Invoke和BeginInvoke的详细理解（C#）

在项目中，当使用Winform（基于.NET Framework）构建程序的GUI界面时，若以TextBox为列，要在其它线程中更新控件的界面显示，初学者往往是使用:

this.textBox.Text = "10";

当这样使用时，在程序员运行后可能会使程序触发“不能从不是创建该控件的线程中调用它”的异常信息。造成这种异常的原因在于，窗体控件是在主线程中创建的（比如this.Controls.Add(控件的组件对象)），当更新控件的界面显示时，是在其它线程，并不是在主线程中进行。当在其它线程中更新控件的显示界面时，可能会与主线程发生线程冲突。若此时主线程正在重绘此控件，而其它线程也在更新此控件的显示界面，其它线程就会和主线程进行竞争，造成画面混乱，甚至可能会出现死锁。
因此在Windows GUI编程中有一个规则，只能通过创建控件的线程来操作控件的数据，否则会产生不可预料的后果。
因此在.NET中，为了更好的解决这些问题，通过Control类实现了ISynchronizeInvoke接口，提供了Invoke和BeginInvoke方法，提供让其它线程对GUI界面的操作。ISynchronizeInvoke接口详细信息如下所示：

public interface ISynchronizeInvoke
{[HostProtection(SecurityAction.LinkDemand, Synchronization=true, ExternalThreading=true)]IAsyncResult BeginInvoke(Delegate method, object[] args);object EndInvoke(IAsyncResult result);object Invoke(Delegate method, object[] args);bool InvokeRequired { get; }
}

如果从创建控件的线程外操作GUI控件，就需要使用ISynchronizeInvoke接口中的Invoke（同步执行）和BeginInvoke（异步执行）方法，通过一个委托把调用封送到控件所属的线程上执行。

通过上面的介绍，我们不得不思考一个问题，为什么Control类提供了Invoke和BeginInvoke方法？
关于这个问题，我主要从以下几个方面来进行讲解：
1.Windows程序消息机制
在Windows中，GUI程序是基于消息机制，有一个主线程维护着一个消息泵。这个主线程维护着整个窗体以及窗体上面的子控件。当它获取到消息时，就会调用DispatchMessage()方法派遣消息，会对窗体上的窗口过程进行调用（窗口过程里面由程序员提供的窗体数据更新代码以及其它的代码）。

Windows GUI程序的消息循环
GUI窗体上的所有消息是通过Windows程序的消息队列所提供。在GUI程序运行时，为了不断的从队列中获取消息，Windows程序在while循环中主要使用GetMessage()方法，这是个阻塞方法，当Windows消息队列为空时，此方法就会被阻塞，此时while循环就会停止（主要避免程序把CPU耗尽，使其它程序难以得到响应。若需要CPU进行最大限度的运行（如3D游戏），一般使用PeekMessage()方法，它不会被Windows阻塞，从而保证程序的流畅和比较高的帧速）。

.NET的消息循环

public static void Main(string[] args)
{Form frm = new Form();Application.Run(frm);
}

在上述代码中，.NET窗体封装了while循环，Application.Run(frm)方法开启循环过程。

3.消息机制—进程与线程间的通信
Windows消息发送
Windows消息机制是Windows平台上的线程或者进程间通信机制之一。Windows消息值的定义为一个数据结构，其中最重要的是消息类型，为一个整数；然后是消息参数，消息参数可以表达很多。
当然，Windows也提供了一些API用来向一个线程队列发送消息。因此，一个线程可以向另一个线程的消息队列发送消息，这样就实现了线程间的通信。有些API发送消息需要一个窗口句柄，这种函数可以把消息发送到指定窗口的主线程消息队列，而有些可直接通过线程句柄，把消息发送到该线程的消息队列中。

