.NET Core 线程(Thread)底层原理浅谈

简介

线程，进程，协程基本概念不再赘述。

原生线程和用户线程

1. 原生线程
   
   在内核态中创建的线程，只服务于内核态

2. 用户线程
   
   由User Application创建的线程，该线程会在内核态与用户态中间来回穿梭
   
   比如Throw Exception，就会由CLR 线程触发，从用户态切换到内核态，再切换回用户态。

时钟中断与时间片

时钟中断的底层，是由主板上的硬件定时器产生，以固定的时间间隔(15.6ms)触发。windows作为消费端，来处理多线程任务调度/定时任务。

操作系统获取到中断后，再自行分配时间片，每个线程在一个时间片里获得CPU的运行时间，等时间片用完后，再由操作系统分配给下一个线程

windows 客户端一个时间片为 2个时钟中断 (15.62=31.5ms)

windows 服务端一个时间片为 12个时钟中断 (15.612=187.2ms,主要是为了更高的吞吐量)

CLR via C# 一文中说windows每30ms切换一次就是这个原因。

当一个线程时间片用完后，操作系统会将新的时间片转移给其它线程。以实现“多线程”效果。

单个核心在同一时间只能处理一个线程的任务。

眼见为实

1. 中断多久触发一次？
   
   使用windbg进入内核态，使用nt!KeMaximumIncrement命令查看看它的值
   
   

注意，单位为100ns,因此156250*100/1000/1000=15.625ms

Windows下CPU核的数据结构

Windows会给每一个 CPU核 分配一个_KPCR的内存结构，用来记录当前CPU的状态。并拓展了_KPRCB来记录更多信息。

关键信息就是存储着 CuurentThread/NextThread/IdleThread(空闲线程)

眼见为实

使用dt命令来查看

dt命令是一个非常有用的显示类型信息的工具，主要用于查看和分析数据结构的布局和内容

CPU当前正在执行哪个线程？

使用!running命令，可以看到当前 CPU核 正在执行的线程

本质上就是对_KPCR/_KPRCB的提炼简化，

Windows下线程的数据结构

每个线程都有以下要素，这是创建线程无法避免的开销。

1. 线程内核对象(Thread Kernel Object)
   
   OS中创建的每一个线程都会分配数据结构来承载描述信息
   
   Windows会给每一个 Thread 分配一个_ETHREAD的内存结构，用来记录当前线程的状态，其中就包括了线程上下文(Thread Context)

2. 线程环境块(Thread Environment Block, TEB)
   
   TEB是在用户态中分配的内存块，主要包括线程的Exception，Local Storage等信息

3. 用户态线程栈(User-Mode Stack)
   
   我们常说的栈空间就是指的这里,大名鼎鼎的OOM就出自于此

4. 内核态线程栈(Kernel-Mode Stack)
   
   处于安全隔离考虑，在内核态中复制了一个同样的栈空间。用来处理用户态访问内核态的代码。

眼见为实

1. 线程内核对象
   
   使用命令dt nt!_ETHREAD
   
   

2. TEB
   
   使用命令dt nt!_TEB
   
   

线程上下文切换的本质

上下文切换的本质就是，备份被切换线程寄存器的值，到该线程的上下文中。再从切换后的线程中，读取上下文到寄存器中。

举个简单的例子就是，我跟你轮流打游戏，我玩的时候要先加载我的存档，轮到你玩的时候，我再保存我的存档。你玩的时候重复这一过程。

线程切换的成本

上下文切换是净开销，不会带来任何性能上的收益。因此优化程序的一个思路就是降低上下文切换

1. 显式成本
   
   保存寄存器的值到内存，从内存读取寄存器。
   
   寄存器的数量越多成本就越高，以AMD 7840HS处理器为例,总共有17个寄存器
   
   

