《CLR via C#》之线程处理——线程基础

windows为什么要支持线程

早期的操作系统只有一个执行线程，但同时包含了操作系统代码和应用程序代码，一旦应用程序出现bug，整个主机必须重启，数据都会丢失。
微软后来发布了新的内核——Windows NT。决定在一个进程中运行应用程序的实例。进程实际是应用程序实例需要使用的资源的集合。保护了数据的安全性。但是如果发生死循环呢？如果机器只有一个CPU，他会执行死循环，虽然数据不会被破坏，系统依然会停止响应。微软的解决方案就是线程。它的职责是对CPU进行了虚拟化。每个进程都有专用的线程（相当于一个CPU）。

线程开销

和一切虚拟化机制一样，线程有空间（内存耗用）和时间（运行时的执行性能）上的开销:

• 线程内核对象（thread kernel object）
  为每个线程分配的数据结构之一。包括描述线程的一组属性，线程上下文（CPU寄存器集合）。x86，x64，ARM CPU架构，上下文分别占约700,1240,350字节。
• 线程环境块（thread environment block, TEB）
  TEB是用户模式中分配和初始化的内存块，占用一个内存页（三种架构都是4kB）。
• 用户模式栈（user-model stack）
  存储传给方法的局部变量和实参。Windows默认分配1MB内存（保留地址空间，需要时换到物理内存。
• 内核模式栈（kernel-model stack）
  用于向OS内核模式函数传递实参。Win32：12KB；Win 64:24KB。
• DLL线程连接（attach）和线程分离（detach）通知
  Windows的一个策略是，任何进程在创建和终止线程时，都会调用进程加载的所有非托管DLL的DLLMain方法。

上下文切换开销
Windows大约每30ms执行一次上下文切换。这个动作不会带来任何内存或性能上的收益。事实上，上下文切换可能带来其它的性能损失，比如缺页中断，cache写入。
执行GC时，CLR必须挂起所有线程，遍历它们的栈查找根以便对堆中的对象进行标记（GC算法第一步），再次遍历它们的栈（更新它们的根），再恢复所有线程。所以减少线程的数量会显著提升GC的性能。
线程越多，调试体验越差（遇到断点时挂起所有线程）。

CPU发展趋势

除了提高CPU的速度外，还有多核——为了使用线程。
目前的三种多CPU技术：

• 多个CPU；
• 超线程CPU——芯片中包含两组架构状态，比如CPU寄存器，但只要一组执行资源；
• 多核CPU。

CLR线程和Windows线程

目前，CLR线程完全等价于Windows线程。

使用专用线程执行异步的计算限制操作

应尽量使用线程池来执行异步的计算操作。但是如果满足以下任何条件，就可显式创建自己的线程。

• 线程需要非Normal的优先级运行。
• 需要线程是一个前台线程，防止应用程序在线程结束前终止。
• 直接为长时间运行的任务创建专用线程。因为，线程池为了判断是否需要创建一个额外的线程，所采用的逻辑比较复杂。
• 需要控制线程（启动，并可能调用Abort方法）。

线程调度和优先级

Windows是抢占式多线程操作系统，所有你不能保证自己的线程一直运行，也阻止不了其它线程的运行。
Microsoft知道开发人员 在为线程分配优先级时很难做到完全合理，因此公开了优先级系统的一个抽象层。

• 进程优先级类（抽象概念）：决定应用程序与其它应用相比的响应能力。
  6个进程优先级类：Idle，Below Normal，Normal（默认），Above Normal，High（绝对必要时使用），和Realtime（尽量避免使用）。
• 优先级：线程优先级
  Windows支持7个相对线程优先级：Idle，Lowest，Below Normal，Normal，Above Normal，Highest和Time-Critical

每个线程的优先级取决于两个标准：1）它的进程优先级类；2）在其进程优先级类中，线程的优先级。他俩合并构成一个线程的“基础优先级”。每个线程都有一个“动态优先级”，线程调度器根据 这个优先级决定执行哪个线程。最初，基础优先级和动态优先级相同。系统可以提升基础优先级在0到15之间的线程优先级（即，概念上非Realtime优先级类）。

事实上，Windows永远不会调度进程，它只调度线程。

C#可以通过设置Thread的Property属性，来设置相对线程优先级。ThreadPriority枚举：Lowest，BelowNormal，Normal，AboveNormal或者Highest。和Windows为自己保留了优先级0和Realtime范围一样，CLR为自己保留了Idle和Time-Critical优先级。