獨(dú)立線程池

上次我們?cè)?A target=_blank>CLR線程池的作用與原理淺析一文中討論到，在一個(gè).NET應(yīng)用程序中會(huì)有一個(gè)CLR線程池，可以使用ThreadPool類中的靜態(tài)方法來(lái)使用這個(gè)線程池。我們只要使用QueueUserWorkItem方法向線程池中添加任務(wù)，線程池就會(huì)負(fù)責(zé)在合適的時(shí)候執(zhí)行它們。我們還討論了CLR線程池的一些高級(jí)特性，例如對(duì)線程的最大和最小數(shù)量作限制，對(duì)線程創(chuàng)建時(shí)間作限制以避免突發(fā)的大量任務(wù)消耗太多資源等等。

那么.NET提供的線程池又有什么缺點(diǎn)呢？有些朋友說，一個(gè)重要的缺點(diǎn)就是功能太簡(jiǎn)單，例如只有一個(gè)隊(duì)列，沒法做到對(duì)多個(gè)隊(duì)列作輪詢，無(wú)法取消任務(wù)，無(wú)法設(shè)定任務(wù)優(yōu)先級(jí)，無(wú)法限制任務(wù)執(zhí)行速度等等。不過其實(shí)這些簡(jiǎn)單的功能，倒都可以通過在CLR線程池上增加一層（或者說，通過封裝CLR線程池）來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，您可以讓放入CLR線程池中的任務(wù)，在執(zhí)行時(shí)從幾個(gè)自定義任務(wù)隊(duì)列中挑選一個(gè)運(yùn)行，這樣便達(dá)到了對(duì)多個(gè)隊(duì)列作輪詢的效果。因此，在我看來(lái)，CLR線程池的主要缺點(diǎn)并不在此。

我認(rèn)為，CLR線程池的主要問題在于“大一統(tǒng)”，也就是說，整個(gè)進(jìn)程內(nèi)部幾乎所有的任務(wù)都會(huì)依賴這個(gè)線程池。如前篇文章所說的那樣，如Timer和WaitForSingleObject，還有委托的異步調(diào)用，.NET框架中的許多功能都依賴這個(gè)線程池。這個(gè)做法是合適的，但是由于開發(fā)人員對(duì)于統(tǒng)一的線程池?zé)o法做到精確控制，因此在一些特別的需要就無(wú)法滿足了。舉個(gè)最常見例子：控制運(yùn)算能力。什么是運(yùn)算能力？那么還是從線程講起吧。

我們?cè)谝粋€(gè)程序中創(chuàng)建一個(gè)線程，安排給它一個(gè)任務(wù)，便交由操作系統(tǒng)來(lái)調(diào)度執(zhí)行。操作系統(tǒng)會(huì)管理系統(tǒng)中所有的線程，并且使用一定的方式進(jìn)行調(diào)度。什么是“調(diào)度”？調(diào)度便是控制線程的狀態(tài)：執(zhí)行，等待等等。我們都知道，從理論上來(lái)說有多少個(gè)處理單元（如2 * 2 CPU的機(jī)器便有4個(gè)處理單元），就表示操作系統(tǒng)可以同時(shí)做幾件事情。但是線程的數(shù)量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過處理單元的數(shù)量，因此操作系統(tǒng)為了保證每個(gè)線程都被執(zhí)行，就必須等一個(gè)線程在某個(gè)處理器上執(zhí)行到某個(gè)情況的時(shí)候，“換”一個(gè)新的線程來(lái)執(zhí)行，這便是所謂的“上下文切換（context switch）”。至于造成上下文切換的原因也有多種，可能是某個(gè)線程的邏輯決定的，如遇上鎖，或主動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)（調(diào)用Thread.Sleep方法），但更有可能是操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)這個(gè)線程“超時(shí)”了。在操作系統(tǒng)中會(huì)定義一個(gè)“時(shí)間片（timeslice）”2，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)線程執(zhí)行時(shí)間超過這個(gè)時(shí)間，便會(huì)把它撤下，換上另外一個(gè)。這樣看起來(lái)，多個(gè)線程——也就是多個(gè)任務(wù)在同時(shí)運(yùn)行了。值得一提的是，對(duì)于Windows操作系統(tǒng)來(lái)說，它的調(diào)度單元是線程，這和線程究竟屬于哪個(gè)進(jìn)程并沒有關(guān)系。

