并发编程 ---为何要线程池化

不念不忘少年蓝@ 2024-03-23 19:17 50阅读 0赞

### 引言 ###

众所周知，使用线程可以极大的提高应用程序的效率和响应性，提高用户体验，但是不可以无节制的使用线程，为什么呢？

### 线程的开销 ###

线程的开销实际上是非常大的，我们从空间开销和时间开销上分别讨论。

#### 线程的空间开销 ####

线程的空间开销来自这四个部分：

1.  线程内核对象(Thread Kernel Object)。每个线程都会创建一个这样的对象，它主要包含线程上下文信息，在32位系统中，它所占用的内存在700字节左右。
2.  线程环境块(Thread Environment Block)。TEB包括线程的异常处理链，32位系统中占用4KB内存。
3.  用户模式栈(User Mode Stack),即线程栈。线程栈用于保存方法的参数、局部变量和返回值。每个线程栈占用1024KB的内存。要用完这些内存很简单，写一个不能结束的递归方法，让方法参数和返回值不停地消耗内存，很快就会发生 `OutOfMemoryException` 。
4.  内核模式栈(Kernel Mode Stack)。当调用操作系统的内核模式函数时，系统会将函数参数从用户模式栈复制到内核模式栈。在32位系统中，内核模式栈会占用12KB内存。

#### 线程的时间开销 ####

线程的时间开销来自这三个过程：

1.  线程创建的时候，系统相继初始化以上这些内存空间。
2.  接着CLR会调用所有加载DLL的DLLMain方法，并传递连接标志（线程终止的时候，也会调用DLL的DLLMain方法，并传递分离标志)。
3.  线程上下文切换。一个系统中会加载很多的进程，而一个进程又包含若干个线程。但是一个CPU内核在任何时候都只能有一个线程在执行。为了让每个线程看上去都在运行，系统会不断地切换“线程上下文”：每个线程及其短暂的执行时间片，然后就会切换到下一个线程了。
    
    这个线程上下文切换过程大概又分为以下5个步骤：
    
     *  步骤1进入内核模式。
     *  步骤2将上下文信息（主要是一些CPU寄存器信息）保存到正在执行的线程内核对象上。
     *  步骤3系统获取一个 `Spinlock` ，并确定下一个要执行的线程，然后释放 `Spinlock` 。如果下一个线程不在同一个进程内，则需要进行虚拟地址交换。
     *  步骤4从将被执行的线程内核对象上载入上下文信息。
     *  步骤5离开内核模式。

所以，由于要进行如此多的工作，所以创建和销毁一个线程就意味着代价“昂贵”，即使现在的CPU多核多线程，如无节制的使用线程，依旧会严重影响性能。

### 引入线程池 ###

为了免程序员无节制地使用线程，微软开发了“线程池”技术。简单来说，线程池就是替开发人员管理工作线程。当一项工作完毕时，CLR不会销毁这个线程，而是会保留这个线程一段时间，看是否有别的工作需要这个线程。至于何时销毁或新起线程，由CLR根据自身的算法来做这个决定。

线程池技术能让我们重点关注业务的实现，而不是线程的性能测试。

微软除实现了线程池外，还需要关注一个类型：`BackgroundWorker`。 `BackgroundWorker` 是在内部使用了线程池的技术：同时，在WinForm或WPF编码中，它还给工作线程和UI线程提供了交互的能力。

实际上， `Thread` 和 `ThreadPool` 默认都没有提供这种交互能力，而 `BackgroundWorker` 却通过事件提供了这种能力。这种能力包括：报告进度、支持完成回调、取消任务、暂停任务等。

`BackgroundWorker` 的简单示例如下：

private BackgroundWorker backgroundWorker = new BackgroundWorker();
    
    private void AsyncButton_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
    {
        //注册要执行的任务
        backgroundWorker.DoWork += BackgroundWorker_DoWork;
        //注册报告进度
        backgroundWorker.ProgressChanged += BackgroundWorker_ProgressChanged;
        //注册完成时的回调
        backgroundWorker.RunWorkerCompleted += BackgroundWorker_RunWorkerCompleted;
        //设置允许任务取消
        backgroundWorker.WorkerSupportsCancellation = true;
        //设置允许报告进度
        backgroundWorker.WorkerReportsProgress = true;
        backgroundWorker.RunWorkerAsync();
    }
    private void Cancel_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
    {
        //取消任务
        if (backgroundWorker.IsBusy)
            backgroundWorker.CancelAsync();
    }
    private void BackgroundWorker_RunWorkerCompleted(object? sender, RunWorkerCompletedEventArgs e)
    {
        //完成时回调
        MessageBox.Show("BackgroundWorker RunWorkerCompleted");
    }
    
    private void BackgroundWorker_ProgressChanged(object? sender, ProgressChangedEventArgs e)
    {   
        //报告进度
        this.textbox.Text = e.ProgressPercentage.ToString();
    }
    
    private void BackgroundWorker_DoWork(object? sender, DoWorkEventArgs e)
    {
        BackgroundWorker? worker = sender as BackgroundWorker;
    
        if (worker != null)
        {
            for (int i = 0; i < 20; i++)
            {
                if (worker.CancellationPending)
                {
                    e.Cancel = true;
                    break;
                }
                worker.ReportProgress(i);
    
                Thread.Sleep(100);
            }
        }
    }

建议使用WinForm和WPF的开发人员使用 `BackgroundWorker`。

### Task替代ThreadPool ###

`ThreadPool` 相对于 `Thread` 来说具有很多优势，但是 `ThreadPool` 在使用上却存在一定的不方便。比如：

*  `ThreadPool` 不支持线程的取消、完成、失败通知等交互性操作。
 *  `ThreadPool` 不支持线程执行的先后次序。

所以随着 `Task` 类及其所提供的异步编程模型的引入，`Task`相较`ThreadPool`具有更多的优势。大概有一下几点：

1.  Task是.NET Framework的一部分，它提供了更高级别的抽象来表示异步操作或并发任务。相比之下，ThreadPool较为底层，需要手动管理线程池和任务队列。通过使用Task，我们可以以更简洁、更可读的方式表达并发逻辑，而无需关注底层线程管理的细节。
2.  Task是基于Task Parallel Library（TPL）构建的核心组件，它提供了强大的异步编程支持。利用Task，我们能够轻松定义异步方法、等待异步操作完成以及处理任务结果。与此相反，ThreadPool主要用于执行委托或操作，缺乏直接的异步编程功能。
3.  Task在底层使用ThreadPool来执行任务，但它提供了更优秀的性能和资源管理机制。通过使用Task，我们可以利用TPL提供的任务调度器，智能化地管理线程池的大小、工作窃取算法和任务优先级。这样一来，我们能够更有效地利用系统资源，并获得更好的性能表现。
4.  Task拥有强大的任务关联和组合功能。我们可以使用Task的 `ContinueWith()` 、 `When()` 、`WhenAll()` 、`Wait()`等方法定义任务之间的依赖关系，以及在不同任务完成后执行的操作。这种任务组合方式使并发编程更加灵活且易于管理。
5.  Task提供了更好的异常处理和取消支持机制。我们可以利用Task的异常处理机制捕获和处理任务中的异常，而不会导致整个应用程序崩溃。此外，Task还引入 `CancellationToken` 的概念，可用于取消任务的执行，从而更好地控制并发操作。

所以，尽管ThreadPool在某些情况下仍然有其用途，但在C\#编程中，使用Task替代ThreadPool已变为通用实践，推荐优先考虑使用Task来处理并发任务。