.net线程池内幕

Posted 2021-04-06 dotNET跨平台

本文通过对.NET4.5的ThreadPool源码的分析讲解揭示.NET线程池的内幕，并总结ThreadPool设计的好与不足。

线程池的作用
线程池，顾名思义，线程对象池。Task和TPL都有用到线程池，所以了解线程池的内幕有助于你写出更好的程序。由于篇幅有限，在这里我只讲解以下核心概念：

• 线程池的大小

• 如何调用线程池添加任务

• 线程池如何执行任务

Threadpool也支持操控IOCP的线程，但在这里我们不研究它，涉及到task和TPL的会在其各自的博客中做详解。

线程池的大小
不管什么池，总有尺寸，ThreadPool也不例外。ThreadPool提供了4个方法来调整线程池的大小：

• SetMaxThreads

• GetMaxThreads

• SetMinThreads

• GetMinThreads

 public static bool QueueUserWorkItem(WaitCallback callBack) 
 {
        StackCrawlMark stackMark = StackCrawlMark.LookForMyCaller;
       return ThreadPool.QueueUserWorkItemHelper(callBack, (object) null, ref stackMark, true);
 }

QueueUserWorkItemHelper首先调用ThreadPool.EnsureVMInitialized()来确保CLR虚拟机初始化（VM是一个统称，不是单指java虚拟机，也可以指CLR的execution engine），紧接着实例化ThreadPoolWorkQueue，最后调用ThreadPoolWorkQueue的Enqueue方法并传入callback和true。

[SecurityCritical]

public void Enqueue(IThreadPoolWorkItem callback, bool forceGlobal)

{

ThreadPoolWorkQueueThreadLocals queueThreadLocals = (ThreadPoolWorkQueueThreadLocals) null;

if (!forceGlobal)

queueThreadLocals = ThreadPoolWorkQueueThreadLocals.threadLocals;

if (this.loggingEnabled)

FrameworkEventSource.Log.ThreadPoolEnqueueWorkObject((object) callback);

if (queueThreadLocals != null)

{

queueThreadLocals.workStealingQueue.LocalPush(callback);

}

else

{

ThreadPoolWorkQueue.QueueSegment comparand = this.queueHead;

while (!comparand.TryEnqueue(callback))

{

Interlocked.CompareExchange<ThreadPoolWorkQueue.QueueSegment>(ref comparand.Next, new ThreadPoolWorkQueue.QueueSegment(), (ThreadPoolWorkQueue.QueueSegment) null);

for (; comparand.Next != null; comparand = this.queueHead)

Interlocked.CompareExchange<ThreadPoolWorkQueue.QueueSegment>(ref this.queueHead, comparand.Next, comparand);

}

}

this.EnsureThreadRequested();

}

ThreadPoolWorkQueue主要包含2个“queue”(实际是数组)，一个为QueueSegment（global work queue），另一个是WorkStealingQueue(local work queue)。两者具体的区别会在Task/TPL里讲解，这里暂不解释。
由于forceGlobal是true，所以执行到了comparand.TryEnqueue(callback)，也就是QueueSegment.TryEnqueue。comparand先从队列的头(queueHead)开始enqueue，如果不行就继续往下enqueue，成功后再赋值给queueHead。
让我们来看看QueueSegment的源代码：

public QueueSegment()

{

this.nodes = new IThreadPoolWorkItem[256];

}

public bool TryEnqueue(IThreadPoolWorkItem node)

{

int upper;

int lower;

this.GetIndexes(out upper, out lower);

while (upper != this.nodes.Length)

{

if (this.CompareExchangeIndexes(ref upper, upper + 1, ref lower, lower))

{

Volatile.Write<IThreadPoolWorkItem>(ref this.nodes[upper], node);

return true;

}

}

return false;

}

这个所谓的global work queue实际上是一个IThreadPoolWorkItem的数组，而且限死256，这是为啥？难道是因为和IIS线程池(也只有256个线程）对齐？使用interlock和内存写屏障volatile.write来保证nodes的正确性，比起同步锁性能有很大的提高。最后调用EnsureThreadRequested，EnsureThreadRequested会调用QCall把请求发送至CLR，由CLR调度ThreadPool。

线程池如何执行任务
线程被调度后通过ThreadPoolWorkQueue的Dispatch方法来执行callback。

internal static bool Dispatch()

{

ThreadPoolWorkQueue threadPoolWorkQueue = ThreadPoolGlobals.workQueue;

int tickCount = Environment.TickCount;

threadPoolWorkQueue.MarkThreadRequestSatisfied();

threadPoolWorkQueue.loggingEnabled = FrameworkEventSource.Log.IsEnabled(EventLevel.Verbose, (EventKeywords) 18);

bool flag1 = true;

IThreadPoolWorkItem callback = (IThreadPoolWorkItem) null;

try

{

ThreadPoolWorkQueueThreadLocals tl = threadPoolWorkQueue.EnsureCurrentThreadHasQueue();

while ((long) (Environment.TickCount - tickCount) < (long) ThreadPoolGlobals.tpQuantum)

{

try

{

}

finally

{

bool missedSteal = false;

threadPoolWorkQueue.Dequeue(tl, out callback, out missedSteal);

if (callback == null)

flag1 = missedSteal;

else

threadPoolWorkQueue.EnsureThreadRequested();