舉個(gè)例子，如果系統(tǒng)中只有兩個(gè)進(jìn)程，進(jìn)程A有5個(gè)線程，而進(jìn)程B有10個(gè)線程。在排除其他因素的情況下，進(jìn)程B占有運(yùn)算單元的時(shí)間便是進(jìn)程A的兩倍。當(dāng)然，實(shí)際情況自然不會(huì)那么簡(jiǎn)單。例如不同進(jìn)程會(huì)有不同的優(yōu)先級(jí)，線程相對(duì)于自己所屬的進(jìn)程還會(huì)有個(gè)優(yōu)先級(jí)；如果一個(gè)線程在許久沒有執(zhí)行的時(shí)候，或者這個(gè)線程剛從“鎖”的等待中恢復(fù)，操作系統(tǒng)還會(huì)對(duì)這個(gè)線程的優(yōu)先級(jí)作臨時(shí)的提升——這一切都是牽涉到程序的運(yùn)行狀態(tài)，性能等情況的因素，有機(jī)會(huì)我們?cè)谧稣归_。

現(xiàn)在您意識(shí)到線程數(shù)量意味著什么了沒？沒錯(cuò)，就是我們剛才提到的“運(yùn)算能力”。很多時(shí)候我們可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為，在同樣的環(huán)境下，一個(gè)任務(wù)使用的線程數(shù)量越多，它所獲得的運(yùn)算能力就比另一個(gè)線程數(shù)量較少的任務(wù)要來(lái)得多。運(yùn)算能力自然就涉及到任務(wù)執(zhí)行的快慢。您可以設(shè)想一下，有一個(gè)生產(chǎn)任務(wù)，和一個(gè)消費(fèi)任務(wù)，它們使用一個(gè)隊(duì)列做臨時(shí)存儲(chǔ)。在理想情況下，生產(chǎn)和消費(fèi)的速度應(yīng)該保持相同，這樣可以帶來(lái)最好的吞吐量。如果生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行較快，則隊(duì)列中便會(huì)產(chǎn)生堆積，反之消費(fèi)任務(wù)就會(huì)不斷等待，吞吐量也會(huì)下降。因此，在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，我們往往會(huì)為生產(chǎn)任務(wù)和消費(fèi)任務(wù)分別指派獨(dú)立的線程池，并且通過增加或減少線程池內(nèi)線程數(shù)量來(lái)?xiàng)l件運(yùn)算能力，使生產(chǎn)和消費(fèi)的步調(diào)達(dá)到平衡。

使用獨(dú)立的線程池來(lái)控制運(yùn)算能力的做法很常見，一個(gè)典型的案例便是SEDA架構(gòu)：整個(gè)架構(gòu)由多個(gè)Stage連接而成，每個(gè)Stage均由一個(gè)隊(duì)列和一個(gè)獨(dú)立的線程池組成，調(diào)節(jié)器會(huì)根據(jù)隊(duì)列中任務(wù)的數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)線程池內(nèi)的線程數(shù)量，最終使應(yīng)用程序獲得優(yōu)異的并發(fā)能力。

在Windows操作系統(tǒng)中，Server 2003及之前版本的API也只提供了進(jìn)程內(nèi)部單一的線程池，不過在Vista及Server 2008的API中，除了改進(jìn)線程池的性能之外，還提供了在同一進(jìn)程內(nèi)創(chuàng)建多個(gè)線程池的接口。很可惜，.NET直到如今的4.0版本，依舊沒有提供構(gòu)建獨(dú)立線程池的功能。構(gòu)造一個(gè)優(yōu)秀的線程池是一件相當(dāng)困難的事情，幸運(yùn)的是，如果我們需要這方面的功能，可以借助著名的SmartThreadPool，經(jīng)過那么多年的考驗(yàn)，相信它已經(jīng)足夠成熟了。如果需要，我們還可以對(duì)它做一定修改——畢竟在不同情況下，我們對(duì)線程池的要求也不完全相同。

