浅析 .NET 中 AsyncLocal 的实现原理

前言
1、线程本地存储
2、AsyncLocal 实现
- 2.1、主体 AsyncLocal<T>
- 2.2、AsyncLocal<T> 在 ExecutionContext 中的数据存取实现
3、ExecutionContext 的流动
- 3.1、流动的禁止和恢复
- 3.2、ExcutionContext 的流动实现
  - 3.2.1、new Thread(ThreadStart start).Start() 为例说明 ExecutionContext 的流动
4、总结
5、参考

前言

对于写过 ASP.NET Core 的童鞋来说，可以通过 HttpContextAccessor 在 Controller 之外的地方获取到HttpContext，而它实现的关键其实是在于一个AsyncLocal<HttpContextHolder> 类型的静态字段。接下来就和大家来一起探讨下这个 AsyncLocal 的具体实现原理。如果有讲得不清晰或不准确的地方，还望指出。

public class HttpContextAccessor : IHttpContextAccessor
{
    private static AsyncLocal<HttpContextHolder> _httpContextCurrent = new AsyncLocal<HttpContextHolder>();

	// 其他代码这里不展示
}

本文源码参考为发文时间点为止最新的 github 开源代码，和之前实现有些许不同，但设计思想基本一致。

代码库地址：https://github.com/dotnet/runtime

1、线程本地存储

如果想要整个.NET程序中共享一个变量，我们可以将想要共享的变量放在某个类的静态属性上来实现。

而在多线程的运行环境中，则可能会希望能将这个变量的共享范围缩小到单个线程内。例如在web应用中，服务器为每个同时访问的请求分配一个独立的线程，我们要在这些独立的线程中维护自己的当前访问用户的信息时，就需要需要线程本地存储了。

例如下面这样一个例子。

class Program
{
    [ThreadStatic]
    private static string _value;
    static void Main(string[] args)
    {
        Parallel.For(0, 4, _ =>
        {
            var threadId = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;

            _value ??= $"这是来自线程{threadId}的数据";
            Console.WriteLine($"Thread：{threadId}; Value：{_value}");
        });
    }
}

输出结果：

Thread：4; Value：这是来自线程4的数据
Thread：1; Value：这是来自线程1的数据
Thread：5; Value：这是来自线程5的数据
Thread：6; Value：这是来自线程6的数据

除了可以使用 ThreadStaticAttribute 外，我们还可以使用 ThreadLocal<T> 、CallContext 、AsyncLocal<T> 来实现一样的功能。由于 .NET Core 不再实现 CallContext，所以下列代码只能在 .NET Framework 中执行。

class Program
{
    [ThreadStatic]
    private static string _threadStatic;
    private static ThreadLocal<string> _threadLocal = new ThreadLocal<string>();
    private static AsyncLocal<string> _asyncLocal = new AsyncLocal<string>();
    static void Main(string[] args)
    {
        Parallel.For(0, 4, _ =>
        {
            var threadId = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;

            var value = $"这是来自线程{threadId}的数据";
            _threadStatic ??= value;
            CallContext.SetData("value", value);
            _threadLocal.Value ??= value;
            _asyncLocal.Value ??= value;
            Console.WriteLine($"Use ThreadStaticAttribute; Thread：{threadId}; Value：{_threadStatic}");
            Console.WriteLine($"Use CallContext;           Thread：{threadId}; Value：{CallContext.GetData("value")}");
            Console.WriteLine($"Use ThreadLocal;           Thread：{threadId}; Value：{_threadLocal.Value}");
            Console.WriteLine($"Use AsyncLocal;            Thread：{threadId}; Value：{_asyncLocal.Value}");
        });

