.NET ThreadPool 实现（上）
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（本文阅读时间：10分钟)
自 .NET 6 起，runtime 中默认的线程池实现从 C++ 代码改为了 C#，更方便我们学习线程池的设计了。
https://github.com/dotnet/runtime/tree/release/6.0/src/libraries/System.Threading.ThreadPool
新的线程池实现位于 PortableThreadPool 中，原 ThreadPool 中的对外公开的接口会直接调用 PortableThreadPool 中的实现。
通过设置环境变量 ThreadPool_UsePortableThreadPool 为 0 可以设置成使用老的线程池实现。
https://github.com/dotnet/runtime/pull/43841/commits/b0d47b84a6845a70f011d1b0d3ce5adde9a4d7b7
本文以 .NET 6 runtime 源码作为学习材料，对线程池的设计进行介绍。从目前的理解上来看，其整体的设计与原来 C++ 的实现并没有特别大的出入。
注意：
本文不涉及细节的代码实现，主要为大家介绍其整体设计。所展示的代码并非原封不动的源码，而是为了方便理解的简化版。
ThreadPool.SetMaxThreads(int workerThreads, int completionPortThreads) 中的 completionPortThreads 所相关的 IOCP 线程池是 .NET Framework 时代的遗留产物，用于管理 Windows 平台专有的 IOCP 的回调线程池。目前没看到有什么地方在用它了，completionPortThreads 这个参数也已经没有意义，底层 IO 库是自己维护的 IO 等待线程池。本文只涉及 worker thread 池的介绍。
本文理解并不完整也不一定完全正确，有异议的地方欢迎留言讨论。
为了解释问题，一部分代码会运行在 .NET 6 之前的环境中。
本文将先介绍线程池中的执行的任务有哪些类型以及这些任务是如何被线程池调度执行的。
线程池的待执行任务被存放在一个队列系统中。这个系统包括一个全局队列，以及绑定在每一个 Worker Thread 上的本地队列。而线程池中的每一个线程都在执行 while(true) 的循环，从这个队列系统中领取并执行任务。
在 ThreadPool.QueueUserWorkItem 的重载方法 ThreadPool.QueueUserWorkItem<TState>(Action<TState> callBack, TState state, bool preferLocal) 里有一个 preferLocal 参数。
调用不带 preferLocal 参数的 ThreadPool.QueueUserWorkItem 方法重载，任务会被放到全局队列。
当 preferLocal 为 true 的时候，如果调用 ThreadPool.QueueUserWorkItem 代码的线程正好是个线程池里的某个线程，则该任务就会进入该线程的本地队列中。除此之外的情况则会被放到全局队列中等待未来被某个 Worker Thread 捡走。
在线程池外的线程中调用，不管 preferLocal 传的是什么，任务都会被放到全局队列。
基本调度单元
▍IThreadPoolWorkItem 实现类的实例
/// <summary>Represents a work item that can be executed by the ThreadPool.</summary>public interface IThreadPoolWorkItem{ void Execute();}执行 Execute 方法也就代表着任务的执行。
▍Task
class Task{ internal void InnerInvoke();}执行 InnerInvoke 会执行 Task 所包含的委托。
全局队列
全局队列是由 ThreadPoolWorkQueue 维护的，同时它也是整个队列系统的入口，直接被 ThreadPool 所引用。
public static class ThreadPool{ internal static readonly ThreadPoolWorkQueue s_workQueue = new ThreadPoolWorkQueue();
public static bool QueueUserWorkItem(WaitCallback callBack, object state) { object tpcallBack = new QueueUserWorkItemCallback(callBack!, state);
s_workQueue.Enqueue(tpcallBack, forceGlobal: true);
return true; }}
internal sealed class ThreadPoolWorkQueue{ // 全局队列 internal readonly ConcurrentQueue<object> workItems = new ConcurrentQueue<object>();
// forceGlobal 为 true 时，push 到全局队列，否则就放到本地队列 public void Enqueue(object callback, bool forceGlobal);}本地队列
线程池中的每一个线程都会绑定一个 ThreadPoolWorkQueueThreadLocals 实例，在 workStealingQueue 这个字段上保存着本地队列。
internal sealed class ThreadPoolWorkQueueThreadLocals{ // 绑定在线程池线程上 [ThreadStatic] public static ThreadPoolWorkQueueThreadLocals threadLocals;
// 持有全局队列的引用，以便能在需要的时候将任务转移到全局队列上 public readonly ThreadPoolWorkQueue workQueue; // 本地队列的直接维护者 public readonly ThreadPoolWorkQueue.WorkStealingQueue workStealingQueue; public readonly Thread currentThread;
public ThreadPoolWorkQueueThreadLocals(ThreadPoolWorkQueue tpq) { workQueue = tpq; workStealingQueue = new ThreadPoolWorkQueue.WorkStealingQueue(); // WorkStealingQueueList 会集中管理 workStealingQueue ThreadPoolWorkQueue.WorkStealingQueueList.Add(workStealingQueue); currentThread = Thread.CurrentThread; }
// 提供将本地队列中的任务转移到全局队列中去的功能， // 当 ThreadPool 通过后文将会介绍的 HillClimbing 算法判断得出当前线程是多余的线程后， // 会调用此方法对任务进行转移 public void TransferLocalWork() { while (workStealingQueue.LocalPop() is object cb) { workQueue.Enqueue(cb, forceGlobal: true); } }
~ThreadPoolWorkQueueThreadLocals() { if (null != workStealingQueue) { // TransferLocalWork 真正的目的并非是为了在这里被调用，这边只是确保任务不会丢的 fallback 逻辑 TransferLocalWork(); ThreadPoolWorkQueue.WorkStealingQueueList.Remove(workStealingQueue); } }}偷窃机制
这里思考一个问题，为什么本地队列的名字会被叫做 WorkStealingQueue 呢？
所有 Worker Thread 的 WorkStealingQueue 都被集中在 WorkStealingQueueList 中。对线程池中其他所有线程可见。
Worker Thread 的 while(true) 中优先会从自身的 WorkStealingQueue 中取任务。如果本地队列已经被清空，就会从全局队列中取任务。例如下图的 Thread1 取全局队列中领取了一个任务。
同时 Thread3 也没活干了，但是全局队列中的任务被 Thread1 抢走了。这时候就会去从 Thread2 的本地队列中抢 Thread2 的活。
*未经授权请勿私自转载此文章及图片
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