淺談CLR線程池的缺點及解決方法
獨立線程池
上次我們在CLR線程池的作用與原理淺析一文中討論到，在一個.NET應(yīng)用程序中會有一個CLR線程池，可以使用ThreadPool類中的靜態(tài)方法來使用這個線程池。我們只要使用QueueUserWorkItem方法向線程池中添加任務(wù)，線程池就會負(fù)責(zé)在合適的時候執(zhí)行它們。我們還討論了CLR線程池的一些高級特性，例如對線程的最大和最小數(shù)量作限制，對線程創(chuàng)建時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呢？有些朋友說，一個重要的缺點就是功能太簡單，例如只有一個隊列，沒法做到對多個隊列作輪詢，無法取消任務(wù)，無法設(shè)定任務(wù)優(yōu)先級，無法限制任務(wù)執(zhí)行速度等等。不過其實這些簡單的功能，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）來實現(xiàn)。例如，您可以讓放入CLR線程池中的任務(wù)，在執(zhí)行時從幾個自定義任務(wù)隊列中挑選一個運行，這樣便達(dá)到了對多個隊列作輪詢的效果。因此，在我看來，CLR線程池的主要缺點并不在此。
我認(rèn)為，CLR線程池的主要問題在于“大一統(tǒng)”，也就是說，整個進(jìn)程內(nèi)部幾乎所有的任務(wù)都會依賴這個線程池。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線程池。這個做法是合適的，但是由于開發(fā)人員對于統(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法滿足了。舉個最常見例子：控制運算能力。什么是運算能力？那么還是從線程講起吧。
我們在一個程序中創(chuàng)建一個線程，安排給它一個任務(wù)，便交由操作系統(tǒng)來調(diào)度執(zhí)行。操作系統(tǒng)會管理系統(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，從理論上來說有多少個處理單元（如2 * 2 CPU的機(jī)器便有4個處理單元），就表示操作系統(tǒng)可以同時做幾件事情。但是線程的數(shù)量會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過處理單元的數(shù)量，因此操作系統(tǒng)為了保證每個線程都被執(zhí)行，就必須等一個線程在某個處理器上執(zhí)行到某個情況的時候，“換”一個新的線程來執(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，可能是某個線程的邏輯決定的，如遇上鎖，或主動進(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)這個線程“超時”了。在操作系統(tǒng)中會定義一個“時間片（timeslice）”2，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個線程執(zhí)行時間超過這個時間，便會把它撤下，換上另外一個。這樣看起來，多個線程——也就是多個任務(wù)在同時運行了。值得一提的是，對于Windows操作系統(tǒng)來說，它的調(diào)度單元是線程，這和線程究竟屬于哪個進(jìn)程并沒有關(guān)系。
舉個例子，如果系統(tǒng)中只有兩個進(jìn)程，進(jìn)程A有5個線程，而進(jìn)程B有10個線程。在排除其他因素的情況下，進(jìn)程B占有運算單元的時間便是進(jìn)程A的兩倍。當(dāng)然，實際情況自然不會那么簡單。例如不同進(jìn)程會有不同的優(yōu)先級，線程相對于自己所屬的進(jìn)程還會有個優(yōu)先級；如果一個線程在許久沒有執(zhí)行的時候，或者這個線程剛從“鎖”的等待中恢復(fù)，操作系統(tǒng)還會對這個線程的優(yōu)先級作臨時的提升——這一切都是牽涉到程序的運行狀態(tài)，性能等情況的因素，有機(jī)會我們在做展開。
現(xiàn)在您意識到線程數(shù)量意味著什么了沒？沒錯，就是我們剛才提到的“運算能力”。很多時候我們可以簡單的認(rèn)為，在同樣的環(huán)境下，一個任務(wù)使用的線程數(shù)量越多，它所獲得的運算能力就比另一個線程數(shù)量較少的任務(wù)要來得多。運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，有一個生產(chǎn)任務(wù)，和一個消費任務(wù)，它們使用一個隊列做臨時存儲。在理想情況下，生產(chǎn)和消費的速度應(yīng)該保持相同，這樣可以帶來最好的吞吐量。如果生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行較快，則隊列中便會產(chǎn)生堆積，反之消費任務(wù)就會不斷等待，吞吐量也會下降。因此，在實現(xiàn)的時候，我們往往會為生產(chǎn)任務(wù)和消費任務(wù)分別指派獨立的線程池，并且通過增加或減少線程池內(nèi)線程數(shù)量來條件運算能力，使生產(chǎn)和消費的步調(diào)達(dá)到平衡。
使用獨立的線程池來控制運算能力的做法很常見，一個典型的案例便是SEDA架構(gòu)：整個架構(gòu)由多個Stage連接而成，每個Stage均由一個隊列和一個獨立的線程池組成，調(diào)節(jié)器會根據(jù)隊列中任務(wù)的數(shù)量來調(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)建獨立線程池的功能。構(gòu)造一個優(yōu)秀的線程池是一件相當(dāng)困難的事情，幸運的是，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，相信它已經(jīng)足夠成熟了。如果需要，我們還可以對它做一定修改——畢竟在不同情況下，我們對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最簡單的方式（如讀取一個文件）便是阻塞的，代碼會等待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，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IO都占用一個線程，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，我們會使用“異步IO”這種做法。