2. 隐式成本
   
   如果线程切换是在同一个进程中，它们共享用户态的虚拟内存空间。所以当线程切换的时候，就有可能命中CPU的缓存(比如线程之间共享的变量，代码)。
   
   如果在不同的进程中,线程的切换则会导致用户态的虚拟内存空间都失效，进而导致CPU缓存失效。

眼见为实

说了这么多理论，不如直接看源码。

/*主代码入口*/
PUBLIC KiSwapContext
.PROC KiSwapContext

    /* Generate a KEXCEPTION_FRAME on the stack */
	/* 核心逻辑：把寄存器全部备份一遍 */
    GENERATE_EXCEPTION_FRAME

    /* Do the swap with the registers correctly setup */
	/* 将新线程的地址，交换到R8寄存器上 */
    mov r8, gs:[PcCurrentThread] /* Pointer to the new thread */
    call KiSwapContextInternal

    /* Restore the registers from the KEXCEPTION_FRAME */
	/* 把之前保存的寄存器值恢复到CPU寄存器 */
    RESTORE_EXCEPTION_STATE

    /* Return */
    ret
.ENDP

MACRO(GENERATE_EXCEPTION_FRAME)

    /* Allocate a KEXCEPTION_FRAME on the stack */
    /* -8 because the last field is the return address */
    sub rsp, KEXCEPTION_FRAME_LENGTH - 8
    .allocstack (KEXCEPTION_FRAME_LENGTH - 8)

    /* Save non-volatiles in KEXCEPTION_FRAME */
    mov [rsp + ExRbp], rbp
    .savereg rbp, ExRbp
    mov [rsp + ExRbx], rbx
    .savereg rbx, ExRbx
    mov [rsp +ExRdi], rdi
    .savereg rdi, ExRdi
    mov [rsp + ExRsi], rsi
    .savereg rsi, ExRsi
	......省略
ENDM

MACRO(RESTORE_EXCEPTION_STATE)

    /* Restore non-volatile registers */
    mov rbp, [rsp + ExRbp]
    mov rbx, [rsp + ExRbx]
    mov rdi, [rsp + ExRdi]
    mov rsi, [rsp + ExRsi]
    mov r12, [rsp + ExR12]
    mov r13, [rsp + ExR13]
    mov r14, [rsp + ExR14]
    mov r15, [rsp + ExR15]
    movaps xmm6, [rsp + ExXmm6]
	......省略

    /* Clean stack and return */
    add rsp, KEXCEPTION_FRAME_LENGTH - 8

ENDM

https://github.com/reactos/reactos/blob/master/ntoskrnl/ke/amd64/ctxswitch.S

线程调度模型(究极简化版)

在上面说到的逻辑核数据结构_KPRCB中，有三个属性。

单链表的DeferredReadyListHead，双链表的WaitListHead， 二维数组形态的DispatcherReadyListHead。

简单来说，当线程切换时，逻辑核从DispatcherReadyListHead根据线程优先级切换高优先级线程。如果线程主动放弃了时间片(thread.yield/thread.sleep),则会把线程放入DeferredReadyListHead。WaitListHead则用于存放那些正在等待某些事件发生的线程，如等待 I/O 操作完成、等待某个信号量或者等待互斥体等

眼见为实

直接看源码

可以看到DispatcherReadyListHead大小为32，主要是因为windows将线程优先级设为了0-31不同的级别。

https://github.com/reactos/reactos/blob/master/sdk/include/ndk/amd64/ketypes.h

C#线程结构模型

C#线程的底层是CLR托管线程，而CLR的承载是操作系统线程。因此它们都有一一对应的关系。



分别对应C#线程（Thread.CurrentThread.ManagedThreadId），CLR线程，OS线程

线程在创建过程中会经历两个阶段

        static void Main(string[] args)
        {
            var testThread = new Thread(DoWork);// 这个阶段只会在CLR中创建Thread,在OS上没有创建

            testThread.Start();//CLR底层会调用系统api,创建OS线程
        }