.NET 線程基礎(chǔ)的使用介紹

線程作用及開銷

　　早期計(jì)算機(jī)一次只能運(yùn)行一個(gè)程序，長時(shí)間執(zhí)行程序容易出現(xiàn)計(jì)算機(jī)“癱瘓”的問題，如果程序進(jìn)入死循環(huán)則只能重啟系統(tǒng)。即使計(jì)算機(jī)不崩潰，也難免讓用戶崩潰。為了解決這個(gè)問題，操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出了進(jìn)程的概念，使得每個(gè)應(yīng)用程序運(yùn)行在一個(gè)虛擬的內(nèi)存空間中。進(jìn)程中又包含多個(gè)線程，CPU則根據(jù)操作系統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行每個(gè)進(jìn)程中的線程任務(wù)。通過線程這種對CPU的虛擬化管理方式，操作系統(tǒng)形成了多任務(wù)執(zhí)行的機(jī)制。但與一切虛擬化機(jī)制一樣，線程會(huì)產(chǎn)生空間和時(shí)間的開銷。這其中的開銷包括：

1、線程內(nèi)核對象。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含線程上下文。Windows在x86架構(gòu)CPU上為每個(gè)線程內(nèi)核對象分配的空間大約為700字節(jié)，x64和IA64架構(gòu)CPU分別為大約1240字節(jié)和2500字節(jié)。

2、線程環(huán)境塊。占用一個(gè)內(nèi)存頁，包含線程的異常處理鏈?zhǔn)?。?dāng)線程進(jìn)入try塊時(shí)，在鏈?zhǔn)撞迦胍粋€(gè)節(jié)點(diǎn)，在線程對出退出try塊時(shí)，刪除該節(jié)點(diǎn)。另外線程環(huán)境塊中還包括一些其他的本地儲(chǔ)蓄數(shù)據(jù)。

3、用戶模式棧。用戶存儲(chǔ)傳給方法的局部變量和實(shí)參；還包含一個(gè)地址，指出當(dāng)方法返回時(shí)，線程應(yīng)該從什么地方開始接著執(zhí)行。默認(rèn)情況下每個(gè)線程的用戶模式棧分配1MB內(nèi)存。

4、內(nèi)核模式棧。記錄用戶程序調(diào)用內(nèi)核模式函數(shù)時(shí)函數(shù)的實(shí)參。32位系統(tǒng)分配12KB內(nèi)存，64位系統(tǒng)則分配24KB。

5、DLL線程連接和線程分離通知。進(jìn)程中每創(chuàng)建和終止一個(gè)線程時(shí)，都會(huì)調(diào)用進(jìn)程中加載的所有DLL的DllMain方法。

6、上下文切換。對單CPU計(jì)算機(jī)來說，操作系統(tǒng)每次只將一個(gè)線程分配給CPU執(zhí)行，執(zhí)行完后將線程上下文數(shù)據(jù)記錄下來保存在線程內(nèi)核對象結(jié)構(gòu)中；然后裝載另一個(gè)線程的上下文，將CPU執(zhí)行控制交給此線程，如果該線程有另一個(gè)進(jìn)程擁有，那么在裝載該線程之前，Windows還必須使得CPU能夠處理該虛擬地址空間。Windows操作系統(tǒng)為各個(gè)線程每次分配大概30毫秒的執(zhí)行時(shí)間，稱為“時(shí)間片”。上下文切換是凈開銷，不會(huì)換來任何在存儲(chǔ)空間或者性能上的收益。但是能向用戶提供一個(gè)健壯的能靈活相應(yīng)的操作系統(tǒng)。

空間開銷測試

測試代碼：

程序開始運(yùn)行時(shí)

所有線程Start以后

1000個(gè)線程Start以后虛擬物理內(nèi)存占用量增加了31MB,而虛擬內(nèi)存增加了1000MB之多。

線程池

　　由于專用線程（實(shí)例化Thread類所創(chuàng)建的線程）存在的巨大內(nèi)存和性能開銷，CRL被設(shè)計(jì)出支持線程池技術(shù)，為應(yīng)用程序提供線程管理。每個(gè)CLR獨(dú)立維護(hù)一個(gè)自己的線程池，CLR在線程池中只建立必要的線程供給應(yīng)用程序使用，在應(yīng)用程序把多個(gè)任務(wù)分配給線程池后，CLR將任務(wù)輪流分配給線程池中線程來執(zhí)行，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完畢后，線程池中的線程并不會(huì)回收，而是等待分配新的任務(wù)。這就能有效的減少線程的數(shù)量，并且減少了線程創(chuàng)建時(shí)的性能開銷（線程池相關(guān)的內(nèi)容筆者正在整理之中，后續(xù)會(huì)陸續(xù)發(fā)布）。另外，對于Thread類有一個(gè)實(shí)例屬性IsBackground指示線程是前臺(tái)還是后臺(tái)運(yùn)行，前臺(tái)線程指線程所在進(jìn)程關(guān)閉時(shí)，進(jìn)程需要等待線程執(zhí)行完成才能關(guān)閉，后臺(tái)進(jìn)程指當(dāng)進(jìn)程關(guān)閉時(shí)，線程立即停止執(zhí)行，不會(huì)等待執(zhí)行完成既退出運(yùn)行。該屬性默認(rèn)值為True，即專用線程默認(rèn)為前臺(tái)線程。

