶體。
如何確保多個線程安全地存取共用記憶體。

首先要注意的是，所有線程都可以存取 XLL 中的記憶體，以及目前執行中的線程才能存取的記憶體。

可供所有線程存取

在函式主體之外宣告的變數、結構和類別實例。
函式主體內宣告的靜態變數。

在這兩種情況下，會將記憶體在為此 DLL 實例建立的 DLL 記憶體區塊中。如果另一個應用程式實例載入 DLL，它會取得它自己的記憶體復本，因此這些資源不會從這個 DLL 實例外部競爭。

只能由目前的線程存取

函式程式代碼內的自動變數 (包括函式自變數) 。

在此情況下，記憶體會保留在函數調用每個實例的堆疊上。

注意事項

動態設定的記憶體範圍取決於指向它的指標範圍：如果所有線程都可以存取指標，記憶體也會是。如果指標是函式中的自動變數，則配置的記憶體實際上是該線程的私用。

只有一個線程可存取的記憶體：Thread-Local 記憶體

假設所有線程都可以存取函式主體內的靜態變數，使用這些變數的函式顯然並不安全線程。一個線程上的函式實例可能會變更值，而另一個線程上的另一個實例則假設其完全不同。

在函式中宣告靜態變數有兩個原因：

靜態數據會從一次呼叫持續到下一個呼叫。
函式可以安全地傳回靜態數據的指標。

在第一個原因的情況下，您可能想要有保存的數據，而且對函式的所有呼叫都具有意義：可能是每次在任何線程上呼叫函式時遞增的簡單計數器，或是在每次呼叫時收集使用量和效能數據的結構。問題在於如何保護共享數據或數據結構。最好使用關鍵區段來完成，如下一節所述。

如果數據僅供此線程使用，這可能是原因 1 的原因，且一律是原因 2 的案例，問題在於如何建立保存但只能從此線程存取的記憶體。其中一個解決方案是使用線程本機記憶體 (TLS) API。

例如，請考慮傳回 XLOPER 指標的函式。

LPXLOPER12 WINAPI mtr_unsafe_example(LPXLOPER12 pxArg)
{
    static XLOPER12 xRetVal; // memory shared by all threads!!!
// code sets xRetVal to a function of pxArg ...
    return &xRetVal;
}

此函式不是安全線程，因為一個線程可以傳回靜態 XLOPER12 ，而另一個線程正在覆寫它。如果需要將 XLOPER12 傳遞至 xlAutoFree12，發生這種情況的可能性仍然較大。其中一個解決方案是配置 XLOPER12、傳回指標並實作 xlAutoFree12 ，以便釋放 XLOPER12 記憶體本身。此方法用於 Excel 的記憶體管理中所示的許多範例函式。

LPXLOPER12 WINAPI mtr_safe_example_1(LPXLOPER12 pxArg)
{
// pxRetVal must be freed later by xlAutoFree12
    LPXLOPER12 pxRetVal = new XLOPER12;
// code sets pxRetVal to a function of pxArg ...
    pxRetVal->xltype |= xlbitDLLFree; // Needed for all types
    return pxRetVal; // xlAutoFree12 must free this
}

相較於下一節中所述的方法，此方法的實作比較簡單，該方法依賴 TLS API，但有一些缺點。首先，Excel 必須呼叫 xlAutoFree/ xlAutoFree12 任何傳回 之 XLOPER/ XLOPER12的類型。其次，傳回 XLOPER/ XLOPER12是 C API 回調函式呼叫的傳回值時發生問題。 XLOPER/ XLOPER12可能會指向需要由 Excel 釋放的記憶體，但 XLOPER/ XLOPER12本身必須以相同的配置方式釋放。如果要使用這類 XLOPER/ XLOPER12 做為 XLL 工作表函式的傳回值，則沒有簡單的方法可以通知 xlAutoFree/ xlAutoFree12 是否需要以適當方式釋放這兩個指標。 (設定 xlbitXLFree 和 xlbitDLLFree 並無法解決問題，因為這兩個集合在 Excel 中處理 XLOPER/XLOPER12 的 處理方式未定義，而且可能會從版本變更為 version.) 若要解決此問題，XLL 可以建立所有 Excel 配置 的 XLOPER/XLOPER12 的深層複本，以將其傳回工作表。

避免這些限制的解決方案是填入並傳回線程本機 XLOPER/XLOPER12，此方法需要 xlAutoFree/xlAutoFree12 不會釋放 XLOPER/XLOPER12 指標本身。

LPXLOPER12 get_thread_local_xloper12(void);
LPXLOPER12 WINAPI mtr_safe_example_2(LPXLOPER12 pxArg)
{
    LPXLOPER12 pxRetVal = get_thread_local_xloper12();
// Code sets pxRetVal to a function of pxArg setting xlbitDLLFree or
// xlbitXLFree as required.
    return pxRetVal; // xlAutoFree12 must not free this pointer!
}