IO線程池

IO線程池便是為異步IO服務(wù)的線程池。

訪問IO最簡(jiǎn)單的方式（如讀取一個(gè)文件）便是阻塞的，代碼會(huì)等待IO操作成功（或失敗）之后才繼續(xù)執(zhí)行下去，一切都是順序的。但是，阻塞式IO有很多缺點(diǎn)，例如讓UI停止響應(yīng)，造成上下文切換，CPU中的緩存也可能被清除甚至內(nèi)存被交換到磁盤中去，這些都是明顯影響性能的做法。此外，每個(gè)IO都占用一個(gè)線程，容易導(dǎo)致系統(tǒng)中線程數(shù)量很多，最終限制了應(yīng)用程序的伸縮性。因此，我們會(huì)使用“異步IO”這種做法。

在使用異步IO時(shí)，訪問IO的線程不會(huì)被阻塞，邏輯將會(huì)繼續(xù)下去。操作系統(tǒng)會(huì)負(fù)責(zé)把結(jié)果通過某種方法通知我們，一般說來(lái)，這種方式是“回調(diào)函數(shù)”。異步IO在執(zhí)行過程中是不占用應(yīng)用程序的線程的，因此我們可以用少量的線程發(fā)起大量的IO，所以應(yīng)用程序的響應(yīng)能力也可以有所提高。此外，同時(shí)發(fā)起大量IO操作在某些時(shí)候會(huì)有額外的性能優(yōu)勢(shì)，例如磁盤和網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)工作而不互相沖突，磁盤還可以根據(jù)磁頭的位置來(lái)訪問就近的數(shù)據(jù)，而不是根據(jù)請(qǐng)求的順序進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，這樣可以有效減少磁頭的移動(dòng)距離。

Windows操作系統(tǒng)中有多種異步IO方式，但是性能最高，伸縮性最好的方式莫過于傳說中的“IO完成端口（I/O Completion Port，IOCP）”了，這也是.NET中封裝的唯一異步IO方式。大約一年半前，老趙寫過一篇文章《正確使用異步操作》，其中除了描述計(jì)算密集型和IO密集型操作的區(qū)別和效果之外，還簡(jiǎn)單地講述了IOCP與CLR交互的方式，摘錄如下：

當(dāng)我們希望進(jìn)行一個(gè)異步的IO-Bound Operation時(shí)，CLR會(huì)（通過Windows API）發(fā)出一個(gè)IRP（I/O Request Packet）。當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備妥當(dāng)，就會(huì)找出一個(gè)它“最想處理”的IRP（例如一個(gè)讀取離當(dāng)前磁頭最近的數(shù)據(jù)的請(qǐng)求）并進(jìn)行處理，處理完畢后設(shè)備將會(huì)（通過Windows）交還一個(gè)表示工作完成的IRP。CLR會(huì)為每個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)IOCP（I/O Completion Port）并和Windows操作系統(tǒng)一起維護(hù)。IOCP中一旦被放入表示完成的IRP之后（通過內(nèi)部的ThreadPool.BindHandle完成），CLR就會(huì)盡快分配一個(gè)可用的線程用于繼續(xù)接下去的任務(wù)。
不過事實(shí)上，使用Windows API編寫IOCP非常復(fù)雜。而在.NET中，由于需要迎合標(biāo)準(zhǔn)的APM（異步編程模型），在使用方便的同時(shí)也放棄一定的控制能力。因此，在一些真正需要高吞吐量的時(shí)候（如編寫服務(wù)器），不少開發(fā)人員還是會(huì)選擇直接使用Native Code編寫相關(guān)代碼。不過在絕大部分的情況下，.NET中利用IOCP的異步IO操作已經(jīng)足以獲得非常優(yōu)秀的性能了。使用APM方式在.NET中使用異步IO非常簡(jiǎn)單，如下：

static void Main(string[] args)  
{  
    WebRequest request = HttpWebRequest.Create("http://www.cnblogs.com");  
    request.BeginGetResponse(HandleAsyncCallback, request);  
}  
 
static void HandleAsyncCallback(IAsyncResult ar)  
{  
    WebRequest request = (WebRequest)ar.AsyncState;  
    WebResponse response = request.EndGetResponse(ar);  
    // more operations...  
}