在使用異步IO時，訪問IO的線程不會被阻塞，邏輯將會繼續(xù)下去。操作系統(tǒng)會負(fù)責(zé)把結(jié)果通過某種方法通知我們，一般說來，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，同時發(fā)起大量IO操作在某些時候會有額外的性能優(yōu)勢，例如磁盤和網(wǎng)絡(luò)可以同時工作而不互相沖突，磁盤還可以根據(jù)磁頭的位置來訪問就近的數(shù)據(jù)，而不是根據(jù)請求的順序進(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》，其中除了描述計算密集型和IO密集型操作的區(qū)別和效果之外，還簡單地講述了IOCP與CLR交互的方式，摘錄如下：
當(dāng)我們希望進(jìn)行一個異步的IO-Bound Operation時，CLR會（通過Windows API）發(fā)出一個IRP（I/O Request Packet）。當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備妥當(dāng)，就會找出一個它“最想處理”的IRP（例如一個讀取離當(dāng)前磁頭最近的數(shù)據(jù)的請求）并進(jìn)行處理，處理完畢后設(shè)備將會（通過Windows）交還一個表示工作完成的IRP。CLR會為每個進(jìn)程創(chuàng)建一個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就會盡快分配一個可用的線程用于繼續(xù)接下去的任務(wù)。
不過事實上，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候（如編寫服務(wù)器），不少開發(fā)人員還是會選擇直接使用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)起一個利用IOCP的異步IO操作，并在結(jié)束時調(diào)用HandleAsyncCallback回調(diào)函數(shù)。那么，這個回調(diào)函數(shù)是由哪里的線程執(zhí)行的呢？沒錯，就是傳說中“IO線程池”的線程。.NET在一個進(jìn)程中準(zhǔn)備了兩個線程池，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IO線程池。IO線程池的特性與CLR線程池類似，也會動態(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”線程池，CLR線程池的缺點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其進(jìn)行分析，這就進(jìn)入了計算密集型操作了。但對于計算密集型操作來說，如果使用整個IO線程池來執(zhí)行，我們無法有效的控制某項任務(wù)的運算能力。因此在有些時候，我們在回調(diào)函數(shù)內(nèi)部會把計算任務(wù)再次交還給獨立的線程池。這么做從理論上看會增大線程調(diào)度的開銷，不過實際情況還得看具體的評測數(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來調(diào)用IOCP相關(guān)API，將回調(diào)任務(wù)直接交給獨立的線程池去執(zhí)行了。
我們也可以使用代碼來操作IO線程池，例如下面這個接口便是向IO線程池遞交一個任務(wù)：
- public static class ThreadPool
- {
- public static bool UnsafeQueueNativeOverlapped(NativeOverlapped* overlapped);
- }
NativeOverlapped包含了一個IOCompletionCallback回調(diào)函數(shù)及一個緩沖對象，可以通過Overlapped對象創(chuàng)建
Overlapped會包含一個被固定的空間，這里“固定”的含義表示不會因為GC而導(dǎo)致地址改變，甚至不會被置換到硬盤上的Swap空間去。這么做的目的是迎合IOCP的要求，但是很明顯它也會降低程序性能。因此，我們在實際編程中幾乎不會使用這個方法3。
注1：如果沒有加以說明，我們這里談?wù)摰膶ο竽J(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)中定義的這個值并不相同。在Windows客戶端操作系統(tǒng)（XP，Vista）中時間片默認(rèn)為2個clock interval，在服務(wù)器操作系統(tǒng)（2003，2008）中默認(rèn)為12個clock interval（在主流系統(tǒng)上，1個clock interval大約10到15毫秒）。服務(wù)器操作系統(tǒng)使用較長的時間片，是因為一般服務(wù)器上運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，時間片的長度也是可以調(diào)整的。
注3：不過，如果程序中多次復(fù)用單個NativeOverlapped對象的話，這個方法的性能會略微好于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源代碼的時候，在MSDN中不小心發(fā)現(xiàn)一個接口描述大意是“預(yù)留方法，請不要在外部使用”。對此，我們又能有什么辦法呢？
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