        Console.Read();
    }
}

输出结果：

Use ThreadStaticAttribute; Thread：3; Value：这是来自线程3的数据
Use ThreadStaticAttribute; Thread：4; Value：这是来自线程4的数据
Use ThreadStaticAttribute; Thread：1; Value：这是来自线程1的数据
Use CallContext; Thread：1; Value：这是来自线程1的数据
Use ThreadLocal; Thread：1; Value：这是来自线程1的数据
Use AsyncLocal; Thread：1; Value：这是来自线程1的数据
Use ThreadStaticAttribute; Thread：5; Value：这是来自线程5的数据
Use CallContext; Thread：5; Value：这是来自线程5的数据
Use ThreadLocal; Thread：5; Value：这是来自线程5的数据
Use AsyncLocal; Thread：5; Value：这是来自线程5的数据
Use CallContext; Thread：3; Value：这是来自线程3的数据
Use CallContext; Thread：4; Value：这是来自线程4的数据
Use ThreadLocal; Thread：4; Value：这是来自线程4的数据
Use AsyncLocal; Thread：4; Value：这是来自线程4的数据
Use ThreadLocal; Thread：3; Value：这是来自线程3的数据
Use AsyncLocal; Thread：3; Value：这是来自线程3的数据

上面的例子都只是在同一个线程中对线程进行存和取，但日常开发的过程中，我们会有很多异步的场景，这些场景可能会导致执行代码的线程发生切换。

比如下面的例子

class Program
{
    [ThreadStatic]
    private static string _threadStatic;
    private static ThreadLocal<string> _threadLocal = new ThreadLocal<string>();
    private static AsyncLocal<string> _asyncLocal = new AsyncLocal<string>();
    static void Main(string[] args)
    {
        _threadStatic = "ThreadStatic保存的数据";
        _threadLocal.Value = "ThreadLocal保存的数据";
        _asyncLocal.Value = "AsyncLocal保存的数据";
        PrintValuesInAnotherThread();
        Console.ReadKey();
    }

    private static void PrintValuesInAnotherThread()
    {
        Task.Run(() =>
        {
            Console.WriteLine($"ThreadStatic: {_threadStatic}");
            Console.WriteLine($"ThreadLocal: {_threadLocal.Value}");
            Console.WriteLine($"AsyncLocal: {_asyncLocal.Value}");
        });
    }
}

输出结果：

ThreadStatic:
ThreadLocal:
AsyncLocal: AsyncLocal保存的数据

在线程发生了切换之后，只有 AsyncLocal 还能够保留原来的值，当然，.NET Framework 中的 CallContext 也可以实现这个需求，下面给出一个相对完整的总结。

实现方式	.NET FrameWork 可用	.NET Core 可用	是否支持数据流向辅助线程
ThreadStaticAttribute	是	是	否
ThreadLocal<T>	是	是	否
CallContext.SetData(string name, object data)	是	否	仅当参数 data 对应的类型实现了 ILogicalThreadAffinative 接口时支持
CallContext.LogicalSetData(string name, object data)	是	否	是
AsyncLocal<T>	是	是	是

2、AsyncLocal 实现

我们主要对照 .NET Core 源码进行学习，源码地址：https://github.com/dotnet/runtime/blob/master/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/AsyncLocal.cs

2.1、主体 AsyncLocal<T>

AsyncLocal<T> 为我们提供了两个功能

通过 Value 属性存取值
通过构造函数注册回调函数监听任意线程中对值做出的改动，需记着这个功能，后面介绍源码的时候会有很多地方涉及

其内部代码相对简单

public sealed class AsyncLocal<T> : IAsyncLocal
{
    private readonly Action<AsyncLocalValueChangedArgs<T>>? m_valueChangedHandler;
    
    // 无参构造
    public AsyncLocal()
    {
    }
    
    // 可以注册回调的构造函数，当 Value 在任意线程被改动，将调用回调
    public AsyncLocal(Action<AsyncLocalValueChangedArgs<T>>? valueChangedHandler)
    {
        m_valueChangedHandler = valueChangedHandler;
    }
    
    [MaybeNull]
    public T Value
    {
        get
        {
            // 从 ExecutionContext 中以自身为 Key 获取值
            object? obj = ExecutionContext.GetLocalValue(this);
            return (obj == null) ? default : (T)obj;
        }
        // 是否注册回调将回影响到 ExecutionContext 是否保存其引用
        set => ExecutionContext.SetLocalValue(this, value, m_valueChangedHandler != null);
    }
    
