C#并行编程（2）：.NET线程池-白红宇

C#并行编程（2）：.NET线程池

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发布时间：2019-06-14

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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();//间隔500ms持续打印1-20至控制台        //threadDemo.RunForegroundThread(); //用前台线程打印        threadDemo.RunBackgroundThread(); //用台线程打印        {//把主线程挂起5s，然后终止主线程            Thread.Sleep(5000);            Thread.CurrentThread.Abort();        }//如果用前台线程工作，打印到20才会终止；以后台线程，则不会打印到20        Console.ReadKey();    }}public class ThreadDemo{    private readonly Thread _foregroundThread;    private readonly Thread _backgroundThread;    public ThreadDemo()    {        this._foregroundThread = new Thread(WriteNumberWorker) { Name = "ForegroundThread"};//默认是前台线程        this._backgroundThread = new Thread(WriteNumberWorker) { Name = "BackgroundThread", IsBackground = true };//后台线程    }    ///     /// 模拟线程工作    /// 
    private static void WriteNumberWorker()    {        for (int i = 0; i < 20; i++)        {            Console.WriteLine($"{DateTime.Now}=> {Thread.CurrentThread.Name} writes {i + 1}.");//打印从1到20到控制台            Thread.Sleep(500);//挂起500毫秒，方便测试        }    }    ///     /// 运行前台线程    /// 
    public void RunForegroundThread()    {        this._foregroundThread?.Start();    }    ///     /// 运行后台线程    /// 
    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)    {        //RunThreadPoolDemo();        RunCancellableWork();        Console.ReadKey();    }    static void RunThreadPoolDemo()    {        ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.ShowThreadPoolInfo();        ThreadPool.SetMaxThreads(100, 100); // 默认(1023,1000)(8核心CPU)        ThreadPool.SetMinThreads(8, 8); // 默认是CPU核心数        ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.ShowThreadPoolInfo();        ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.MakeThreadPoolDoSomeWork(100);//计算限制任务        ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.MakeThreadPoolDoSomeIOWork();//IO限制任务    }    static void RunCancellableWork()    {        Console.WriteLine($"{DateTime.Now}=> Thread-[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] started a work");        Console.WriteLine("Press 'Esc' to cancel the work.");        Console.WriteLine();        ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.DoSomeWorkWithCancellation();        if (Console.ReadKey(true).Key == ConsoleKey.Escape)        {// 发送取消通知            ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.CTSource.Cancel();        }    }}public class ThreadPoolDemo{    ///     /// 显示线程池信息    /// 
    public static void ShowThreadPoolInfo()    {        int workThreads, completionPortThreads;        //当前线程池可用的工作线程数量和异步IO线程数量        ThreadPool.GetAvailableThreads(out workThreads, out completionPortThreads);        Console.WriteLine($"GetAvailableThreads => workThreads:{workThreads};completionPortThreads:{completionPortThreads}");        //线程池最大可用的工作线程数量和异步IO线程数量        ThreadPool.GetMaxThreads(out workThreads, out completionPortThreads);        Console.WriteLine($"GetMaxThreads => workThreads:{workThreads};completionPortThreads:{completionPortThreads}");        //出现新的请求，判断是否需要创建新线程的依据        ThreadPool.GetMinThreads(out workThreads, out completionPortThreads);        Console.WriteLine($"GetMinThreads => workThreads:{workThreads};completionPortThreads:{completionPortThreads}");        Console.WriteLine();    }    ///     /// 让线程池做些事情    /// 
    public static void MakeThreadPoolDoSomeWork(int workCount = 10)    {        for (int i = 0; i < workCount; i++)        {            int index = i;            // 将方法排队进入线程池工作项队列，当线程池有空闲线程时执行方法            ThreadPool.QueueUserWorkItem(s =>            {                Thread.Sleep(100); //模拟工作时长                Debug.Print($"{DateTime.Now}=> Thread-[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] is running. [{index}]");                ShowAvailableThreads("WorkerThread");            });        }    }    ///     /// 让线程池做些IO工作    /// 
    public static void MakeThreadPoolDoSomeIOWork()    {        //随便找一些可以访问的网址        IList
    
      uriList = new List
     
      ()        {            "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 =>            {// 异步请求网址，将会利用线程池中异步IO线程                try                {                    WebResponse response = request.EndGetResponse(ac);                    ShowAvailableThreads("IOThread");                    Debug.Print($"{DateTime.Now}=> Thread-[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] is running. [{response.ContentLength}]");                }                catch (Exception ex)                {                    Console.WriteLine(ex.Message);                }            }, request);        }    }    /// 
          /// 打印线程池当前可用线程数    /// 
    private static void ShowAvailableThreads(string sourceTag = null)    {        int workThreads, completionPortThreads;        ThreadPool.GetAvailableThreads(out workThreads, out completionPortThreads);        Console.WriteLine($"{sourceTag} GetAvailableThreads => workThreads:{workThreads};completionPortThreads:{completionPortThreads}");        Console.WriteLine();    }    /// 
          /// 取消通知者    /// 
    public static CancellationTokenSource CTSource { get; set; } = new CancellationTokenSource();    /// 
          /// 执行可取消的任务    /// 
    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);// 模拟工作时长            }            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：

托管的IO请求线程调用Win32本地代码ReadFile方法

ReadFile方法分配IO请求包IRP并发送至Windows内核

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

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

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。

转载于:https://www.cnblogs.com/chenbaoshun/p/10566124.html

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