编程深水区之并发⑥：C#的线程池

绝大多数情况下，我们都应该使用CLR线程池，而不是直接操作Thread，本章节介绍直接操作线程池的ThreadPool，但实际开发中也很少直接使用它。

一、CLR和线程池

1.1 CLR的主要工作

CLR（Common Language Runtime），公共语言运行时，是管理应用程序执行的运行时环境，类似Java的JVM虚拟机。之所以叫公共语言，是因为它支持多种语言编译为CLR执行的字节码，尽管绝大多数情况下都是使用C#。它的工作主要包括：

托管应用程序代码
加载和管理程序集
内存分配和垃圾回收
类型安全和代码验证
异常处理
调试诊断工具集
代码执行，包括JIT编译（将中间字节码编译为本地机器码）和跨语言互操作
安全管理，使用CAS策略和授权机制，限制代码可执行的操作权限
AppDomain，比进程更轻量的隔离方式，有自己的安全策略、配置文件和垃圾回收，现在较少使用了
线程管理，底层使用Windows操作系统进行管理和调度，但CLR提供了线程管理的API

1.2 应用程序和CLR实例是一对一关系吗？

正常情况下，每个应用程序都托管在一个CLR实例中，但由于.NET的技术发展历史，存在一些不一样的情况：

早期的AspNet应用，托管在IIS中。IIS维护着一个应用线程池，只有一个CLR实例。CLR创建多个AppDomain，每个应用都在相互隔离的AppDomain中运行。所以，这些应用共享着一个CLR实例。但是，现在更加鼓励直接使用进程。
现代的AspNetCore应用，无论是使用Kestrel独立运行，还是用IIS作为反向代理，或是在容器中运行，每个AspNetCore应用都拥有独立的进程和CLR实例，已不再依赖于AppDomain。
桌面应用和控制台应用，应用程序启动时，CLR会创建一个默认的AppDomain。应用程序的所有代码和资源都会加载到这个默认的AppDomain中，一个应用对应一个CLR实例。

1.3 CLR和线程池

创建和销毁线程的开销很大，太多的线程不但浪费资源，也会影响GC性能，所在CLR管理着一个线程池。如果CLR实例中有AppDomain，则所有AppDomain共享这个线程池。如果一个进程加载了多个CLR，则每个CLR都有一个线程池。
CLR初始化时，线程池中还没有线程。线程池维护着一个操作请求队列，当应用程序执行一个异步操作时，会将这个异步任务追加到队列中。线程池从队列中取出任务，并派发给一个线程池中的线程。如果线程池中没有线程，会自动创建一个新线程，这和创建线程的开销没有什么大的区别。重要在于，这个线程完成任务后，并不会销毁，而是返回线程池，进入空闲状态，等待响应另外一个请求。如果异步请求非常多，线程池会自动扩充线程数量，以适应繁忙的请求；当请求减少时，就会有比较多的线程空闲下来并进入休眠状态，休眠时间超过一个阀值，线程会自己醒来，并干掉自己，以释放资源。
正常情况下，CLR会根据CPU的核数，快速创建初始数量的线程，以充分利用多核CPU的性能，这通常也是线程池的最小线程数。System.Threading.ThreadPool类提供了几个静态方法，可以获取和设置线程池的最小和最大数量：GetMaxThreads、SetMaxThreads、GetMinThreads、SetMinThreads。但强列建议不要去设置，处理这些问题，CLR比我们更聪明。

1.4 线程池的调度原理

CLR线程池的调度工作原理，如下所示：

主线程将线程池异步任务（使用ThreadPool、Task、Timer等创建的异步任务），放入到CLR线程池的全局队列中。工作者线程（以下称之为异步线程）按先入先出的规则，从全局队列中取出异步任务，这时可能出现多个异步线程同时取同一个任务的情况，为以保障多个线程不会取到同一个任务，所有线程都要先竞争这个任务的线程同步锁。锁定后，其它线程就不会再竞争这个任务。
当异步线程取出任务后，会放入属于自己的本地队列中，再按后入先出的规则取出任务进行处理。由于本地队列只属于自己，所以此时不需要同步锁。
如果异步线程发现它的本地队列空了，会尝试从另一个异步线程的本地队列的尾部中“偷”一个任务，此时会请求获取这个任务的线程同步锁。
当所有本地队列都空了，就会尝试从全局队列中取任务，如果也空了，就会进入睡眠状态。如果睡眠太长时间，会自己醒来，并销毁自身，GC会在适当时候回收线程使用的资源。