    // 在 ExecutionContext 如果判断到值发生了变化，此方法将被调用
    void IAsyncLocal.OnValueChanged(object? previousValueObj, object? currentValueObj, bool contextChanged)
    {
        Debug.Assert(m_valueChangedHandler != null);
        T previousValue = previousValueObj == null ? default! : (T)previousValueObj;
        T currentValue = currentValueObj == null ? default! : (T)currentValueObj;
        m_valueChangedHandler(new AsyncLocalValueChangedArgs<T>(previousValue, currentValue, contextChanged));
    }
}

internal interface IAsyncLocal
{
    void OnValueChanged(object? previousValue, object? currentValue, bool contextChanged);
}

真正的数据存取是通过 ExecutionContext.GetLocalValue 和 ExecutionContext.SetLocalValue 实现的。

public class ExecutionContext
{
    internal static object? GetLocalValue(IAsyncLocal local);
    internal static void SetLocalValue(
        IAsyncLocal local,
        object? newValue,
        bool needChangeNotifications);
}

需要注意的是这边通过 IAsyncLocal 这一接口实现了 AsyncLocal 与 ExcutionContext 的解耦。 ExcutionContext 只关注数据的存取本身，接口定义的类型都是 object，而不关心具体的类型 T。

2.2、AsyncLocal<T> 在 ExecutionContext 中的数据存取实现

在.NET 中，每个线程都关联着一个 执行上下文(execution context) 。可以通过Thread.CurrentThread.ExecutionContext 属性进行访问，或者通过 ExecutionContext.Capture() 获取（前者的实现）。

AsyncLocal 最终就是把数据保存在 ExecutionContext 上的，为了更深入地理解 AsyncLocal 我们需要先理解一下它。

源码地址：https://github.com/dotnet/runtime/blob/master/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/ExecutionContext.cs

2.2.1、 ExecutionContext 与线程的绑定关系

ExecutionContext 被保存 Thread 的 internal 修饰的 _executionContext 字段上。但Thread.CurrentThread.ExecutionContext 并不直接暴露 _executionContext 而与 ExecutionContext.Capture() 共用一套逻辑。

class ExecutionContext
{
    public static ExecutionContext? Capture()
    {
        ExecutionContext? executionContext = Thread.CurrentThread._executionContext;
        if (executionContext == null)
        {
            executionContext = Default;
        }
        else if (executionContext.m_isFlowSuppressed)
        {
            executionContext = null;
        }

        return executionContext;
    }
}

下面是经过整理的 Thread 的与 ExecutionContext 相关的部分，Thread 属于部分类，_executionContext 字段定义在 Thread.CoreCLR.cs 文件中

class Thread
{
	// 保存当前线程所关联的 执行上下文
    internal ExecutionContext? _executionContext;

    [ThreadStatic]
    private static Thread? t_currentThread;
	
    public static Thread CurrentThread => t_currentThread ?? InitializeCurrentThread();
	
	public ExecutionContext? ExecutionContext => ExecutionContext.Capture();
}

2.2.2、ExecutionContext 的私有变量

public sealed class ExecutionContext : IDisposable, ISerializable
{
    // 默认执行上下文
    internal static readonly ExecutionContext Default = new ExecutionContext(isDefault: true);
    // 执行上下文禁止流动后的默认上下文
    internal static readonly ExecutionContext DefaultFlowSuppressed = new ExecutionContext(AsyncLocalValueMap.Empty, Array.Empty<IAsyncLocal>(), isFlowSuppressed: true);
	// 保存所有注册了修改回调的 AsyncLocal 的 Value 值，本文暂不涉及对此字段的具体讨论
    private readonly IAsyncLocalValueMap? m_localValues;
    // 保存所有注册了回调的 AsyncLocal 的对象引用
    private readonly IAsyncLocal[]? m_localChangeNotifications;
    // 当前线程是否禁止上下文流动
    private readonly bool m_isFlowSuppressed;
    // 当前上下文是否是默认上下文
    private readonly bool m_isDefault;
}

2.2.3、IAsyncLocalValueMap 接口及其实现

在同一个线程中，所有 AsyncLocal 所保存的 Value 都保存在 ExecutionContext 的 m_localValues 字段上。

public class ExecutionContext
{
    private readonly IAsyncLocalValueMap m_localValues;
}

