聊一聊 C#前台线程 怎样阻塞程序退出

一：背景

1. 讲故事

这篇文章起源于我的 C#内功修炼训练营里的一位朋侪提的问题：后台线程的内部是怎样运转的 ? ，犹记得C# Via CLR这本书中 Jeffery 就聊到了他曾经给别人解决一个程序无法退出的bug，最后发现是有一个 Backgrond=false 的线程导致的。恰巧在我分析的350+dump中，也还真遇到了。有了这些铺垫，我觉得有必要简单的聊一聊。
二：后台线程的底层逻辑

1. 测试代码

为了方便讲解，先上一段代码，参考如下：

1.     static void Main(string[] args)
2.     {
3.         var thread = new Thread(() =>
4.         {
5.             while (true)
6.             {
7.                 Console.WriteLine(DateTime.Now);
8.             }
9.         });
11.         thread.IsBackground = false;
12.         thread.Start();
13.     }

复制代码

按照我们朴素的想法，主线程退出，程序自然就terminal，但这个程序并没有退出？原因就在于设置了 thread.IsBackground = false; 导致的，固然要想程序正常退出改为 ``thread.IsBackground = true;` 即可，接下来我们洞察下 IsBackground 有何魔力导致程序无法退出。
2. 程序为什么无法退出

要想知道这个答案，可以用 windbg 附加一下看看主线程此时正在做什么? 参考如下：

1. 0:000> k
2. # Child-SP          RetAddr               Call Site
3. 00 0000003f`7d59e498 00007ffd`cd8d0590     ntdll!NtWaitForMultipleObjects+0x14
4. 01 0000003f`7d59e4a0 00007ffd`8f842dd4     KERNELBASE!WaitForMultipleObjectsEx+0xf0
5. 02 (Inline Function) --------`--------     coreclr!Thread::DoAppropriateAptStateWait+0x4a [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\threads.cpp @ 3333]
6. 03 0000003f`7d59e790 00007ffd`8f842c25     coreclr!Thread::DoAppropriateWaitWorker+0x170 [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\threads.cpp @ 3467]
7. 04 0000003f`7d59e850 00007ffd`8f99498e     coreclr!Thread::DoAppropriateWait+0x85 [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\threads.cpp @ 3182]
8. 05 (Inline Function) --------`--------     coreclr!CLREventBase::WaitEx+0x26 [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\synch.cpp @ 459]
9. 06 (Inline Function) --------`--------     coreclr!CLREventBase::Wait+0x26 [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\synch.cpp @ 412]
10. 07 0000003f`7d59e8d0 00007ffd`8f94c185     coreclr!CLREventWaitWithTry+0x9a [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\threads.cpp @ 5676]
11. 08 0000003f`7d59e980 00007ffd`8f8a062b     coreclr!ThreadStore::WaitForOtherThreads+0xabafd [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\threads.cpp @ 5715]
12. 09 0000003f`7d59e9b0 00007ffd`8f83eaad     coreclr!RunMainPost+0x5f [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\assembly.cpp @ 1407]
13. 0a 0000003f`7d59e9f0 00007ffd`8f83e0e7     coreclr!Assembly::ExecuteMainMethod+0x1f5 [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\assembly.cpp @ 1524]
14. 0b 0000003f`7d59ecc0 00007ffd`8f889778     coreclr!CorHost2::ExecuteAssembly+0x267 [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\corhost.cpp @ 349]
15. ...

复制代码

从卦中数据可以看到，主线程正在调用 ThreadStore::WaitForOtherThreads 方法，貌似是在等待其他线程完成，那具体做了什么呢？这个需要在 coreclr 上寻找答案，删减后的代码如下：

1.     void ThreadStore::WaitForOtherThreads()
2.     {
3.         if (!OtherThreadsComplete())
4.         {
5.             TSLockHolder.Release();
7.             pCurThread->SetThreadState(Thread::TS_ReportDead);
9.             DWORD ret = WAIT_OBJECT_0;
10.             while (CLREventWaitWithTry(&m_TerminationEvent, INFINITE, TRUE, &ret))
11.             {
12.             }
13.         }
14.     }
16.     BOOL OtherThreadsComplete()
17.     {
18.         return (m_ThreadCount - m_UnstartedThreadCount - m_DeadThreadCount
19.                 - Thread::m_ActiveDetachCount + m_PendingThreadCount
20.                 == m_BackgroundThreadCount);
21.     }

