.net线程池内幕

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

SetMaxThreads指定线程池最多可以有多少个线程，而GetMaxThreads自然就是获取这个值。SetMinThreads指定线程池中最少存活的线程的数量，而GetMinThreads就是获取这个值。
为何要设置一个最大数量和有一个最小数量呢？原来线程池的大小取决于若干因素，如虚拟地址空间的大小等。比如你的计算机是4g内存，而一个线程的初始堆栈大小为1m，那么你最多能创建4g/1m的线程（忽略操作系统本身以及其他进程内存分配）；正因为线程有内存开销，所以如果线程池的线程过多而又没有被完全使用，那么这就是对内存的一种浪费，所以限制线程池的最大数是很make sense的。
那么最小数又是为啥？线程池就是线程的对象池，对象池的最大的用处是重用对象。为啥要重用线程，因为线程的创建与销毁都要占用大量的cpu时间。所以在高并发状态下，线程池由于无需创建销毁线程节约了大量时间，提高了系统的响应能力和吞吐量。最小数可以让你调整最小的存活线程数量来应对不同的高并发场景。

如何调用线程池添加任务
线程池主要提供了2个方法来调用：QueueUserWorkItem和UnsafeQueueUserWorkItem。
两个方法的代码基本一致，除了attribute不同，QueueUserWorkItem可以被partial trust的代码调用，而UnsafeQueueUserWorkItem只能被full trust的代码调用。

public static bool QueueUserWorkItem(WaitCallback callBack)2 {3 StackCrawlMark stackMark = StackCrawlMark.LookForMyCaller;4 return ThreadPool.QueueUserWorkItemHelper(callBack, (object) null, ref stackMark, true);5 }

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] 2 public void Enqueue(IThreadPoolWorkItem callback, bool forceGlobal) 3 { 4 ThreadPoolWorkQueueThreadLocals queueThreadLocals = (ThreadPoolWorkQueueThreadLocals) null; 5 if (!forceGlobal) 6 queueThreadLocals = ThreadPoolWorkQueueThreadLocals.threadLocals; 7 if (this.loggingEnabled) 8 FrameworkEventSource.Log.ThreadPoolEnqueueWorkObject((object) callback); 9 if (queueThreadLocals != null)10 {11 queueThreadLocals.workStealingQueue.LocalPush(callback);12 }13 else14 {15 ThreadPoolWorkQueue.QueueSegment comparand = this.queueHead;16 while (!comparand.TryEnqueue(callback))17 {18 Interlocked.CompareExchange<ThreadPoolWorkQueue.QueueSegment>(ref comparand.Next, new ThreadPoolWorkQueue.QueueSegment(), (ThreadPoolWorkQueue.QueueSegment) null);19 for (; comparand.Next != null; comparand = this.queueHead)20 Interlocked.CompareExchange<ThreadPoolWorkQueue.QueueSegment>(ref this.queueHead, comparand.Next, comparand);21 }22 }23 this.EnsureThreadRequested();24 }

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() 2 { 3 this.nodes = new IThreadPoolWorkItem[256]; 4 } 5  6 public bool TryEnqueue(IThreadPoolWorkItem node) 7 { 8 int upper; 9 int lower;10 this.GetIndexes(out upper, out lower);11 while (upper != this.nodes.Length)12 {13 if (this.CompareExchangeIndexes(ref upper, upper + 1, ref lower, lower))14 {15 Volatile.Write<IThreadPoolWorkItem>(ref this.nodes[upper], node);16 return true;17 }18 }19 return false;20 }