为了优化查找值时的性能，微软为 IAsyncLocalValueMap 提供了6个实现

类型	元素个数
EmptyAsyncLocalValueMap	0
OneElementAsyncLocalValueMap	1
TwoElementAsyncLocalValueMap	2
ThreeElementAsyncLocalValueMap	3
MultiElementAsyncLocalValueMap	4 ~ 16
ManyElementAsyncLocalValueMap	> 16

随着 ExecutionContext 所关联的 AsyncLocal 数量的增加，IAsyncLocalValueMap 的实现将会在ExecutionContext的SetLocalValue方法中被不断替换。查询的时间复杂度和空间复杂度依次递增。代码的实现与 AsyncLocal 同属于一个文件。当然元素数量减少时也会替换成之前的实现。

// 这个接口是用来在 ExecutionContext 中保存 IAsyncLocal => object 的映射关系。
// 其实现被设定为不可变的(immutable)，随着元素的数量增加而变化，空间复杂度和时间复杂度也随之增加。
internal interface IAsyncLocalValueMap
{
    bool TryGetValue(IAsyncLocal key, out object? value);
	// 通过此方法新增 AsyncLocal 或修改现有的 AsyncLocal
    // 如果数量无变化，返回同类型的 IAsyncLocalValueMap 实现类实例
	// 如果数量发生变化（增加或减少，将value设值为null时会减少），则可能返回不同类型的 IAsyncLocalValueMap 实现类实例
    IAsyncLocalValueMap Set(IAsyncLocal key, object? value, bool treatNullValueAsNonexistent);
}

Map 的创建是以静态类 AsyncLocalValueMap 的 Create 方法作为创建的入口的。

internal static class AsyncLocalValueMap
{
    // EmptyAsyncLocalValueMap 设计上只在这边实例化，其他地方当作常量使用
    public static IAsyncLocalValueMap Empty { get; } = new EmptyAsyncLocalValueMap();

    public static bool IsEmpty(IAsyncLocalValueMap asyncLocalValueMap)
    {
        Debug.Assert(asyncLocalValueMap != null);
        Debug.Assert(asyncLocalValueMap == Empty || asyncLocalValueMap.GetType() != typeof(EmptyAsyncLocalValueMap));

        return asyncLocalValueMap == Empty;
    }

    public static IAsyncLocalValueMap Create(IAsyncLocal key, object? value, bool treatNullValueAsNonexistent)
    {
        // 创建最初的实例
        // 如果 AsyncLocal 注册了回调，则需要保存 null 的 Value，以便下次设置非null的值时因为值发生变化而触发回调
        return value != null || !treatNullValueAsNonexistent ?
            new OneElementAsyncLocalValueMap(key, value) :
            Empty;
    }
}

此后每次更新元素时都必须调用 IAsyncLocalValueMap 实现类的 Set 方法，原实例是不会发生变化的，需保存 Set 的返回值。

接下来以 ThreeElementAsyncLocalValueMap 为例进行解释

private sealed class ThreeElementAsyncLocalValueMap : IAsyncLocalValueMap
{
	// 申明三个私有字段保存 key
    private readonly IAsyncLocal _key1, _key2, _key3;
	// 申明三个私有字段保存
    private readonly object? _value1, _value2, _value3;

    public ThreeElementAsyncLocalValueMap(IAsyncLocal key1, object? value1, IAsyncLocal key2, object? value2, IAsyncLocal key3, object? value3)
    {
        _key1 = key1; _value1 = value1;
        _key2 = key2; _value2 = value2;
        _key3 = key3; _value3 = value3;
    }

    public IAsyncLocalValueMap Set(IAsyncLocal key, object? value, bool treatNullValueAsNonexistent)
    {
		// 如果 AsyncLocal 注册过回调，treatNullValueAsNonexistent 的值是 false，
		// 意思是就算 value 是 null，也认为它是有效的
        if (value != null || !treatNullValueAsNonexistent)
        {
			// 如果现在的 map 已经保存过传入的 key ，则返回一个更新了 value 值的新 map 实例
            if (ReferenceEquals(key, _key1)) return new ThreeElementAsyncLocalValueMap(key, value, _key2, _value2, _key3, _value3);
            if (ReferenceEquals(key, _key2)) return new ThreeElementAsyncLocalValueMap(_key1, _value1, key, value, _key3, _value3);
            if (ReferenceEquals(key, _key3)) return new ThreeElementAsyncLocalValueMap(_key1, _value1, _key2, _value2, key, value);

