.NET線程機制（一） 線程基礎

線程作用及開銷

　　早期計算機一次只能運行一個程序，長時間執行程序容易出現計算機“癱瘓”的問題，如果程序進入死循環則只能重啟系統。即使計算機不崩潰，也難免讓用戶崩潰。為了解決這個問題，操作系統設計者設計出了進程的概念，使得每個應用程序運行在一個虛擬的內存空間中。進程中又包含多個線程，CPU則根據操作系統調度執行每個進程中的線程任務。通過線程這種對CPU的虛擬化管理方式，操作系統形成了多任務執行的機制。但與一切虛擬化機制一樣，線程會產生空間和時間的開銷。這其中的開銷包括：

1、線程內核對象。該數據結構中包含線程上下文。Windows在x86架構CPU上為每個線程內核對象分配的空間大約為700字節，x64和IA64架構CPU分別為大約1240字節和2500字節。

2、線程環境塊。占用一個內存頁，包含線程的異常處理鏈首。當線程進入try塊時，在鏈首插入一個節點，在線程對出退出try塊時，刪除該節點。另外線程環境塊中還包括一些其他的本地儲蓄數據。

3、用戶模式棧。用戶存儲傳給方法的局部變量和實參；還包含一個地址，指出當方法返回時，線程應該從什么地方開始接着執行。默認情況下每個線程的用戶模式棧分配1MB內存。

4、內核模式棧。記錄用戶程序調用內核模式函數時函數的實參。32位系統分配12KB內存，64位系統則分配24KB。

5、DLL線程連接和線程分離通知。進程中每創建和終止一個線程時，都會調用進程中加載的所有DLL的DllMain方法。

6、上下文切換。對單CPU計算機來說，操作系統每次只將一個線程分配給CPU執行，執行完后將線程上下文數據記錄下來保存在線程內核對象結構中；然后裝載另一個線程的上下文，將CPU執行控制交給此線程，如果該線程有另一個進程擁有，那么在裝載該線程之前，Windows還必須使得CPU能夠處理該虛擬地址空間。Windows操作系統為各個線程每次分配大概30毫秒的執行時間，稱為“時間片”。上下文切換是凈開銷，不會換來任何在存儲空間或者性能上的收益。但是能向用戶提供一個健壯的能靈活相應的操作系統。

空間開銷測試

測試代碼：

        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}線程", o); Thread.Sleep(100000); })
                    );
                threadList.Add(thread);
            }
            Console.ReadLine();
            for (int i = 0; i < threadList.Count; i++)
            {
                threadList[i].Start(i);
            }
            Console.ReadLine();
        }

 

pslist的觀測結果結果：

程序開始運行時

所有線程Start以后

1000個線程Start以后虛擬物理內存占用量增加了31MB,而虛擬內存增加了1000MB之多。

線程池

　　由於專用線程（實例化Thread類所創建的線程）存在的巨大內存和性能開銷，CRL被設計出支持線程池技術，為應用程序提供線程管理。每個CLR獨立維護一個自己的線程池，CLR在線程池中只建立必要的線程供給應用程序使用，在應用程序把多個任務分配給線程池后，CLR將任務輪流分配給線程池中線程來執行，當任務執行完畢后，線程池中的線程並不會回收，而是等待分配新的任務。這就能有效的減少線程的數量，並且減少了線程創建時的性能開銷（線程池相關的內容筆者正在整理之中，后續會陸續發布）。另外，對於Thread類有一個實例屬性IsBackground指示線程是前台還是后台運行，前台運行指當關閉線程所在進程時，線程不會等待執行完畢就關閉。后台線程是當進程結束運行時，線程即刻停止運行，不必等待線程運行完畢。(此處錯誤，感謝 聖靈石等朋友指正)前台線程指線程所在進程關閉時，進程需要等待線程執行完成才能關閉，后台進程指當進程關閉時，線程立即停止執行，不會等待執行完成既退出運行。該屬性默認值為True，即專用線程默認為前台線程。

進程、AppDomain和線程

　　這里涉及到進程，AppDomain和線程，我覺得有必要把這三個概念放一起做一個大體的比對。

　　1、進程是操作系統為應用程序虛擬的執行地址空間，應用程序中的所有數據都裝載在相互獨立的進程中運行。

　　2、AppDomain是.NET托管應用裝載的內部相互隔離的托管執行空間。如：IIS進程中所有的Web應用都運行在獨立的AppDomain中。

　　3、線程是應用程序內部虛擬化的CPU執行單元，操作系統對內存中所有應用程序進程中的線程進行調度，交給CPU進行執行。

　　進程是一個虛擬的地址空間，操作系統不會對其進行調度而是調度執行其中包含的線程。CLR在AppDomain內部也有自己的運行線程，AppDomain中的線程由CLR維護，但最終CLR仍需將AppDomain中的線程映射為應用程序進程中的線程，交給操作系統進行調度。並且AppDomain中的線程不一定與操作系統線程完全一一對應。

　　下圖是大體描述進程、AppDomain和線程的關系，以及操作系統對線程的調度。詳細內容本文不做進一步說明。

​

線程優先級

　　線程調度根據線程優先級進行，Windows將系統內的線程分為0至31，共32個等級，優先級為31的線程是最高優先級線程，最先得到執行權限。例如，一個優先級為8的線程正在執行，而此刻操作系統確認一個優先級為31的線程已經做好了執行准備，那么操作系統會立刻掛起正在執行的線程，把CPU的執行權限交給優先級為31的線程，即使優先級為8的線程還沒有執行完一個完整的時間片，優先級為31的線程將獲得一個完整的時間片，如果該線程執行完后操作系統發現還有優先級為31的線程准備執行，那么CPU執行權限將分給這個線程，前面優先級為8的線程始終得不到執行，這種情況稱為飢餓。

　　​​如果開發人員沒有合理的設置自己程序內的線程優先級，就可能會造成其他應用程序很難得到執行，甚至影響計算機響應速度。所以Windows又設計了一個進程優先級類來控制各個進程中的線程優先級的關系，進程優先級是一個虛擬的概念，因為操作系統不會對進程進行調度，這個概念只是為了控制進程中線程優先級的范圍。進程優先級有6個級別（詳見下表），根據進程優先級類，應用程序對內部線程設置相對優先級，會得到一個操作系統調度的線程優先級值。這樣，使線程優先級能得到有效控制。

線程相對 優先級	進程優先級類
	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

完！

 

　　聲明：本文內容屬個人理解，如有錯誤之處，請一定不吝指導。萬分感激。。。