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本文通过对ThreadPool源码的分析讲解揭示.net线程池的内幕,并总结ThreadPool设计的好与不足。
 
线程池的作用
 
线程池,顾名思义,线程对象池。Task和TPL都有用到线程池,所以了解线程池的内幕有助于你写出更好的程序。由于篇幅有限,在这里我只讲解以下核心概念:
 
  • 线程池的大小
  • 如何调用线程池添加任务
  • 线程池如何执行任务
Threadpool也支持操控IOCP的线程,但在这里我们不研究它,和task以及TPL相关的会在其他博客中详解。
 
线程池的大小
不管什么池,总有尺寸,ThreadPool也不例外。ThreadPool提供了4个方法来调整线程池的大小:
  • SetMaxThreads
  • GetMaxThreads
  • SetMinThreads
  • GetMinThreads
SetMaxThreads指定线程池最多可以有多少个线程,而GetMaxThreads自然就是获取这个值。SetMinThreads指定线程池中最少存活的线程的数量,而GetMinThreads就是获取这个值。
为何要设置一个最大数量和有一个最小数量呢?原来线程池的大小取决于若干因素,如虚拟地址空间的大小等。比如你的计算机是4g内存,而一个线程的初始堆栈大小为1m,那么你最多能创建4g/1m的线程(忽略操作系统本身以及其他进程内存分配);正因为线程有内存开销,所以如果线程池的线程过多而又没有被完全使用,那么这就是对内存的一种浪费,所以限制线程池的最大数是很make sense的。
那么最小数又是为啥?线程池就是线程的对象池,对象池的最大的用处是重用对象。为啥要重用线程,因为线程的创建与销毁都要占用大量的cpu时间。所以在高并发状态下,线程池由于无需创建销毁线程节约了大量时间,性能也远远高于多线程。最小数可以让你调整最小的存活线程数量来应对高并发。
 
如何调用线程池添加任务
线程池主要提供了2个方法来调用:QueueUserWorkItem和UnsafeQueueUserWorkItem。
两个方法的代码基本一致,除了attribute不同,QueueUserWorkItem可以被partial trust的代码调用,而UnsafeQueueUserWorkItem只能被full trust的代码调用。
接着看看源代码:
 
 
QueueUserWorkItemHelper首先调用ThreadPool.EnsureVMInitialized()来确保CLR虚拟机初始化(VM是一个统称,不是单指java虚拟机,也可以指CLR的execution engine),紧接着实例化ThreadPoolWorkQueue,最后调用ThreadPoolWorkQueue的Enqueue方法并传入callback和true。
 
 
ThreadPoolWorkQueue主要包含2个“queue”(实际是数组),一个为QueueSegment(global work queue),另一个是WorkStealingQueue(local work queue)。两者具体的区别会在Task/TPL里讲解,这里暂不解释。
由于forceGlobal是true,所以执行到了comparand.TryEnqueue(callback),也就是QueueSegment.TryEnqueue。comparand先从队列的头(queueHead)开始enqueue,如果不行就继续往下enqueue,成功后再赋值给queueHead。
让我们来看看QueueSegment的源代码:
 
 
这个所谓的global work queue实际上是一个IThreadPoolWorkItem的数组,而且限死256,这是为啥?难道是因为和IIS线程池(也只有256个线程)对齐?使用interlock和内存写屏障volatile.write来保证nodes的正确性,比起同步锁性能有很大的提高。最后调用EnsureThreadRequested,EnsureThreadRequested会调用QCall把请求发送至CLR,由CLR调度ThreadPool。
 
线程池如何执行任务
线程被调度后通过ThreadPoolWorkQueue的Dispatch方法来执行。
 
while语句判断如果执行时间少于30ms会不断继续执行下一个callback。这是因为大多数机器线程切换大概在30ms,如果该线程只执行了不到30ms就在等待中断线程切换那就太浪费CPU了,浪费可耻啊!
Dequeue负责找到需要执行的callback:
 
因为我们把callback添加到了global work queue,所以这里的local work queue(workStealingQueue)找不到callback,所以只能在global work queue查找,local work queue会在task里讲解。先从global work queue的起始位置查找,直到尾部。所以global work quque里的callback是FIFO的执行顺序。
 
使用自旋锁和内存读屏障来避免内核态和用户态的切换,提高了获取callback的性能。如果还是没有callback,那么就从所有的local work queue里随机选取一个,然后在该local work queue里“偷取”一个任务(callback)。
拿到callback后执行callback.ExecuteWorkItem(),通知完成。
 
总结

ThreadPool提供了方法调整线程池最少活跃的线程来应对不同的并发场景。ThreadPool带有2个work queue,一个golbal一个local。执行时先从local找任务,接着去global,最后才会去随机选取一个local偷一个任务,其中global是FIFO的执行顺序。Work queue实际上是数组,使用了大量的自旋锁和内存屏障来提高性能。但是在偷取任务上,是否可以考虑得更多,随机选择一个local太随意。首先要考虑偷取的队列上必须有可执行任务;其次可以选取一个不在调度中的线程的local work queue,这样降低了自旋锁的可能性,加快了偷取的速度;最后,偷取的时候可以考虑像golang一样偷取别人queue里一半的任务,因为执行完偷到的这一个任务之后,下次该线程再次被调度到还是可能没任务可执行,还得去偷取别人的任务,这样既浪费CPU时间,又让任务在线程上分布不均匀,降低了系统吞吐量!

另外,如果禁用log和ETW trace,可以使ThreadPool的性能更进一步。

 
 
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