消息机制通信
Windows API中提供了SendMessage()方法，把一个消息发送到一个窗口的消息队列。这个方法为阻塞方法，操作系统会确保消息确实发送到目的消息队列，并且该消息被处理后，该方法才返回，并将控制权返还给调用者，在返回之前，调用者将暂时被阻塞。
PostMessage()方法也是发送消息到窗口的消息队列，由Windows API所提供，但这个方法是非阻塞，调用者在调用该方法后，会立即返回，操作系统不会确保消息是否的确发送到目的消息队列中，调用者也不会被阻塞。

Invoke和BeginInvoke方法
由上述可知，Invoke和BeginInvoke方法由ISynchronizeInvoke接口提供，且都需要一个委托对象作为参数。委托类似于回调函数的地址，调用者可通过这两个方法将需要调用的函数地址封送到界面线程。如果这些封送给界面线程的方法包含了更改界面控件的代码，由于最终执行这个方法是在界面控件线程中，从而避免了线程之间的竞争。
使用Invoke方法完成委托的封送，类似于使用SendMessage方法给界面线程发送消息，为同步方法。在Invoke封装的方法未执行完毕之前，Invoke方法是不会返回，使调用者线程被阻塞。
使用BeginInvoke方法完成委托的封送，类似于使用PostMessage方法给界面线程发送消息，为异步方法。在完成委托的封送后，BeginInvoke方法立即返回，不会等待委托的方法执行完毕，调用者线程将不会阻塞。但是调用者可以使用EndInvoke方法或者其它类似WaitHandle机制等待异步操作的完成。
但是，Invoke和BeginInvoke在内部的实现上都是使用PostMessage方法，从而避免SendMessage方法带来的问题。其中Invoke方法的同步阻塞是使用WaitHandle机制完成。

使用场合
若你的后台线程在更新UI界面且不需要等待，则应该使用BeginInvoke方法进行异步操作。
若你的后台线程在更新UI界面并且需要等待，则应该使用Invoke方法进行同步操作。

在ISynchronizeInvoke接口中，可以看到还有一个InvokeRequired。这个属性的作用是：在编程时确定一个对象在访问UI控件时是否需要使用Invoke和BeginInvoke方法进行封送，如果不需要则可以直接进行更新。在调用者对象和UI对象属于同一个线程时，该属性返回false。Control类对这一属性的实现是在判断调用者和控件是否同属于一个线程。

Delegate.BeginInvoke
通过一个委托来进行同步方法的异步调用，也是.NET提供的异步调用机制之一。但是Delegate.BeginInvoke方法是从ThreadPool中取出的一个线程来执行这个方法，以获得异步的执行效果。如果采用这种方式提交多个异步委托，这些调用的顺序无法得到保障。而且由于使用的是线程池中的线程来完成任务，若频繁的使用，会对系统的性能造成影响。
在Control类中的BeginInvoke方法没有开辟新的线程完成委托任务，而是让界面所属的控件线程完成委托任务（异步操作就是开辟新的线程的说法也不一定准确）。

Control.BeginInvoke和Control.Invoke

public IAsyncResult BeginInvoke(Delegate method, params object[] args)
{using (new MultithreadSafeCallScope()){return (IAsyncResult) this.FindMarshalingControl().MarshaledInvoke(this, method, args, false);}
}public object Invoke(Delegate method, params object[] args)
{using (new MultithreadSafeCallScope()){return this.FindMarshalingControl().MarshaledInvoke(this, method, args, true);}
}

从上述代码可以看到Invoke和BeginInvoke方法使用了同样的实现，只是MarshaledInvoke方法的最后一个参数值不一样，一个为true，另一个为false。
这里的FindMarshalingControl方法通过一个循环向上回溯，从当前控件开始回溯父控件，直到找到最顶级的父控件，用它作为封送对象。例如，我们调用窗体上一个TextBox控件的Invoke方法封送委托，但是实际上会回溯到主窗体，通过这个控件对象来封送委托。因为主窗体是主线程消息队列相关的，发送给主窗体的消息才能发送到界面主线程消息队列。

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