下一個問題是如何設定和擷取線程本機記憶體，換句話說，如何實作函 式get_thread_local_xloper12 在上一個範例中。這是使用線程本機記憶體 (TLS) API 來完成。第一個步驟是使用 TlsAlloc 取得 TLS 索引，最終必須使用 TlsFree 釋放。這兩者最適合從 DllMain 完成。

// This implementation just calls a function to set up
// thread-local storage.
BOOL TLS_Action(DWORD Reason); // Could be in another module
BOOL WINAPI DllMain(HINSTANCE hDll, DWORD Reason, void *Reserved)
{
    return TLS_Action(Reason);
}
DWORD TlsIndex; // Module scope only if all TLS access in this module
BOOL TLS_Action(DWORD DllMainCallReason)
{
    switch (DllMainCallReason)
    {
    case DLL_PROCESS_ATTACH: // The DLL is being loaded.
        if((TlsIndex = TlsAlloc()) == TLS_OUT_OF_INDEXES)
            return FALSE;
        break;
    case DLL_PROCESS_DETACH: // The DLL is being unloaded.
        TlsFree(TlsIndex); // Release the TLS index.
        break;
    }
    return TRUE;
}

取得索引之後，下一個步驟是為每個線程配置記憶體區塊。 Windows 開發文件建議每次使用DLL_THREAD_ATTACH事件呼叫 DllMain 回調函式時執行此動作，並在每個DLL_THREAD_DETACH釋放記憶體。不過，遵循此建議會導致您的 DLL 針對未用於重新計算的線程執行不必要的工作。

相反地，最好使用配置優先使用策略。首先，您必須定義要為每個線程配置的結構。針對先前傳回 XLOPER 或 XLOPER12s 的範例，下列已足夠，但您可以建立符合您需求的任何結構。

struct TLS_data
{
    XLOPER xloper_shared_ret_val;
    XLOPER12 xloper12_shared_ret_val;
// Add other required thread-local data here...
};

下列函式會取得線程本機實例的指標，如果這是第一個呼叫，則會配置一個。

TLS_data *get_TLS_data(void)
{
// Get a pointer to this thread's static memory.
    void *pTLS = TlsGetValue(TlsIndex);
    if(!pTLS) // No TLS memory for this thread yet
    {
        if((pTLS = calloc(1, sizeof(TLS_data))) == NULL)
        // Display some error message (omitted).
            return NULL;
        TlsSetValue(TlsIndex, pTLS); // Associate with this thread
    }
    return (TLS_data *)pTLS;
}

現在您可以查看如何取得線程本機 XLOPER/XLOPER12 記憶體：首先，您會取得線程 實例的指標TLS_data，然後傳回包含在其中 之 XLOPER/XLOPER12 的指標，如下所示。

LPXLOPER get_thread_local_xloper(void)
{
    TLS_data *pTLS = get_TLS_data();
    if(pTLS)
        return &(pTLS->xloper_shared_ret_val);
    return NULL;
}
LPXLOPER12 get_thread_local_xloper12(void)
{
    TLS_data *pTLS = get_TLS_data();
    if(pTLS)
        return &(pTLS->xloper12_shared_ret_val);
    return NULL;
}

當您執行 Excel 時，mtr_safe_example_1和mtr_safe_example_2函式可以註冊為安全線程的工作表函式。不過，您無法在一個 XLL 中混合這兩種方法。您的 XLL 只能匯出 一個 xlAutoFree 和 xlAutoFree12 實作，而且每個記憶體策略都需要不同的方法。使用 mtr_safe_example_1，傳遞至 xlAutoFree/xlAutoFree12 的指標必須與其指向的任何數據一起釋放。使用 mtr_safe_example_2，應該只釋放指向的數據。

Windows 也提供 GetCurrentThreadId 函式，此函式會傳回目前線程的唯一全系統識別符。這可為開發人員提供另一種方式來確保程式代碼線程安全，或使其行為線程成為特定。

只有一個以上的線程可存取記憶體：重要區段

您應該使用重要區段來保護多個線程可以存取的讀取/寫入記憶體。您想要保護的每個記憶體區塊都需要具名關鍵區段。您可以在呼叫 xlAutoOpen 函式期間初始化這些專案，並釋放它們，並在呼叫 xlAutoClose 函式期間將它們設定為 null。接著，您必須在 一對 EnterCriticalSection 和 LeaveCriticalSection 呼叫內，包含受保護區塊的每個存取權。任何時候都只允許一個線程進入關鍵區段。以下是初始化、取消初始化和使用名為 g_csSharedTable 區段的範例。