            // 如果当前Key不存在map里，则需要一个能存放第四个key的map
            var multi = new MultiElementAsyncLocalValueMap(4);
            multi.UnsafeStore(0, _key1, _value1);
            multi.UnsafeStore(1, _key2, _value2);
            multi.UnsafeStore(2, _key3, _value3);
            multi.UnsafeStore(3, key, value);
            return multi;
        }
        else
        {
			// value 是 null，对应的 key 会被忽略或者从 map 中去除，这边会有两种情况
			// 1、如果当前的 key 存在于 map 当中，则将这个 key 去除，map 类型降级为 TwoElementAsyncLocalValueMap
            return
                ReferenceEquals(key, _key1) ? new TwoElementAsyncLocalValueMap(_key2, _value2, _key3, _value3) :
                ReferenceEquals(key, _key2) ? new TwoElementAsyncLocalValueMap(_key1, _value1, _key3, _value3) :
                ReferenceEquals(key, _key3) ? new TwoElementAsyncLocalValueMap(_key1, _value1, _key2, _value2) :
				// 2、当前 key 不存在于 map 中，则会被直接忽略
                (IAsyncLocalValueMap)this;
        }
    }

	// 至多对比三次就能找到对应的 value
    public bool TryGetValue(IAsyncLocal key, out object? value)
    {
        if (ReferenceEquals(key, _key1))
        {
            value = _value1;
            return true;
        }
        else if (ReferenceEquals(key, _key2))
        {
            value = _value2;
            return true;
        }
        else if (ReferenceEquals(key, _key3))
        {
            value = _value3;
            return true;
        }
        else
        {
            value = null;
            return false;
        }
    }
}

2.2.4、ExecutionContext - SetLocalValue

需要注意的是这边会涉及到两个 Immutable 结构，一个是 ExecutionContext 本身，另一个是 IAsyncLocalValueMap 的实现类。同一个 key 前后两次 value 发生变化后，会产生新的 ExecutionContext 的实例和 IAsyncLocalMap 实现类实例（在 IAsyncLocalValueMap 实现类的 Set 方法中完成）。

internal static void SetLocalValue(IAsyncLocal local, object? newValue, bool needChangeNotifications)
{
	// 获取当前执行上下文
    ExecutionContext? current = Thread.CurrentThread._executionContext;

    object? previousValue = null;
    bool hadPreviousValue = false;
    if (current != null)
    {
        Debug.Assert(!current.IsDefault);
        Debug.Assert(current.m_localValues != null, "Only the default context should have null, and we shouldn't be here on the default context");
		
		// 判断当前作为 Key 的 AsyncLocal 是否已经有对应的 Value 
        hadPreviousValue = current.m_localValues.TryGetValue(local, out previousValue);
    }

	// 如果前后两次 Value 没有发生变化，则继续处理
    if (previousValue == newValue)
    {
        return;
    }

	// 对于 treatNullValueAsNonexistent: !needChangeNotifications 的说明
	// 如果 AsyncLocal 注册了回调，则 needChangeNotifications 为 ture，m_localValues 会保存 null 值以便下次触发change回调
    IAsyncLocal[]? newChangeNotifications = null;
    IAsyncLocalValueMap newValues;
    bool isFlowSuppressed = false;
    if (current != null)
    {
        Debug.Assert(!current.IsDefault);
        Debug.Assert(current.m_localValues != null, "Only the default context should have null, and we shouldn't be here on the default context");

        isFlowSuppressed = current.m_isFlowSuppressed;
		// 这一步很关键，通过调用 m_localValues.Set 对 map 进行修改，这会产生一个新的 map 实例。
        newValues = current.m_localValues.Set(local, newValue, treatNullValueAsNonexistent: !needChangeNotifications);
        newChangeNotifications = current.m_localChangeNotifications;
    }
    else
    {
        // 如果当前上下文不存在，创建第一个 IAsyncLocalValueMap 实例
        newValues = AsyncLocalValueMap.Create(local, newValue, treatNullValueAsNonexistent: !needChangeNotifications);
    }