進(jìn)程、AppDomain和線程

　　這里涉及到進(jìn)程，AppDomain和線程，我覺得有必要把這三個(gè)概念放一起做一個(gè)大體的比對。

　　1、進(jìn)程是操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序虛擬的執(zhí)行地址空間，應(yīng)用程序中的所有數(shù)據(jù)都裝載在相互獨(dú)立的進(jìn)程中運(yùn)行。

　　2、AppDomain是.NET托管應(yīng)用裝載的內(nèi)部相互隔離的托管執(zhí)行空間。如：IIS進(jìn)程中所有的Web應(yīng)用都運(yùn)行在獨(dú)立的AppDomain中。

　　3、線程是應(yīng)用程序內(nèi)部虛擬化的CPU執(zhí)行單元，操作系統(tǒng)對內(nèi)存中所有應(yīng)用程序進(jìn)程中的線程進(jìn)行調(diào)度，交給CPU進(jìn)行執(zhí)行。

　　進(jìn)程是一個(gè)虛擬的地址空間，操作系統(tǒng)不會(huì)對其進(jìn)行調(diào)度而是調(diào)度執(zhí)行其中包含的線程。CLR在AppDomain內(nèi)部也有自己的運(yùn)行線程，AppDomain中的線程由CLR維護(hù)，但最終CLR仍需將AppDomain中的線程映射為應(yīng)用程序進(jìn)程中的線程，交給操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。并且AppDomain中的線程不一定與操作系統(tǒng)線程完全一一對應(yīng)。

　　下圖是大體描述進(jìn)程、AppDomain和線程的關(guān)系，以及操作系統(tǒng)對線程的調(diào)度。詳細(xì)內(nèi)容本文不做進(jìn)一步說明。

​

線程優(yōu)先級(jí)

　　線程調(diào)度根據(jù)線程優(yōu)先級(jí)進(jìn)行，Windows將系統(tǒng)內(nèi)的線程分為0至31，共32個(gè)等級(jí)，優(yōu)先級(jí)為31的線程是最高優(yōu)先級(jí)線程，最先得到執(zhí)行權(quán)限。例如，一個(gè)優(yōu)先級(jí)為8的線程正在執(zhí)行，而此刻操作系統(tǒng)確認(rèn)一個(gè)優(yōu)先級(jí)為31的線程已經(jīng)做好了執(zhí)行準(zhǔn)備，那么操作系統(tǒng)會(huì)立刻掛起正在執(zhí)行的線程，把CPU的執(zhí)行權(quán)限交給優(yōu)先級(jí)為31的線程，即使優(yōu)先級(jí)為8的線程還沒有執(zhí)行完一個(gè)完整的時(shí)間片，優(yōu)先級(jí)為31的線程將獲得一個(gè)完整的時(shí)間片，如果該線程執(zhí)行完后操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)還有優(yōu)先級(jí)為31的線程準(zhǔn)備執(zhí)行，那么CPU執(zhí)行權(quán)限將分給這個(gè)線程，前面優(yōu)先級(jí)為8的線程始終得不到執(zhí)行，這種情況稱為饑餓。

　　​​如果開發(fā)人員沒有合理的設(shè)置自己程序內(nèi)的線程優(yōu)先級(jí)，就可能會(huì)造成其他應(yīng)用程序很難得到執(zhí)行，甚至影響計(jì)算機(jī)響應(yīng)速度。所以Windows又設(shè)計(jì)了一個(gè)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)類來控制各個(gè)進(jìn)程中的線程優(yōu)先級(jí)的關(guān)系，進(jìn)程優(yōu)先級(jí)是一個(gè)虛擬的概念，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)不會(huì)對進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度，這個(gè)概念只是為了控制進(jìn)程中線程優(yōu)先級(jí)的范圍。進(jìn)程優(yōu)先級(jí)有6個(gè)級(jí)別（詳見下表），根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)類，應(yīng)用程序?qū)?nèi)部線程設(shè)置相對優(yōu)先級(jí)，會(huì)得到一個(gè)操作系統(tǒng)調(diào)度的線程優(yōu)先級(jí)值。這樣，使線程優(yōu)先級(jí)能得到有效控制。