聊一聊 C#后台线程 如何阻塞程序退出

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友提的问题：后台线程的内部是如何运转的 ? ，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：

    static void Main(string[] args)
    {
        var thread = new Thread(() =>
        {
            while (true)
            {
                Console.WriteLine(DateTime.Now);
            }
        });

        thread.IsBackground = false;
        thread.Start();
    }

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，当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：

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

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：

    void ThreadStore::WaitForOtherThreads()
    {
        if (!OtherThreadsComplete())
        {
            TSLockHolder.Release();

            pCurThread->SetThreadState(Thread::TS_ReportDead);

            DWORD ret = WAIT_OBJECT_0;
            while (CLREventWaitWithTry(&m_TerminationEvent, INFINITE, TRUE, &ret))
            {
            }
        }
    }

    BOOL OtherThreadsComplete()
    {
        return (m_ThreadCount - m_UnstartedThreadCount - m_DeadThreadCount
                - Thread::m_ActiveDetachCount + m_PendingThreadCount
                == m_BackgroundThreadCount);
    }

从卦中看逻辑还是非常简单的，就是因为 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 事件上等待唤醒。

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。因为有 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事件能够被唤醒，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：

    void Thread::SetBackground(BOOL isBack)
    {
        if (isBack)
        {
            if (!IsBackground())
            {
                SetThreadState(TS_Background);

                if (!IsUnstarted())
                    ThreadStore::s_pThreadStore->m_BackgroundThreadCount++;

                ThreadStore::CheckForEEShutdown();
            }
        }
    }

    void ThreadStore::CheckForEEShutdown()
    {
        if (g_fWeControlLifetime &&
            s_pThreadStore->OtherThreadsComplete())
        {
            BOOL bRet;
            bRet = s_pThreadStore->m_TerminationEvent.Set();
            _ASSERTE(bRet);
        }
    }

哈哈，卦中的化煞方法真的妙不可言，做了如下两个步骤：

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

如果有些朋友没搞明白，我再画一张简图吧：

4. 判断线程的前后状态

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：

    void SetThreadState(ThreadState ts)
    {
        InterlockedOr((LONG*)&m_State, ts);
    }

    enum ThreadState
    {
        TS_Background = 0x00000200,    // Thread is a background thread
    }

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

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

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

现在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。