注意：CLR线程池，不仅只有工作者线程，还有I/O线程，将在I/O异步操作章节详述

二、使用ThreadPool

2.1 使用ThreadPool创建(线程池)线程

//以下分别使用传入方法和传入Lambda的方式，创建线程
//使用QueueUserWorkItem()方法创建，结合上节原理，"Queue"很贴切
public class Program
{
    static void Main()
    {
        var ct = Thread.CurrentThread;
        Console.WriteLine($"{ct.ManagedThreadId}:主线程开始");
        //方式1：传入方法
        ThreadPool.QueueUserWorkItem(NoParamWorker);
      
        //方式2：传入Lambda
        //ThreadPool.QueueUserWorkItem((state)=>{...},实参)，state为形参
        ThreadPool.QueueUserWorkItem((state) => 
        {
            var ct = Thread.CurrentThread;
            Console.WriteLine($"{ct.ManagedThreadId}:Worker拿到参数{state}");
        },5);

    }

    static void NoParamWorker(object state)
    {
        var ct = Thread.CurrentThread;
        Console.WriteLine($"{ct.ManagedThreadId}:Worker执行不传参的任务");
    }
}
/*输出
1:主线程开始
6:Worker线程执行不传参的任务
7:Worker线程拿到参数5
*/

2.2 使用CancellationTokenSource终止线程

上节我们使用共享变量来终止线程，这节使用终止线程的专用对象CancellationTokenSource，两者原理和用法相似。直白的说，就是向线程传入一个信号令牌（Token），可以在线程外部发送终止信号（Cancel），线程收到终止信号后（Token.IsCancellationRequested），由自己来终止线程。外部直接终止线程是危险的操作，之前可以用的Abort()，现在已经不能使用。只能传入信号，由线程自己终止自己，这样可以安全的释放内存。

//1、在异步线程中循环输出数字，然后在主线程中终止异步线程==========
public class Program
{
    static void Main()
    {
        //创建Token信号令牌源，一个源可以关联多个令牌
        var cts = new CancellationTokenSource();
        //创建线程，并传入Token信号令牌
        ThreadPool.QueueUserWorkItem((state) => CountWorker(cts.Token, 10000) );
        Console.WriteLine("输入Enter，终止异步操作");
        Console.ReadLine();
        //发送终止信息
        cts.Cancel(); 
        Console.ReadLine();
    }

    static void CountWorker(CancellationToken token, int num)
    {
        var ct = Thread.CurrentThread;
        Console.WriteLine($"{ct.ManagedThreadId}:Worker线程开始执行任务");

        for (int i = 0; i < num; i++)
        {
            if (!token.IsCancellationRequested) //判断是否收到外部的终止信号
            {
                Console.WriteLine(i);
                Thread.Sleep(200);//模拟耗时等待
            }
            else 
            {
                Console.WriteLine("任务被终止了");
                break;//退出循环
            }
        }
    }
}

//2、CancellationTokenSource的其它API================================
//2.1 注册异步线程终止后的回调，可以注册多个
var cts = new CancellationTokenSource();
cts.Token.Register(() => { Console.WriteLine("终止回调1"); });
cts.Token.Register(() => { Console.WriteLine("终止回调2"); });

//2.2 调用上例的CountWorker，不更改方法签名的情况下，屏蔽外部的终止信息
//此时外部调用【cts.Cancel();】，将无法终止线程
ThreadPool.QueueUserWorkItem((state)=>CountWorker(cts.Token.None, 10000));


//2.3 关联多个cts，略
//CancellationTokenSource.CreateLindedTokenSource(cts1.Token,cts2.Token)

2.3 多线程的执行上下文

执行上下文，文字上理解是一个比较抽象的概念。但是，在数据层面，它本质是一个包含着多层嵌套的复杂对象，记录着当前环境的一些信息，在程序流转时，各个环节都可以读取或设置这个对象。如果做.NET后端，最熟悉的上下文，应该就是HttpContext。
执行上下文，一般包括安全设置、宿主信息、上下文数据等，具体内容根据不同运行环境会有差异。当CLR初始化时，会为主线程创建执行上下文，默认情况下，当一个线程（主线程）使用另外一个线程（辅线程）时，前者的执行上下文会流向（复制）辅线程。如果在辅助线程里再开辅助线程，也是遵循这样的规律。
绝大多数情况下，按默认方式传递是最优的，但这种流向还是会消耗一些性能。如果想极致提升性能，而辅助线程又用不到执行上下文，可以手动阻止上下文流动。
大概知道咋回事就行了，例子就不举了。