}

if (callback == null)

return true;

if (threadPoolWorkQueue.loggingEnabled)

FrameworkEventSource.Log.ThreadPoolDequeueWorkObject((object) callback);

if (ThreadPoolGlobals.enableWorkerTracking)

{

bool flag2 = false;

try

{

try

{

}

finally

{

ThreadPool.ReportThreadStatus(true);

flag2 = true;

}

callback.ExecuteWorkItem();

callback = (IThreadPoolWorkItem) null;

}

finally

{

if (flag2)

ThreadPool.ReportThreadStatus(false);

}

}

else

{

callback.ExecuteWorkItem();

callback = (IThreadPoolWorkItem) null;

}

if (!ThreadPool.NotifyWorkItemComplete())

return false;

}

return true;

}

catch (ThreadAbortException ex)

{

if (callback != null)

callback.MarkAborted(ex);

flag1 = false;

}

finally

{

if (flag1)

threadPoolWorkQueue.EnsureThreadRequested();

}

return true;

}

while语句判断如果执行时间少于30ms会不断继续执行下一个callback。这是因为大多数机器线程切换大概在30ms，如果该线程只执行了不到30ms就在等待中断线程切换那就太浪费CPU了，浪费可耻啊！
Dequeue负责找到需要执行的callback：

public void Dequeue(ThreadPoolWorkQueueThreadLocals tl, out IThreadPoolWorkItem callback, out bool missedSteal)

{

callback = (IThreadPoolWorkItem) null;

missedSteal = false;

ThreadPoolWorkQueue.WorkStealingQueue workStealingQueue1 = tl.workStealingQueue;

workStealingQueue1.LocalPop(out callback);

if (callback == null)

{

for (ThreadPoolWorkQueue.QueueSegment comparand = this.queueTail; !comparand.TryDequeue(out callback) && comparand.Next != null && comparand.IsUsedUp(); comparand = this.queueTail)

Interlocked.CompareExchange<ThreadPoolWorkQueue.QueueSegment>(ref this.queueTail, comparand.Next, comparand);

}

if (callback != null)

return;

ThreadPoolWorkQueue.WorkStealingQueue[] current = ThreadPoolWorkQueue.allThreadQueues.Current;

int num = tl.random.Next(current.Length);

for (int length = current.Length; length > 0; --length)

{

ThreadPoolWorkQueue.WorkStealingQueue workStealingQueue2 = Volatile.Read<ThreadPoolWorkQueue.WorkStealingQueue>(ref current[num % current.Length]);

if (workStealingQueue2 != null && workStealingQueue2 != workStealingQueue1 && workStealingQueue2.TrySteal(out callback, ref missedSteal))

break;

++num;

}

}

因为我们把callback添加到了global work queue，所以local work queue(workStealingQueue.LocalPop(out callback))找不到callback，local work queue查找callback会在task里讲解。接着又去global work queue查找，先从global work queue的起始位置查找直至尾部，因此global work quque里的callback是FIFO的执行顺序。

public bool TryDequeue(out IThreadPoolWorkItem node)

{

int upper;

int lower;

this.GetIndexes(out upper, out lower);

while (lower != upper)

{

// ISSUE: explicit reference operation

// ISSUE: variable of a reference type

int& prevUpper = @upper;

// ISSUE: explicit reference operation

int newUpper = ^prevUpper;

// ISSUE: explicit reference operation

// ISSUE: variable of a reference type

int& prevLower = @lower;

// ISSUE: explicit reference operation

int newLower = ^prevLower + 1;

if (this.CompareExchangeIndexes(prevUpper, newUpper, prevLower, newLower))

{

SpinWait spinWait = new SpinWait();

while ((node = Volatile.Read<IThreadPoolWorkItem>(ref this.nodes[lower])) == null)

spinWait.SpinOnce();

this.nodes[lower] = (IThreadPoolWorkItem) null;

return true;

}

}

node = (IThreadPoolWorkItem) null;

return false;

}

使用自旋锁和内存读屏障来避免内核态和用户态的切换，提高了获取callback的性能。如果还是没有callback，那么就从所有的local work queue里随机选取一个，然后在该local work queue里“偷取”一个任务(callback)。
拿到callback后执行callback.ExecuteWorkItem()，通知完成。

总结
ThreadPool提供了方法调整线程池最少活跃的线程来应对不同的并发场景。ThreadPool带有2个work queue，一个golbal一个local。执行时先从local找任务，接着去global，最后才会去随机选取一个local偷一个任务，其中global是FIFO的执行顺序。Work queue实际上是数组，使用了大量的自旋锁和内存屏障来提高性能。但是在偷取任务上，是否可以考虑得更多，随机选择一个local太随意。首先要考虑偷取的队列上必须有可执行任务；其次可以选取一个不在调度中的线程的local work queue，这样降低了自旋锁的可能性，加快了偷取的速度；最后，偷取的时候可以考虑像golang一样偷取别人queue里一半的任务，因为执行完偷到的这一个任务之后，下次该线程再次被调度到还是可能没任务可执行，还得去偷取别人的任务，这样既浪费CPU时间，又让任务在线程上分布不均匀，降低了系统吞吐量！

另外，如果禁用log和ETW trace，可以使ThreadPool的性能更进一步。

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