C#並行程式設計（2）：.NET執行緒池

C# 並行程式設計 · 發表 2019-03-21 16:40:00

摘要：執行緒Thread 在總結執行緒池之前，先來看一下.NET執行緒。 .NET執行緒與作業系統(Windows)執行緒有什麼區別？ .NET利用Windows的執行緒處理功能。在C#程式編寫中，我們首先會新建一個執行緒物件System.Threading.T...

執行緒`Thread`

在總結執行緒池之前，先來看一下.NET執行緒。

.NET執行緒與作業系統(Windows)執行緒有什麼區別？

.NET利用Windows的執行緒處理功能。在C#程式編寫中，我們首先會新建一個執行緒物件System.Threading.Thread ，併為其指定一個回撥方法；當我們呼叫執行緒物件的Start 方法啟動執行緒時，會建立一個作業系統執行緒來執行回撥方法。.NET中的執行緒實際上等價於Windows系統執行緒，都是CPU排程和分配的物件。

前臺執行緒和後臺執行緒

.NET把執行緒分為前臺執行緒和後臺執行緒，兩者幾乎相同，唯一的區別是，前臺執行緒會阻止程序的正常退出，後臺執行緒則不會。下面用一個例子描述前、後臺執行緒的區別：

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo();//間隔500ms持續列印1-20至控制檯
//threadDemo.RunForegroundThread(); //用前臺執行緒列印
threadDemo.RunBackgroundThread(); //用臺執行緒列印

{//把主執行緒掛起5s，然後終止主執行緒
Thread.Sleep(5000);
Thread.CurrentThread.Abort();
}//如果用前臺執行緒工作，列印到20才會終止；以後臺執行緒，則不會列印到20

Console.ReadKey();
}
}

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

public ThreadDemo()
{
this._foregroundThread = new Thread(WriteNumberWorker) { Name = "ForegroundThread"};//預設是前臺執行緒
this._backgroundThread = new Thread(WriteNumberWorker) { Name = "BackgroundThread", IsBackground = true };//後臺執行緒
}

/// <summary>
/// 模擬執行緒工作
/// </summary>
private static void WriteNumberWorker()
{
for (int i = 0; i < 20; i++)
{
Console.WriteLine($"{DateTime.Now}=> {Thread.CurrentThread.Name} writes {i + 1}.");//列印從1到20到控制檯
Thread.Sleep(500);//掛起500毫秒，方便測試
}
}

/// <summary>
/// 執行前臺執行緒
/// </summary>
public void RunForegroundThread()
{
this._foregroundThread?.Start();
}

/// <summary>
/// 執行後臺執行緒
/// </summary>
public void RunBackgroundThread()
{
this._backgroundThread?.Start();
}
}

執行緒池`ThreadPool`

執行緒的建立和銷燬要耗費很多時間，而且過多的執行緒不僅會浪費記憶體空間，還會導致執行緒上下文切換頻繁，影響程式效能。為改善這些問題，.NET執行時（CLR）會為每個程序開闢一個全域性唯一的執行緒池來管理其執行緒。

執行緒池內部維護一個操作請求佇列，程式執行非同步操作時，新增目標操作到執行緒池的請求佇列；執行緒池程式碼提取記錄項並派發給執行緒池中的一個執行緒；如果執行緒池中沒有可用執行緒，就建立一個新執行緒，建立的新執行緒不會隨任務的完成而銷燬，這樣就可以避免執行緒的頻繁建立和銷燬。如果執行緒池中大量執行緒長時間無所事事，空閒執行緒會進行自我終結以釋放資源。

執行緒池通過保持程序中執行緒的少量和高效來優化程式的效能。

C#中執行緒池是一個靜態類，維護兩種執行緒，工作執行緒 和非同步IO執行緒 ，這些執行緒都是後臺執行緒。執行緒池不會影響程序的正常退出。

執行緒池的使用

執行緒池提供兩個靜態方法SetMaxThreads 和SetMinThreads 讓我們設定執行緒池的最大執行緒數和最小執行緒數。最大執行緒數指的是，該執行緒池能夠建立的最大執行緒數，當執行緒數達到設定值且忙碌，非同步任務將進入請求佇列，直到有執行緒空閒才會執行；最小執行緒數指的是，執行緒池優先嚐試以設定數量的執行緒處理請求，當請求數達到一定量（未做深入研究）時，才會建立新的執行緒。

