线程 Thread

在总结线程池之前，先来看一下.NET线程。

.NET线程与操作系统(Windows)线程有什么区别？

.NET利用Windows的线程处理功能。在C#程序编写中，我们首先会新建一个线程对象System.Threading.Thread，并为其指定一个回调方法；当我们调用线程对象的Start方法启动线程时，会创建一个操作系统线程来执行回调方法。.NET中的线程实际上等价于Windows系统线程，都是CPU调度和分配的对象。

前台线程和后台线程

.NET把线程分为前台线程和后台线程，两者几乎相同，唯一的区别是，前台线程会阻止进程的正常退出，后台线程则不会。下面用一个例子描述前、后台线程的区别：

class Program{static void Main(string[] args){        ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();

        threadDemo.RunBackgroundThread();

        {            Thread.Sleep(5000);            Thread.CurrentThread.Abort();        }

        Console.ReadKey();    }}

public class ThreadDemo{private readonly Thread _foregroundThread;private readonly Thread _backgroundThread;

public ThreadDemo(){this._foregroundThread = new Thread(WriteNumberWorker) { Name = "ForegroundThread"};this._backgroundThread = new Thread(WriteNumberWorker) { Name = "BackgroundThread", IsBackground = true };    }

private static void WriteNumberWorker(){for (int i = 0; i < 20; i++)        {            Console.WriteLine($"{DateTime.Now}=> {Thread.CurrentThread.Name} writes {i + 1}.");            Thread.Sleep(500);        }    }

public void RunForegroundThread(){this._foregroundThread?.Start();    }

public void RunBackgroundThread(){this._backgroundThread?.Start();    }}

线程池 ThreadPool

线程的创建和销毁要耗费很多时间，而且过多的线程不仅会浪费内存空间，还会导致线程上下文切换频繁，影响程序性能。为改善这些问题，.NET运行时（CLR）会为每个进程开辟一个全局唯一的线程池来管理其线程。

线程池内部维护一个操作请求队列，程序执行异步操作时，添加目标操作到线程池的请求队列；线程池代码提取记录项并派发给线程池中的一个线程；如果线程池中没有可用线程，就创建一个新线程，创建的新线程不会随任务的完成而销毁，这样就可以避免线程的频繁创建和销毁。如果线程池中大量线程长时间无所事事，空闲线程会进行自我终结以释放资源。

线程池通过保持进程中线程的少量和高效来优化程序的性能。

C#中线程池是一个静态类，维护两种线程，工作线程和异步IO线程，这些线程都是后台线程。线程池不会影响进程的正常退出。

线程池的使用

线程池提供两个静态方法SetMaxThreads和SetMinThreads让我们设置线程池的最大线程数和最小线程数。最大线程数指的是，该线程池能够创建的最大线程数，当线程数达到设定值且忙碌，异步任务将进入请求队列，直到有线程空闲才会执行；最小线程数指的是，线程池优先尝试以设置数量的线程处理请求，当请求数达到一定量（未做深入研究）时，才会创建新的线程。

下面的例子展示了线程池的特性及常见使用方式。

class Program{static void Main(string[] args){

        RunCancellableWork();

        Console.ReadKey();    }

static void RunThreadPoolDemo(){        ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.ShowThreadPoolInfo();        ThreadPool.SetMaxThreads(100, 100);        ThreadPool.SetMinThreads(8, 8);        ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.ShowThreadPoolInfo();        ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.MakeThreadPoolDoSomeWork(100);        ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.MakeThreadPoolDoSomeIOWork();    }

static void RunCancellableWork(){        Console.WriteLine($"{DateTime.Now}=> Thread-[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] started a work");        Console.WriteLine("Press 'Esc' to cancel the work.");        Console.WriteLine();        ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.DoSomeWorkWithCancellation();if (Console.ReadKey(true).Key == ConsoleKey.Escape)        {            ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.CTSource.Cancel();        }    }}

public class ThreadPoolDemo{

public static void ShowThreadPoolInfo(){int workThreads, completionPortThreads;

        ThreadPool.GetAvailableThreads(out workThreads, out completionPortThreads);        Console.WriteLine($"GetAvailableThreads => workThreads:{workThreads};completionPortThreads:{completionPortThreads}");

        ThreadPool.GetMaxThreads(out workThreads, out completionPortThreads);        Console.WriteLine($"GetMaxThreads => workThreads:{workThreads};completionPortThreads:{completionPortThreads}");