CRITICAL_SECTION g_csSharedTable; // global scope (if required)
bool xll_initialised = false; // Only module scope needed
int WINAPI xlAutoOpen(void)
{
    if(xll_initialised)
        return 1;
// Other initialisation omitted
    InitializeCriticalSection(&g_csSharedTable);
    xll_initialised = true;
    return 1;
}
int WINAPI xlAutoClose(void)
{
    if(!xll_initialised)
        return 1;
// Other cleaning up omitted.
    DeleteCriticalSection(&g_csSharedTable);
    xll_initialised = false;
    return 1;
}
#define SHARED_TABLE_SIZE 1000 /* Some value consistent with the table */
bool read_shared_table_element(unsigned int index, double &d)
{
    if(index >= SHARED_TABLE_SIZE) return false;
    EnterCriticalSection(&g_csSharedTable);
    d = shared_table[index];
    LeaveCriticalSection(&g_csSharedTable);
    return true;
}
bool set_shared_table_element(unsigned int index, double d)
{
    if(index >= SHARED_TABLE_SIZE) return false;
    EnterCriticalSection(&g_csSharedTable);
    shared_table[index] = d;
    LeaveCriticalSection(&g_csSharedTable);
    return true;
}

保護記憶體區塊的另一個可能更安全的方式是建立類別，其中包含自己的 CRITICAL_SECTION ，而且其建構函式、解構函式和存取子方法會負責使用它。此方法具有保護對象的額外優點，這些物件可能會在 執行 xlAutoOpen 之前初始化，或在呼叫 xlAutoClose 之後存留，但您應該小心建立太多重要區段，以及這會建立的操作系統額外負荷。

當您有同時需要存取多個受保護記憶體區塊的程式代碼時，您需要非常仔細地考慮進入和結束重要區段的順序。例如，下列兩個函式可能會建立死結。

// WARNING: Do not copy this code. These two functions
// can produce a deadlock and are provided for
// example and illustration only.
bool copy_shared_table_element_A_to_B(unsigned int index)
{
    if(index >= SHARED_TABLE_SIZE) return false;
    EnterCriticalSection(&g_csSharedTableA);
    EnterCriticalSection(&g_csSharedTableB);
    shared_table_B[index] = shared_table_A[index];
// Critical sections should be exited in the order
// they were entered, NOT as shown here in this
// deliberately wrong illustration.
    LeaveCriticalSection(&g_csSharedTableA);
    LeaveCriticalSection(&g_csSharedTableB);
    return true;
}
bool copy_shared_table_element_B_to_A(unsigned int index)
{
    if(index >= SHARED_TABLE_SIZE) return false;
    EnterCriticalSection(&g_csSharedTableB);
    EnterCriticalSection(&g_csSharedTableA);
    shared_table_A[index] = shared_table_B[index];
    LeaveCriticalSection(&g_csSharedTableA);
    LeaveCriticalSection(&g_csSharedTableB);
    return true;
}

如果一個線程上的第一個函式輸入 g_csSharedTableA ，而另一個線程上的第二個函 式進入g_csSharedTableB，則兩個線程都會停止回應。正確的方法是以一致的順序輸入，並以相反的順序結束，如下所示。

    EnterCriticalSection(&g_csSharedTableA);
    EnterCriticalSection(&g_csSharedTableB);
    // code that accesses both blocks
    LeaveCriticalSection(&g_csSharedTableB);
    LeaveCriticalSection(&g_csSharedTableA);

可能的話，從線程共同作業的觀點來看，隔離對相異區塊的存取會比較好，如下所示。

bool copy_shared_table_element_A_to_B(unsigned int index)
{
    if(index >= SHARED_TABLE_SIZE) return false;
    EnterCriticalSection(&g_csSharedTableA);
    double d = shared_table_A[index];
    LeaveCriticalSection(&g_csSharedTableA);
    EnterCriticalSection(&g_csSharedTableB);
    shared_table_B[index] = d;
    LeaveCriticalSection(&g_csSharedTableB);
    return true;
}

當共用資源發生許多爭用，例如頻繁的短期存取要求時，您應該考慮使用關鍵區段的微調功能。這是一種技術，可讓等候資源的處理器較少。若要這樣做，您可以在初始化區段時使用 InitializeCriticalSectionAndSpinCount 或初始化 SetCriticalSectionSpinCount ，以在等候資源變成可用之前設定線程循環的次數。等候作業的成本很高，因此，如果同時釋放資源，則旋轉可避免這種情況。在單一處理器系統上，會有效地忽略微調計數，但您仍然可以指定它，而不會造成任何損害。記憶體堆積管理員使用 4000 的微調計數。如需使用重要區段的詳細資訊，請參閱 Windows SDK 檔。

另請參閱

Excel 中的記憶體管理

Excel 中的多線程重新計算

載入宏管理員和 XLL 介面函式

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Last updated on 2024-03-19