.NET 线程基础的使用介绍_实用技巧

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线程作用及开销

  早期计算机一次只能运行一个程序,长时间执行程序容易出现计算机“瘫痪”的问题,如果程序进入死循环则只能重启系统。即使计算机不崩溃,也难免让用户崩溃。为了解决这个问题,操作系统设计者设计出了进程的概念,使得每个应用程序运行在一个虚拟的内存空间中。进程中又包含多个线程,CPU则根据操作系统调度执行每个进程中的线程任务。通过线程这种对CPU的虚拟化管理方式,操作系统形成了多任务执行的机制。但与一切虚拟化机制一样,线程会产生空间和时间的开销。这其中的开销包括:

1、线程内核对象。该数据结构中包含线程上下文。Windows在x86架构CPU上为每个线程内核对象分配的空间大约为700字节,x64和IA64架构CPU分别为大约1240字节和2500字节。

2、线程环境块。占用一个内存页,包含线程的异常处理链首。当线程进入try块时,在链首插入一个节点,在线程对出退出try块时,删除该节点。另外线程环境块中还包括一些其他的本地储蓄数据。

3、用户模式栈。用户存储传给方法的局部变量和实参;还包含一个地址,指出当方法返回时,线程应该从什么地方开始接着执行。默认情况下每个线程的用户模式栈分配1MB内存。

4、内核模式栈。记录用户程序调用内核模式函数时函数的实参。32位系统分配12KB内存,64位系统则分配24KB。

5、DLL线程连接和线程分离通知。进程中每创建和终止一个线程时,都会调用进程中加载的所有DLL的DllMain方法。

6、上下文切换。对单CPU计算机来说,操作系统每次只将一个线程分配给CPU执行,执行完后将线程上下文数据记录下来保存在线程内核对象结构中;然后装载另一个线程的上下文,将CPU执行控制交给此线程,如果该线程有另一个进程拥有,那么在装载该线程之前,Windows还必须使得CPU能够处理该虚拟地址空间。Windows操作系统为各个线程每次分配大概30毫秒的执行时间,称为“时间片”。上下文切换是净开销,不会换来任何在存储空间或者性能上的收益。但是能向用户提供一个健壮的能灵活相应的操作系统。

空间开销测试

测试代码:

static void Main(string[] args)
         {
             List<Thread> threadList = new List<Thread>();
             for (int i = 0; i < 1000; i++)
             {
                 Thread thread = new Thread(
                     new ParameterizedThreadStart(o => { Console.WriteLine("第{0}线程", o); Thread.Sleep(100000); })
                     );
                 threadList.Add(thread);
             }
             Console.ReadLine();
             for (int i = 0; i < threadList.Count; i++)
             {
                 threadList[i].Start(i);
             }
             Console.ReadLine();
         }

pslist的观测结果结果:

程序开始运行时

所有线程Start以后

1000个线程Start以后虚拟物理内存占用量增加了31MB,而虚拟内存增加了1000MB之多。

线程池

  由于专用线程(实例化Thread类所创建的线程)存在的巨大内存和性能开销,CRL被设计出支持线程池技术,为应用程序提供线程管理。每个CLR独立维护一个自己的线程池,CLR在线程池中只建立必要的线程供给应用程序使用,在应用程序把多个任务分配给线程池后,CLR将任务轮流分配给线程池中线程来执行,当任务执行完毕后,线程池中的线程并不会回收,而是等待分配新的任务。这就能有效的减少线程的数量,并且减少了线程创建时的性能开销(线程池相关的内容笔者正在整理之中,后续会陆续发布)。另外,对于Thread类有一个实例属性IsBackground指示线程是前台还是后台运行,前台线程指线程所在进程关闭时,进程需要等待线程执行完成才能关闭,后台进程指当进程关闭时,线程立即停止执行,不会等待执行完成既退出运行。该属性默认值为True,即专用线程默认为前台线程。

进程、AppDomain和线程

  这里涉及到进程,AppDomain和线程,我觉得有必要把这三个概念放一起做一个大体的比对。

  1、进程是操作系统为应用程序虚拟的执行地址空间,应用程序中的所有数据都装载在相互独立的进程中运行。

  2、AppDomain是.NET托管应用装载的内部相互隔离的托管执行空间。如:IIS进程中所有的Web应用都运行在独立的AppDomain中。

  3、线程是应用程序内部虚拟化的CPU执行单元,操作系统对内存中所有应用程序进程中的线程进行调度,交给CPU进行执行。

  进程是一个虚拟的地址空间,操作系统不会对其进行调度而是调度执行其中包含的线程。CLR在AppDomain内部也有自己的运行线程,AppDomain中的线程由CLR维护,但最终CLR仍需将AppDomain中的线程映射为应用程序进程中的线程,交给操作系统进行调度。并且AppDomain中的线程不一定与操作系统线程完全一一对应。

  下图是大体描述进程、AppDomain和线程的关系,以及操作系统对线程的调度。详细内容本文不做进一步说明。

线程优先级

  线程调度根据线程优先级进行,Windows将系统内的线程分为0至31,共32个等级,优先级为31的线程是最高优先级线程,最先得到执行权限。例如,一个优先级为8的线程正在执行,而此刻操作系统确认一个优先级为31的线程已经做好了执行准备,那么操作系统会立刻挂起正在执行的线程,把CPU的执行权限交给优先级为31的线程,即使优先级为8的线程还没有执行完一个完整的时间片,优先级为31的线程将获得一个完整的时间片,如果该线程执行完后操作系统发现还有优先级为31的线程准备执行,那么CPU执行权限将分给这个线程,前面优先级为8的线程始终得不到执行,这种情况称为饥饿。

  ​​如果开发人员没有合理的设置自己程序内的线程优先级,就可能会造成其他应用程序很难得到执行,甚至影响计算机响应速度。所以Windows又设计了一个进程优先级类来控制各个进程中的线程优先级的关系,进程优先级是一个虚拟的概念,因为操作系统不会对进程进行调度,这个概念只是为了控制进程中线程优先级的范围。进程优先级有6个级别(详见下表),根据进程优先级类,应用程序对内部线程设置相对优先级,会得到一个操作系统调度的线程优先级值。这样,使线程优先级能得到有效控制。

线程相对

优先级

进程优先级类

Idle

Below Normal

Normal

Above Normal

High

Real-Time

Time-critical

15

15

15

15

15

31

Highest

6

8

10

12

15

26

Above normal

5

7

9

11

14

25

Normal

4

6

8

10

13

24

Below normal

3

5

7

9

12

23

Lowest

2

4

6

8

11

22

Idle

1

1

1

1

1

16

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