    // 如果 AsyncLocal 注册了回调，则需要保存 AsyncLocal 的引用
    // 这边会有两种情况，一个是数组未创建过，一个是数组已存在
    if (needChangeNotifications)
    {
        if (hadPreviousValue)
        {
            Debug.Assert(newChangeNotifications != null);
            Debug.Assert(Array.IndexOf(newChangeNotifications, local) >= 0);
        }
        else if (newChangeNotifications == null)
        {
            newChangeNotifications = new IAsyncLocal[1] { local };
        }
        else
        {
            int newNotificationIndex = newChangeNotifications.Length;
			// 这个方法会创建一个新数组并将原来的元素拷贝过去
			Array.Resize(ref newChangeNotifications, newNotificationIndex + 1);
            newChangeNotifications[newNotificationIndex] = local;
        }
    }

	// 如果 AsyncLocal 存在有效值，且允许执行上下文流动，则创建新的 ExecutionContext实例，新实例会保存所有的AsyncLocal的值和所有需要通知的 AsyncLocal 引用。
    Thread.CurrentThread._executionContext =
        (!isFlowSuppressed && AsyncLocalValueMap.IsEmpty(newValues)) ?
        null : // No values, return to Default context
        new ExecutionContext(newValues, newChangeNotifications, isFlowSuppressed);

    if (needChangeNotifications)
    {
		// 调用先前注册好的委托
        local.OnValueChanged(previousValue, newValue, contextChanged: false);
    }
}

2.2.5、ExecutionContext - GetLocalValue

值的获取实现相对简单

internal static object? GetLocalValue(IAsyncLocal local)
{
    ExecutionContext? current = Thread.CurrentThread._executionContext;
    if (current == null)
    {
        return null;
    }

    Debug.Assert(!current.IsDefault);
    Debug.Assert(current.m_localValues != null, "Only the default context should have null, and we shouldn't be here on the default context");
    current.m_localValues.TryGetValue(local, out object? value);
    return value;
}

3、ExecutionContext 的流动

在线程发生切换的时候，ExecutionContext 会在前一个线程中被默认捕获，流向下一个线程，它所保存的数据也就随之流动。

在所有会发生线程切换的地方，基础类库(BCL) 都为我们封装好了对执行上下文的捕获。

例如：

new Thread(ThreadStart start).Start()
Task.Run(Action action)
ThreadPool.QueueUserWorkItem(WaitCallback callBack)
await 语法糖

class Program
{
    static AsyncLocal<string> _asyncLocal = new AsyncLocal<string>();

    static async Task Main(string[] args)
    {
        _asyncLocal.Value = "AsyncLocal保存的数据";

        new Thread(() =>
        {
            Console.WriteLine($"new Thread: {_asyncLocal.Value}");
        })
        {
            IsBackground = true
        }.Start();

        ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ =>
        {
            Console.WriteLine($"ThreadPool.QueueUserWorkItem: {_asyncLocal.Value}");
        });

        Task.Run(() =>
        {
            Console.WriteLine($"Task.Run: {_asyncLocal.Value}");
        });

        await Task.Delay(100);
        Console.WriteLine($"after await: {_asyncLocal.Value}");
    }
}

输出结果：

new Thread: AsyncLocal保存的数据
ThreadPool.QueueUserWorkItem: AsyncLocal保存的数据
Task.Run: AsyncLocal保存的数据
after await: AsyncLocal保存的数据

3.1、流动的禁止和恢复

ExecutionContext 为我们提供了 SuppressFlow（禁止流动）和 RestoreFlow （恢复流动）这两个静态方法来控制当前线程的执行上下文是否像辅助线程流动。并可以通过 IsFlowSuppressed 静态方法来进行判断。

class Program
{
    static AsyncLocal<string> _asyncLocal = new AsyncLocal<string>();

    static async Task Main(string[] args)
    {
        _asyncLocal.Value = "AsyncLocal保存的数据";

        Console.WriteLine("默认：");
        PrintAsync(); // 不 await，后面的线程不会发生切换

        Thread.Sleep(1000); // 确保上面的方法内的所有线程都执行完

        ExecutionContext.SuppressFlow();
        Console.WriteLine("SuppressFlow：");
        PrintAsync();

        Thread.Sleep(1000);

        Console.WriteLine("RestoreFlow：");

