.NET中的线程

      早在2001年的时候，IBM就推出了在一个CPU上集成两个运算核心的服务器，但桌面双核的到来却是2005年4月18号，Intel发布了其历史上第一颗双核CPU-奔腾至尊版840，从此，千千万万的普通用户也进入了多核时代。随着多核的到来，以前随CPU频率的提高而带来的性能提升已经成为历史，软件开发人员必须去面对多核编程，而其中绕不过的一个中心就是多线程。本文围绕Windows平台展开，讨论.NET所支持的线程。

一、历史回顾

      众所周知，Windows早期是不支持多线程的，一个进程贯穿整个系统，同时，它也是一个线程。这使得同一时间内只能运行一个任务，如果这个任务运行时间过长，那么用户只有等待任务执行完毕。遗憾的是，如果程序中不小心出现了死循环，那么用户就只有按重启键重启操作系统了，这会导致某些重要的用户数据丢失，用户体验也非常差。微软为了解决这个问题，引入了进程的概念，进程是应用程序运行的实例，每个进程都有独立的内存空间，进程间不能相互访问。这种机制的好处是如果一个进程出现问题，如崩溃，不会影响到其它进程的正常运行，使Windows更加稳定，安全了。但问题又来了，如果一旦某个进程中的代码出现死循环，那么这个进程会占用全部CPU资源，而致使其它程序无法获得CPU资源，由于进程间的隔离性，其它应用程序也无法中止它。因此，微软又引入了线程机制，线程允许其它应用程序（例如任务管理器）强制中止某个线程的执行。值得一提的是，发布于1993年的Windows NT 3.1(首款Windows 32位操作系统)标志着Windows操作系统进入了多线程时代。

二、Windows线程详解

     线程是CPU的执行单元，一个进程可以包含一个或多个线程，同一进程间的多个线程共享进程资源。操作系统通过线程之间的切换执行实现了多任务的并发执行。在Windows中，创建一个线程的代价是很大的，虽然现在硬件的速度对于创建一个线程来说所用时间非常小，但我们了解这些细节对于我们是非常有用的。

    1、线程的开销

    ● 线程内核对象 当线程被创建时，操作系统要分配与初始化的数据结构。包括一系列描述线程的属性以及线程上下文。

    ● 线程环境块 是用户模式下分配和初始化的内存块，它包含线程异常处理链的头信息。每当线程中的代码进入try语句块时，就会插入一个标志在当前线程异常处理链的头信息中，当退出try语句块时，这个标志就会被移除。

    ● 用户模式栈 用于存储局部变量、传递给方法的参数，以及方法返回值，即我们通常所说的线程栈。

    ●  内核模式栈 用于存储应用程序传递参数给内核方法。

    ●  DLL线程附加和线程卸载通知标志 用于DLL的加载与卸载的相关工作。

    2、线程上下文切换

      不管是以前的单核CPU还是如今的多核CPU，至始至终，CPU是有限的，是众多程序必用的公共资源。理想的情况下，不用线程切换的程序的性能是最高的，但这又成了单线程了，不是我们想要的结果。所以，不管怎样，线程切换是必不可少的开销。由于CPU在某一时刻只能执行一个任务，因此，操作系统把CPU的时间分成极为细小的时间片（大约30毫秒），在某个时间片内，执行某个任务，时间片结束后，操作系统就会把当前正在执行的线程挂起，切换到下一个要执行的线程并执行，这就叫线程上下文切换。线程上下文切换的步骤是：

    （1）、保存CPU寄存器的值到当前线程内核对象中的线程上下文中

    （2）、选择并调度一个等待线程集合中的线程，如果这个线程与上一个线程不在同一个进程中，那么线程在正式开始前切换到当前进程的虚拟地址空间。

    （3）、加载线程上下文数据到CPU寄存器并开始执行

     经过这三步操作，操作系统就把一个线程切换到另一个线程，线程之间的切换就如此反复地进行着。

    3、线程的优先级

      Windows是一个抢占式的多线程操作系统，而这一切，由线程的优先级来决定。当Windows启动后，会有众多的线程等待执行，如此众多的线程到底先执行谁呢？这是一个问题，于是就有了线程优先级，当然是执行优先级高的线程了。线程的优先级不仅决定着线程的执行先后顺序，而且也决定着线程分得CPU时间片的多少。例如，当前有个优先级为3的线程A在执行，此时，半路杀出个优先级为5的线程B，由于Windows的抢占性，这时，不管线程A的CPU时间片还剩多少，也不管线程A执行到哪步了，彪悍的操作系统立即挂起线程A，切换到线程B执行。等线程B时间片结束后，操作系统会分一小片时间片给线程A执行，然后再分多一些的时间片给线程B执行，如此往复，直到两个线程执行完毕。

     就如线程的优先级一样，进程也有优先级，Windows把进程分为六个优先级，Idle, Below Normal, Normal, Above Normal, High, 以及Realtime，在.NET类库中，我们可以从System.Diagnostics.ProcessPriorityClass枚举中看到关于进程优先级的定义。Normal是默认的进程优先级，值得注意的是，我们要慎用Realtime优先级，因为这个优先级太高了，以致会干扰到操作系统的运行。

     Windows把线程分为32个优先级，从0到31。为了简化我们的记忆，它们被定义为Idle, Lowest, Below Normal, Normal, Above Normal,Highest, 以及Time-Critical。在.NET类库中，我们可以在System.Threading.ThreadPriority枚举中看到相关定义。为了方便说明进程优先级是如何影响线程优先级的，请看下表：

     我们可以通过设置线程的Priority属性来指定线程的优先级，值得注意的是，在.NET中，一旦指定了进程的优先级以后，就不能更改，因为，更改进程的优先级会涉及到大量线程的优先级也会做出更改，这样会影响到程序的运行。

三、.NET中的线程

     我们都知道，在.NET中，通过System.Threading.Thread类来创建一个线程，叫做托管线程。而实际发生的情况却不是我们想象中的那样，.NET并没有实际创建线程，而是利用Windows的线程处理能力。System.Threading.Thread实例只是包装了Win32线程。甚至有时候，.NET线程并没与Win32线程一一对应。

     1、前台线程VS后台线程

     当我们创建一个新线程时，通过指定IsBackground的值来设置这个线程是前台线程还是后台线程。简单的说，前台线程会一直运行直到任务完成或者强制中止，即使应用程序结束也仍会运行；而后台线程就不会这样，当程序结束，不管后台线程执行到什么状态，都会随应用程序的结束而中止。

     2、线程池

     通过第二节的描述我们知道，创建一个新线程开销相当的大，如果反复频繁的创建销毁线程，会影响程序性能，所以微软在.NET中加入了线程池。简单地说，线程池是一个线程集合，当我们把要执行的任务交给线程池去处理后，我们并不关心这个任务由哪个线程来执行，也不关心执行完任务后要不要立即销毁线程。这一切，都由线程池来打理。

      3、并行库

     为了减小并行代码的开发难度，微软在.NET 4.0中提供了并行库。所谓并行，就是通过多个线程同时执行一个任务，这样，分配的CPU时间片就更多，任务执行得也就越快。.NET 4.0通过System.Threading.Tasks.Parallel类提供并行处理能力。

四、总结

 

     多核时代，面对着繁重的处理任务，同时也为了使CPU的处理能力发挥出来，我们会创建更多的线程来完成我们的工作。但我们编程的复杂性也随之增加，遇到的问题也会更多，只有深入线程底层，了解线程的更多知识，对我们的工作会带来更多的帮助。

 

     参考文献：《CLR Via C#》，Third Edtion，作者：Jeffrey Richter,P691~719。