复制代码

从卦中看逻辑还黑白常简单的，就是由于 m_ThreadCount - m_UnstartedThreadCount - m_DeadThreadCount- Thread::m_ActiveDetachCount + m_PendingThreadCount 减完之后和 m_BackgroundThreadCount 对不上，最后在 m_TerminationEvent 事件上等待叫醒。
这里稍微提一下，这几个值可以通过 !t 显示出来，参考如下：

还有一个 Thread::m_ActiveDetachCount 计数值，这个值统计的是那种被coreclr从 ThreadStore 中移除尚未被 delete 的线程对象。结合 !t 的输出，很显然 OtherThreadsComplete() 为 3=2 显然返回 false。由于有 1 个 background 的存在。
3. IsBackground=true 能破局吗

症结我们也找到了，只要m_TerminationEvent事件能够被叫醒，链路就会被再次打通，让程序安全退出。接下来我们研究下 IsBackground=true 在底层会做什么？简化后的C++代码如下：

1.     void Thread::SetBackground(BOOL isBack)
2.     {
3.         if (isBack)
4.         {
5.             if (!IsBackground())
6.             {
7.                 SetThreadState(TS_Background);
9.                 if (!IsUnstarted())
10.                     ThreadStore::s_pThreadStore->m_BackgroundThreadCount++;
12.                 ThreadStore::CheckForEEShutdown();
13.             }
14.         }
15.     }
17.     void ThreadStore::CheckForEEShutdown()
18.     {
19.         if (g_fWeControlLifetime &&
20.             s_pThreadStore->OtherThreadsComplete())
21.         {
22.             BOOL bRet;
23.             bRet = s_pThreadStore->m_TerminationEvent.Set();
24.             _ASSERTE(bRet);
25.         }
26.     }

复制代码

哈哈，卦中的化煞方法真的妙不可言，做了如下两个步骤：

• 做了 m_BackgroundThreadCount++，这样 OtherThreadsComplete() 的值就对上了。
  
• 使用 m_TerminationEvent.Set 做了事件叫醒，这样主线程就可以从 WaitForOtherThreads() 方法中逃出生天。
  

假如有些朋侪没搞明白，我再画一张简图吧：

4. 判定线程的前后状态

这是最后一个要聊的话题，要想知道线程的前后状态，这个需要在 coreclr 源码中寻找答案，参考代码如下：

1.     void SetThreadState(ThreadState ts)
2.     {
3.         InterlockedOr((LONG*)&m_State, ts);
4.     }
6.     enum ThreadState
7.     {
8.         TS_Background = 0x00000200,    // Thread is a background thread
9.     }

复制代码

从代码中可以看到，只要判定 ThreadState 中有没有 0x200 的标记即可，接下来用 !t 观察线程状态。

1. 0:000> !t
2. ThreadCount:      4
3. UnstartedThread:  0
4. BackgroundThread: 3
5. PendingThread:    0
6. DeadThread:       0
7. Hosted Runtime:   no
8.                                                                                                             Lock  
9. DBG   ID     OSID ThreadOBJ           State GC Mode     GC Alloc Context                  Domain           Count Apt Exception
10.    0    1      918 000001FA530317B0  203a220 Preemptive  000001FA574096F8:000001FA5740A5C8 000001fa530273e0 -00001 MTA
11.    6    2     37c8 000001FA53009B70    21220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000001fa530273e0 -00001 Ukn (Finalizer)
12.    7    3     2c7c 000001FA5307F700    2b220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000001fa530273e0 -00001 MTA
13.    8    4     3bd4 0000023AE951DFD0    2b020 Preemptive  000001FA57563A08:000001FA57565010 000001fa530273e0 -00001 MTA

复制代码

从卦中可以轻松的看到 DBG=8 的线程状态是 2b020，自然就是前台线程咯。
三：总结

如今我们知道了前后台线程本质上是 coreclr 弄出来的概念，并非系统线程素有之物。还是那句话，知识不重要，重要的是会使用合适的工具和保有的探索心，这也是在训练营里重度强调的。

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