        ExecutionContext.RestoreFlow();
        await PrintAsync();

        Console.Read();
    }

    static async ValueTask PrintAsync()
    {
        new Thread(() =>
        {
            Console.WriteLine($"    new Thread: {_asyncLocal.Value}");
        })
        {
            IsBackground = true
        }.Start();

        Thread.Sleep(100); // 保证输出顺序

        ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ =>
        {
            Console.WriteLine($"    ThreadPool.QueueUserWorkItem: {_asyncLocal.Value}");
        });

        Thread.Sleep(100);

        Task.Run(() =>
        {
            Console.WriteLine($"    Task.Run: {_asyncLocal.Value}");
        });

        await Task.Delay(100);
        Console.WriteLine($"    after await: {_asyncLocal.Value}");

        Console.WriteLine();
    }
}

输出结果：

默认：
new Thread: AsyncLocal保存的数据
ThreadPool.QueueUserWorkItem: AsyncLocal保存的数据
Task.Run: AsyncLocal保存的数据
after await: AsyncLocal保存的数据

SuppressFlow：
new Thread:
ThreadPool.QueueUserWorkItem:
Task.Run:
after await:

RestoreFlow：
new Thread: AsyncLocal保存的数据
ThreadPool.QueueUserWorkItem: AsyncLocal保存的数据
Task.Run: AsyncLocal保存的数据
after await: AsyncLocal保存的数据

需要注意的是，在线程A中创建线程B之前调用 ExecutionContext.SuppressFlow 只会影响 ExecutionContext 从线程A => 线程B的传递，线程B => 线程C 不受影响。

class Program
{
    static AsyncLocal<string> _asyncLocal = new AsyncLocal<string>();
    static void Main(string[] args)
    {
        _asyncLocal.Value = "A => B";
        ExecutionContext.SuppressFlow();
        new Thread((() =>
        {
            Console.WriteLine($"线程B：{_asyncLocal.Value}"); // 输出线程B：

            _asyncLocal.Value = "B => C";
            new Thread((() =>
            {
                Console.WriteLine($"线程C：{_asyncLocal.Value}"); // 输出线程C：B => C
            }))
            {
                IsBackground = true
            }.Start();
        }))
        {
            IsBackground = true
        }.Start();

        Console.Read();
    }
}

3.2、ExcutionContext 的流动实现

上面举例了四种场景，由于每一种场景的传递过程都比较复杂，目前先介绍其中一个。

但不管什么场景，都会涉及到 ExcutionContext 的 Run 方法。在Run 方法中会调用 RunInternal 方法，

public static void Run(ExecutionContext executionContext, ContextCallback callback, object? state)
{
    if (executionContext == null)
    {
        ThrowNullContext();
    }

	// 内部会调用 RestoreChangedContextToThread 方法
    RunInternal(executionContext, callback, state);
}

RunInternal 调用下面一个 RestoreChangedContextToThread 方法将 ExcutionContext.Run 方法传入的 ExcutionContext 赋值给当前线程的 _executionContext 字段。

internal static void RestoreChangedContextToThread(Thread currentThread, ExecutionContext? contextToRestore, ExecutionContext? currentContext)
{
    Debug.Assert(currentThread == Thread.CurrentThread);
    Debug.Assert(contextToRestore != currentContext);

	// 在这边把之前的 ExecutionContext 赋值给了当前线程
    currentThread._executionContext = contextToRestore;
    if ((currentContext != null && currentContext.HasChangeNotifications) ||
        (contextToRestore != null && contextToRestore.HasChangeNotifications))
    {
        OnValuesChanged(currentContext, contextToRestore);
    }
}

3.2.1、new Thread(ThreadStart start).Start() 为例说明 ExecutionContext 的流动

这边可以分为三个步骤：

在 Thread 的 Start 方法中捕获当前的 ExecutionContext，将其传递给 Thread 的构造函数中实例化的 ThreadHelper 实例，ExecutionContext 会暂存在 ThreadHelper 的实例字段中，线程创建完成后会调用ExecutionContext.RunInternal 将其赋值给新创建的线程。

