[.net]线程基础

关于线程的诞生

　　早期的16位Windows只有一个执行线程，在执行各种程序时，如果这个线程运行出现了问题，就会“冻结”整个系统，使得系统处于未响应状态。这是一件多么尴尬的事儿，无论是用户还是微软自己，都不能长时间的忍受这种状况！不过，在那个时代，能有一台电脑，能使用Windows本身就是一件极其奢侈和有乐趣的事儿，也许用户还是能接受这种状况的。不过随着芯片技术的发展，微软是绝对不能安于现状的，所以必须设计一个健壮、可靠、易于伸缩和安全的系统，以便于和新的芯片搭配，所以微软推出了Windows NT,第一次搭载了全新的内核，后续的Windows版本，都是基于这个新的内核。那么这个内核和线程有什么关系呢？在新的系统内核中，操作系统管理多个进程，每个进程又管理这多个线程。

　　在进程中运行每个应用程序的实例。而进程是应用程序实例要使用的资源的集合，每一个进程都有一个独立的虚拟地址空间，所以进程之间不能访问各自的代码和数据，当然也不能访问OS本身的数据。这就保证了系统运行的安全。可是，早期计算机只有一个CPU，如果CPU执行陷入死循环，那么系统任然会停止响应。为了解决这个问题，微软拿出了一个解决方案——线程。让每个进程拥有各自的线程。线程的职责就是对CPU进行虚拟化，对于应用程序来说，实际上一个线程相当于一个CPU,把所有的代码执行任务交给线程，如果某个线程执行出错，那么只有与这个线程关联的进程会挂掉，其他的进程不受影响，在OS的控制下，它们继续很好的执行！

线程究竟包含什么？

　　现在才是干货。在Windows中，每一个线程都会有这么几个要素。

　　·线程内核对象（Thread Kernel Object）:这是线程非常重要的一个数据结构，它包含了一些对线程描述的属性，而且包含线程上下文（thead context）。上下文表示的是线程的执行信息，这些信息分别被保存在CPU的寄存器上。线程切换的时候，首先会保存当前线程的上下文信息，然后切换到另一个线程，最后恢复另外一个线程的上下文信息到实际的CPU寄存器中。

　　·线程环境块（thread environment block,TEB)：当线程执行进入一个try块（try{}catch{}用于捕获异常）的时候，就会在TEB中记录一个节点。与此同时，TEB还包含了一些图形接口相关的数据结构。

　　·用户模式栈（user-mode stack）:线程执行中的局部变量，方法调用参数都被存储在这儿。而且还指出了在当前线程执行的方法结束后，线程应该回到什么地方接着执行，类似中断过程。关于用户模式栈，是一个线程消耗系统内存资源的大户。为什么这么说呢？之前提到的 线程内核对象 和 TEB 它们的大小只有几kb,最小都不足1kb,但是Windows 给 用户模式栈 的初始大小就是1MB,而且随着实际需要，系统会调拨更多的物理内存给它。也许你会觉着不就1MB嘛，我内存是8GB的。那你就年轻了，然而就在笔者写这篇笔记的时候，我的Windows 10 系统有121个进程，有2100个线程。粗略计算，至少有2100x1MB的内存空间用于创建线程了，也就是2GB。

　　·内核模式栈（kernal-mode stack）:应用程序调用内核模式函数传参时使用。为什么会有内核模式栈出现呢？其实还是为了安全，用户调用内核模式函数的参数会被从用户模式栈复制到内核模式栈，然后它的功能就和用户模式栈则差不多了。简单理解就是内核模式栈服务于系统内核方法，用户模式站服务于用户自己的方法。