下面的例子展示了執行緒池的特性及常見使用方式。

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
//RunThreadPoolDemo();
RunCancellableWork();

Console.ReadKey();
}

static void RunThreadPoolDemo()
{
ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.ShowThreadPoolInfo();
ThreadPool.SetMaxThreads(100, 100); // 預設(1023,1000)(8核心CPU)
ThreadPool.SetMinThreads(8, 8); // 預設是CPU核心數
ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.ShowThreadPoolInfo();
ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.MakeThreadPoolDoSomeWork(100);//計算限制任務
ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.MakeThreadPoolDoSomeIOWork();//IO限制任務
}

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)
{// 傳送取消通知
ThreadPoolDemo.ThreadPoolDemo.CTSource.Cancel();
}
}
}

public class ThreadPoolDemo
{
/// <summary>
/// 顯示執行緒池資訊
/// </summary>
public static void ShowThreadPoolInfo()
{
int workThreads, completionPortThreads;

//當前執行緒池可用的工作執行緒數量和非同步IO執行緒數量
ThreadPool.GetAvailableThreads(out workThreads, out completionPortThreads);
Console.WriteLine($"GetAvailableThreads => workThreads:{workThreads};completionPortThreads:{completionPortThreads}");
//執行緒池最大可用的工作執行緒數量和非同步IO執行緒數量
ThreadPool.GetMaxThreads(out workThreads, out completionPortThreads);
Console.WriteLine($"GetMaxThreads => workThreads:{workThreads};completionPortThreads:{completionPortThreads}");
//出現新的請求，判斷是否需要建立新執行緒的依據
ThreadPool.GetMinThreads(out workThreads, out completionPortThreads);
Console.WriteLine($"GetMinThreads => workThreads:{workThreads};completionPortThreads:{completionPortThreads}");
Console.WriteLine();
}

/// <summary>
/// 讓執行緒池做些事情
/// </summary>
public static void MakeThreadPoolDoSomeWork(int workCount = 10)
{
for (int i = 0; i < workCount; i++)
{
int index = i;
// 將方法排隊進入執行緒池工作項佇列，當執行緒池有空閒執行緒時執行方法
ThreadPool.QueueUserWorkItem(s =>
{
Thread.Sleep(100); //模擬工作時長
Debug.Print($"{DateTime.Now}=> Thread-[{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}] is running. [{index}]");
ShowAvailableThreads("WorkerThread");
});
}
}

/// <summary>
/// 讓執行緒池做些IO工作
/// </summary>
public static void MakeThreadPoolDoSomeIOWork()
{
//隨便找一些可以訪問的網址
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 =>
{// 非同步請求網址，將會利用執行緒池中非同步IO執行緒
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);
}
}

/// <summary>
/// 列印執行緒池當前可用執行緒數
/// </summary>
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();
}

/// <summary>
/// 取消通知者
/// </summary>
public static CancellationTokenSource CTSource { get; set; } = new CancellationTokenSource();

/// <summary>
/// 執行可取消的任務
/// </summary>
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);// 模擬工作時長
}

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

執行緒池處理非同步IO的內部原理

上面的例子中，從網站獲取資訊需要用到執行緒池的非同步IO執行緒，執行緒池內部利用IOCP（IO完成埠）與硬體裝置建立連線。非同步IO實現過程如下：

託管的IO請求執行緒呼叫Win32原生代碼ReadFile方法
ReadFile方法分配IO請求包IRP併發送至Windows核心
Windows核心把收到的IRP放入對應裝置驅動程式的IRP佇列中，此時IO請求執行緒已經可以返回託管程式碼
驅動程式處理IRP並將處理結果放入.NET執行緒池的IRP結果佇列中
執行緒池分配IO執行緒處理IRP結果

小結

.NET執行緒池是併發程式設計的主要實現方式。C#中Timer 、Parallel 、Task 在內部都是利用執行緒池實現的非同步功能，深入理解執行緒池在並行程式設計中十分重要。