代码位置：

https://github.com/dotnet/runtime/blob/5fca04171171f118bca0f93aa9741f205b8cdc29/src/coreclr/src/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Thread.CoreCLR.cs#L200

        public void Start()
        {
#if FEATURE_COMINTEROP_APARTMENT_SUPPORT
            // Eagerly initialize the COM Apartment state of the thread if we're allowed to.
            StartupSetApartmentStateInternal();
#endif // FEATURE_COMINTEROP_APARTMENT_SUPPORT

            // Attach current thread's security principal object to the new
            // thread. Be careful not to bind the current thread to a principal
            // if it's not already bound.
            if (_delegate != null)
            {
                // If we reach here with a null delegate, something is broken. But we'll let the StartInternal method take care of
                // reporting an error. Just make sure we don't try to dereference a null delegate.
                Debug.Assert(_delegate.Target is ThreadHelper);
                // 由于 _delegate 指向 ThreadHelper 的实例方法，所以 _delegate.Target 指向 ThreadHelper 实例。
                var t = (ThreadHelper)_delegate.Target;

                ExecutionContext? ec = ExecutionContext.Capture();
                t.SetExecutionContextHelper(ec);
            }

            StartInternal();
        }

https://github.com/dotnet/runtime/blob/5fca04171171f118bca0f93aa9741f205b8cdc29/src/coreclr/src/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Thread.CoreCLR.cs#L26

class ThreadHelper
{
    internal ThreadHelper(Delegate start)
    {
        _start = start;
    }

    internal void SetExecutionContextHelper(ExecutionContext? ec)
    {
        _executionContext = ec;
    }

    // 这个方法是对 Thread 构造函数传入的委托的包装
    internal void ThreadStart()
    {
        Debug.Assert(_start is ThreadStart);

        ExecutionContext? context = _executionContext;
        if (context != null)
        {
			// 将 ExecutionContext 与 CurrentThread 进行绑定
            ExecutionContext.RunInternal(context, s_threadStartContextCallback, this);
        }
        else
        {
            InitializeCulture();
            ((ThreadStart)_start)();
        }
    }
}

4、总结

AsyncLocal 本身不保存数据，数据保存在 ExecutionContext 实例的 m_localValues 的私有字段上，字段类型定义是 IAsyncLocalMap ，以 IAsyncLocal => object 的 Map 结构进行保存，且实现类型随着元素数量的变化而变化。
ExecutionContext 实例保存在 Thread.CurrentThread._executionContext 上，实现与当前线程的关联。
对于 IAsyncLocalMap 的实现类，如果 AsyncLocal 注册了回调，value 传 null 不会被忽略。

没注册回调时分为两种情况：如果 key 存在，则做删除处理，map 类型可能出现降级。如果 key 不存在，则直接忽略。
ExecutionContext 和 IAsyncLocalMap 的实现类都被设计成不可变(immutable)。同一个 key 前后两次 value 发生变化后，会产生新的 ExecutionContext 的实例和 IAsyncLocalMap 实现类实例。
ExecutionContext 与当前线程绑定，默认流动到辅助线程，可以禁止流动和恢复流动，且禁止流动仅影响当前线程向其辅助线程的传递，不影响后续。

5、参考

https://devblogs.microsoft.com/pfxteam/executioncontext-vs-synchronizationcontext/
《CLR via C#》27.3 章节
github 代码库 https://github.com/dotnet/runtime

posted @ 2020-01-29 17:01 黑洞视界阅读(10820) 评论(15) 编辑收藏举报

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黑洞视界

浅析 .NET 中 AsyncLocal 的实现原理

前言

1、线程本地存储

2、AsyncLocal 实现

2.1、主体 AsyncLocal<T>

2.2、AsyncLocal<T> 在 ExecutionContext 中的数据存取实现

2.2.1、 ExecutionContext 与 线程的绑定关系

2.2.2、ExecutionContext 的私有变量

2.2.3、IAsyncLocalValueMap 接口及其实现

2.2.4、ExecutionContext - SetLocalValue

2.2.5、ExecutionContext - GetLocalValue

3、ExecutionContext 的流动

3.1、流动的禁止和恢复

3.2、ExcutionContext 的流动实现

3.2.1、new Thread(ThreadStart start).Start() 为例说明 ExecutionContext 的流动

4、总结

5、参考

公告

2.2.1、 ExecutionContext 与线程的绑定关系