　　·DLL线程连接和线程分离通知：再Windows中有一个策略，再进程中创建线程时，会遍历当前进程加载的所有非托管DLL的DllMain方法。然后传递一个attach标记。所以创建一个线程会有一定的性能损耗。现在一个常用的的应用，都会加载N多的Dll。例如Vs2015，它在运行的时候至少会加载三四百个DLL,它们中有许多是非托管的Dll,遍历用这些Dll的入口函数也是一件不小的工作。不过值得高兴的一点是Windows 提供了一个Win32 方法DisableThreadLibraryCalls,非托管的Dll调用这个方法，就可以不去理会线程连接的通知，但是，许多的非托管Dll的程序员都不知道这个函数的存在，这就很尴尬了！

　　以上五点就是一个线程会包含的基本要素了。线程很好，因为它可以让我们的程序在表面上并行运行，但是滥用线程可就不好了！物极必反。创建一个线程会对系统的运行造成一定的性能损耗，虽然这个损耗可能很小很小，但是会由量变到质变。在一个进程中，每一时刻都只能有一个确定的线程执行，然而N多的线程是通过不断切换执行的，Windows大概每30ms就回执行一次线程切换，正如前面所说的，在线程切换的时候，要经历一个保存线程上下文—切换线程—加载线程上下文的过程。如果线程切换的频率很低，必然没有什么问题，但是在高频率的线程切换中，会影响系统性能。Cpu在读取数据时，从高速缓存cache中读取的速度远大于内存ram,而执行线程上下文切换，会导致原本在cache中的数据丢失，需要重新从ram中读取数据。这就是影响性能的地方。
　　目前为止，在一个单核cpu上，确定时刻只能由一个线程执行。直到多CPU计算机、多核CPU的出现，才能真正实现在同一时刻，有多个线程同时执行。而多CPU的计算机由于成本，功耗等各种原因，使用的并不多。真正得到普及的是多核CPU。试想，在多核CPU上，最完美的状态就是CPU有多少个核心，就创建多少个线程，这样就不会有线程切换，性能得到了保障。实际在一个Windows系统中，同时会有上千个线程。美好的理想就这么残忍的被现实打败了！但是在多核CPU普及的今天，我们的确从其多核心的计算中受益。

　　线程切换的时候，需要考虑一个问题：在一个进程中，有许多的线程，如何选择切换对象呢？在Windows中，引入了线程优先级的概念。Windows 将这种优先级量化为32个级别，数值越大，优先级越高，数值从0到31。切换时会优先切换高优先级的线程。但，问题又出现了，开发者并不能很好的掌握线程的优先级应该设置为多少。为了解决这个问题，Windows又引入了一个优先级抽象层，有两个概念“进程优先级类“和“相对线程优先级”。进程优先级类针对每一个进程，分为idle,below normal,normal,above normal,high,realtime六个级别，而相对线程优先级则分为idle,lower,below normal,normal,above normal,highest,time-critical七个级别，他们的不同组合对应了32个数字优先级。具体看图

	idle	lowest	below normal	normal	above normal	highest	time-critical
idle	1	2	3	4	5	6	15
below normal	1	4	5	6	7	8	15
normal	1	6	7	8	9	10	15
above normal	1	8	9	10	11	12	15
high	1	11	12	13	14	15	15
realtime	16	22	23	24	25	26	31

.Net中的线程
　　前后台线程：在.net中创建的线程分为前后台线程，前台线程如果没有结束，则整个应用程序就不能结束，依然会暂留在进程中，直到前台线程结束。而与之对应的后台线程则不同，一旦应用程序终止，后台线程随即终止，无论是否完成。我们可以通过System.Threading这个命名空间下的类来操作线程。而通过直接实例化一个Thead对象来创建的线程，默认是一个前台线程，可以通过IsBackground属性将其设置为后台线程。但是讲道理，平时使用的线程中，一般都是后台线程，通过线程池创建的线程都是后台线程。

　　多线程编程无论在什么编程语言中，都是一个重要的话题，而以上这些，只是.net中多线程编程的开始!

声明：笔记中内容均参考自Jeffrey Richter著作的《CLR Via C#》，个人也很看同作者的一些观点，像大神致敬！