.NET Core 线程(Thread)底层原理浅谈

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简介

内核态，用户态，线程，进程，协程基本概念不再赘述。

原生线程和用户线程

原生线程
在内核态中创建的线程，只服务于内核态
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 (15.6*2=31.5ms)
windows 服务端一个时间片为 12个时钟中断 (15.6*12=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

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。

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)
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
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
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

线程内核对象
使用命令dt nt!_ETHREAD
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

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
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         }