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() 2 { 3 ThreadPoolWorkQueue threadPoolWorkQueue = ThreadPoolGlobals.workQueue; 4 int tickCount = Environment.TickCount; 5 threadPoolWorkQueue.MarkThreadRequestSatisfied(); 6 threadPoolWorkQueue.loggingEnabled = FrameworkEventSource.Log.IsEnabled(EventLevel.Verbose, (EventKeywords) 18); 7 bool flag1 = true; 8 IThreadPoolWorkItem callback = (IThreadPoolWorkItem) null; 9 try10 {11 ThreadPoolWorkQueueThreadLocals tl = threadPoolWorkQueue.EnsureCurrentThreadHasQueue();12 while ((long) (Environment.TickCount - tickCount) < (long) ThreadPoolGlobals.tpQuantum)13 {14 try15 {16 }17 finally18 {19 bool missedSteal = false;20 threadPoolWorkQueue.Dequeue(tl, out callback, out missedSteal);21 if (callback == null)22 flag1 = missedSteal;23 else24 threadPoolWorkQueue.EnsureThreadRequested();25 }26 if (callback == null)27 return true;28 if (threadPoolWorkQueue.loggingEnabled)29 FrameworkEventSource.Log.ThreadPoolDequeueWorkObject((object) callback);30 if (ThreadPoolGlobals.enableWorkerTracking)31 {32 bool flag2 = false;33 try34 {35 try36 {37 }38 finally39 {40 ThreadPool.ReportThreadStatus(true);41 flag2 = true;42 }43 callback.ExecuteWorkItem();44 callback = (IThreadPoolWorkItem) null;45 }46 finally47 {48 if (flag2)49 ThreadPool.ReportThreadStatus(false);50 }51 }52 else53 {54 callback.ExecuteWorkItem();55 callback = (IThreadPoolWorkItem) null;56 }57 if (!ThreadPool.NotifyWorkItemComplete())58 return false;59 }60 return true;61 }62 catch (ThreadAbortException ex)63 {64 if (callback != null)65 callback.MarkAborted(ex);66 flag1 = false;67 }68 finally69 {70 if (flag1)71 threadPoolWorkQueue.EnsureThreadRequested();72 }73 return true;74 }

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) 2 { 3 callback = (IThreadPoolWorkItem) null; 4 missedSteal = false; 5 ThreadPoolWorkQueue.WorkStealingQueue workStealingQueue1 = tl.workStealingQueue; 6 workStealingQueue1.LocalPop(out callback); 7 if (callback == null) 8 { 9 for (ThreadPoolWorkQueue.QueueSegment comparand = this.queueTail; !comparand.TryDequeue(out callback) && comparand.Next != null && comparand.IsUsedUp(); comparand = this.queueTail)10 Interlocked.CompareExchange<ThreadPoolWorkQueue.QueueSegment>(ref this.queueTail, comparand.Next, comparand);11 }12 if (callback != null)13 return;14 ThreadPoolWorkQueue.WorkStealingQueue[] current = ThreadPoolWorkQueue.allThreadQueues.Current;15 int num = tl.random.Next(current.Length);16 for (int length = current.Length; length > 0; --length)17 {18 ThreadPoolWorkQueue.WorkStealingQueue workStealingQueue2 = Volatile.Read<ThreadPoolWorkQueue.WorkStealingQueue>(ref current[num % current.Length]);19 if (workStealingQueue2 != null && workStealingQueue2 != workStealingQueue1 && workStealingQueue2.TrySteal(out callback, ref missedSteal))20 break;21 ++num;22 }23 }

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) 2 { 3 int upper; 4 int lower; 5 this.GetIndexes(out upper, out lower); 6 while (lower != upper) 7 { 8 // ISSUE: explicit reference operation 9 // ISSUE: variable of a reference type10 int& prevUpper = @upper;11 // ISSUE: explicit reference operation12 int newUpper = ^prevUpper;13 // ISSUE: explicit reference operation14 // ISSUE: variable of a reference type15 int& prevLower = @lower;16 // ISSUE: explicit reference operation17 int newLower = ^prevLower + 1;18 if (this.CompareExchangeIndexes(prevUpper, newUpper, prevLower, newLower))19 {20 SpinWait spinWait = new SpinWait();21 while ((node = Volatile.Read<IThreadPoolWorkItem>(ref this.nodes[lower])) == null)22 spinWait.SpinOnce();23 this.nodes[lower] = (IThreadPoolWorkItem) null;24 return true;25 }26 }27 node = (IThreadPoolWorkItem) null;28 return false;29 }

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。

http://www.cnblogs.com/newbier/p/6192882.html