BeginGetResponse 將發(fā)起一個(gè)利用IOCP的異步IO操作，并在結(jié)束時(shí)調(diào)用HandleAsyncCallback回調(diào)函數(shù)。那么，這個(gè)回調(diào)函數(shù)是由哪里的線程執(zhí)行的呢？沒錯(cuò)，就是傳說中“IO線程池”的線程。.NET在一個(gè)進(jìn)程中準(zhǔn)備了兩個(gè)線程池，除了上篇文章中所提到的CLR線程池之外，它還為異步IO操作的回調(diào)準(zhǔn)備了一個(gè)IO線程池。IO線程池的特性與CLR線程池類似，也會(huì)動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建和銷毀線程，并且也擁有最大值和最小值（可以參考上一篇文章列舉出的API）。

只可惜，IO線程池也僅僅是那“一整個(gè)”線程池，CLR線程池的缺點(diǎn)IO線程池也一應(yīng)俱全。例如，在使用異步IO方式讀取了一段文本之后，下一步操作往往是對(duì)其進(jìn)行分析，這就進(jìn)入了計(jì)算密集型操作了。但對(duì)于計(jì)算密集型操作來(lái)說，如果使用整個(gè)IO線程池來(lái)執(zhí)行，我們無(wú)法有效的控制某項(xiàng)任務(wù)的運(yùn)算能力。因此在有些時(shí)候，我們?cè)诨卣{(diào)函數(shù)內(nèi)部會(huì)把計(jì)算任務(wù)再次交還給獨(dú)立的線程池。這么做從理論上看會(huì)增大線程調(diào)度的開銷，不過實(shí)際情況還得看具體的評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)。如果它真的成為影響性能的關(guān)鍵因素之一，我們就可能需要使用Native Code來(lái)調(diào)用IOCP相關(guān)API，將回調(diào)任務(wù)直接交給獨(dú)立的線程池去執(zhí)行了。

我們也可以使用代碼來(lái)操作IO線程池，例如下面這個(gè)接口便是向IO線程池遞交一個(gè)任務(wù)：

public static class ThreadPool  
{  
    public static bool UnsafeQueueNativeOverlapped(NativeOverlapped* overlapped);  
} 

NativeOverlapped包含了一個(gè)IOCompletionCallback回調(diào)函數(shù)及一個(gè)緩沖對(duì)象，可以通過Overlapped對(duì)象創(chuàng)建

Overlapped會(huì)包含一個(gè)被固定的空間，這里“固定”的含義表示不會(huì)因?yàn)镚C而導(dǎo)致地址改變，甚至不會(huì)被置換到硬盤上的Swap空間去。這么做的目的是迎合IOCP的要求，但是很明顯它也會(huì)降低程序性能。因此，我們?cè)趯?shí)際編程中幾乎不會(huì)使用這個(gè)方法3。

注1：如果沒有加以說明，我們這里談?wù)摰膶?duì)象默認(rèn)為XP及以上版本的Window操作系統(tǒng)。

注2：timeslice又被稱為quantum，不同操作系統(tǒng)中定義的這個(gè)值并不相同。在Windows客戶端操作系統(tǒng)（XP，Vista）中時(shí)間片默認(rèn)為2個(gè)clock interval，在服務(wù)器操作系統(tǒng)（2003，2008）中默認(rèn)為12個(gè)clock interval（在主流系統(tǒng)上，1個(gè)clock interval大約10到15毫秒）。服務(wù)器操作系統(tǒng)使用較長(zhǎng)的時(shí)間片，是因?yàn)橐话惴?wù)器上運(yùn)行的程序比客戶端要少很多，且更注重性能和吞吐量，而客戶端系統(tǒng)更注重響應(yīng)能力——而且，如果您真需要的話，時(shí)間片的長(zhǎng)度也是可以調(diào)整的。

注3：不過，如果程序中多次復(fù)用單個(gè)NativeOverlapped對(duì)象的話，這個(gè)方法的性能會(huì)略微好于QueueUserWorkItem，據(jù)說WCF中便使用了這種方式——微軟內(nèi)部總有那么些技巧是我們不知如何使用的，例如老趙記得之前查看ASP.NET AJAX源代碼的時(shí)候，在MSDN中不小心發(fā)現(xiàn)一個(gè)接口描述大意是“預(yù)留方法，請(qǐng)不要在外部使用”。對(duì)此，我們又能有什么辦法呢？

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