        ThreadPool.GetMinThreads(out workThreads, out completionPortThreads);        Console.WriteLine($"GetMinThreads => workThreads:{workThreads};completionPortThreads:{completionPortThreads}");        Console.WriteLine();    }

public static void MakeThreadPoolDoSomeWork(int workCount = 10){for (int i = 0; i < workCount; i++)        {int index = i;

            ThreadPool.QueueUserWorkItem(s =>            {                Thread.Sleep(100);                Debug.Print($"{DateTime.Now}=> Thread-[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] is running. [{index}]");                ShowAvailableThreads("WorkerThread");            });        }    }

public static void MakeThreadPoolDoSomeIOWork(){

        IList<string> uriList = new List<string>()        {"http://news.baidu.com/","https://www.hao123.com/","https://map.baidu.com/","https://tieba.baidu.com/","https://wenku.baidu.com/","http://fanyi-pro.baidu.com","http://bit.baidu.com/","http://xueshu.baidu.com/","http://www.cnki.net/","http://www.wanfangdata.com.cn",        };

foreach (string uri in uriList)        {            WebRequest request = WebRequest.Create(uri);            request.BeginGetResponse(ac =>            {try                {                    WebResponse response = request.EndGetResponse(ac);                    ShowAvailableThreads("IOThread");                    Debug.Print($"{DateTime.Now}=> Thread-[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] is running. [{response.ContentLength}]");                }catch (Exception ex)                {                    Console.WriteLine(ex.Message);                }            }, request);        }    }

private static void ShowAvailableThreads(string sourceTag = null){int workThreads, completionPortThreads;        ThreadPool.GetAvailableThreads(out workThreads, out completionPortThreads);        Console.WriteLine($"{sourceTag} GetAvailableThreads => workThreads:{workThreads};completionPortThreads:{completionPortThreads}");        Console.WriteLine();    }

public static CancellationTokenSource CTSource { get; set; } = new CancellationTokenSource();

public static void DoSomeWorkWithCancellation(){        ThreadPool.QueueUserWorkItem(t =>        {            Console.WriteLine($"{DateTime.Now}=> Thread-[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] begun running. [0 - 9999]");

for (int i = 0; i < 10000; i++)            {if (CTSource.Token.IsCancellationRequested)                {                    Console.WriteLine($"{DateTime.Now}=> Thread-[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] recived the cancel token. [{i}]");break;                }                Thread.Sleep(100);            }

            Console.WriteLine($"{DateTime.Now}=> Thread-[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] was cancelled.");        });    }}

线程池的调度

前面提到，线程池内部维护者一个工作项队列，这个队列指的是线程池全局队列。实际上，除了全局队列，线程池会给每个工作者线程维护一个本地队列。

当我们调用ThreadPool.QueueUserWorkItem方法时，工作项会被放入全局队列；使用定时器Timer的时候，也会将工作项放入全局队列；但是，当我们使用任务Task的时候，假如使用默认的任务调度器，任务会被调度到工作者线程的本地队列中。

工作者线程优先执行本地队列中最新进入的任务，如果本地队列中已经没有任务，线程会尝试从其他工作者线程任务队列的队尾取任务执行，这里需要进行同步。如果所有工作者线程的本地队列都没有任务可以执行，工作者线程才会从全局队列取最新的工作项来执行。所有任务执行完毕后，线程睡眠，睡眠一定时间后，线程醒来并销毁自己以释放资源。

线程池处理异步IO的内部原理

上面的例子中，从网站获取信息需要用到线程池的异步IO线程，线程池内部利用IOCP（IO完成端口）与硬件设备建立连接。异步IO实现过程如下：

1. 托管的IO请求线程调用Win32本地代码ReadFile方法

2. ReadFile方法分配IO请求包IRP并发送至Windows内核

3. Windows内核把收到的IRP放入对应设备驱动程序的IRP队列中，此时IO请求线程已经可以返回托管代码

4. 驱动程序处理IRP并将处理结果放入.NET线程池的IRP结果队列中

5. 线程池分配IO线程处理IRP结果

小结

.NET线程池是并发编程的主要实现方式。C#中Timer、Parallel、Task在内部都是利用线程池实现的异步功能，深入理解线程池在并行编程中十分重要。

原文地址：https://www.cnblogs.com/chenbaoshun/p/10566124.html

.NET社区新闻，深度好文，欢迎访问公众号文章汇总 http://www.csharpkit.com