线程调度和优先级

作者：追风剑情发布于：2017-7-4 21:58 分类：C#

抢占式(preemptive)操作系统必须使用算法判断在什么时候调度哪些线程多长时间。本节讨论Windows采用的算法。每个线程的内核对象都包含一个上下文结构。上下文(context)结构反映了线程上一次执行完毕后CPU寄存器的状态。在一个时间片(time-slice)之后，Windows检查现存的所有线程内核对象。在这些对象中，只有那些没有正在等待什么的线程才适合调度。Windows选择一个可调度的线程内核对象，并上下文切换到它。Windows实际记录了每个线程被上下文切换到的次数。可以使用像Microsoft Spy++这样的工具查看这个数据。

下图展示了记事本的一个线程属性。注意，这个线程已被调度了3366次。

spy++已被集成到VS2013中了。打开方式: [工具]->[Spy++]

被调度的线程开始执行代码，并在其进程的地址空间处理数据。过了一个时间片之后，Windows执行下一次上下文切换。Windows从系统启动开始便一直执行上下文切换，直到系统关闭为止。

Windows之所以被称为抢占式多线程(preemptive multithreaded)操作系统，是因为线程可在任何时间停止(被抢占)并调度另一个线程。你在这方面是有一定控制权的，虽然并不多。记住一点，你不能保证自己的线程一直运行，你阻止不了其他线程的运行。

注意 Windows无法保证线程按时执行，只有实时操作系统能做出这样的保证，但Windows不是实时操作系统。实时操作系统需要对硬件的运行情况有一个精准的把握，它知道硬盘控制器、键盘以及其他组件的准确延迟时间。但Microsoft Windows的设计目标是兼容大范围的硬件，包括不同的CPU、不同的驱动器、不同的网络等。简单地说，Windows没有被设计成实时操作系统。补充一句，CLR使托管代码的行为变得更不“实时”了。之所以要这样设计，是出于许多方面的原因，包括DLL的JIT(just-in-time)加载、代码的JIT编译以及垃圾回收器无法预测的介入时间等。

每个线程都分配了从0(最低)到31(最高)的优先级。系统决定为CPU分配哪个线程时，首先检查优先级31的线程，并以一种轮流(round-robin)方式调度它们。如果优先级31的一个线程可以调度，就把它分配给CPU。在这个线程的时间片结束时，系统检查是否有另一个优先级31的线程可以运行；如果是，就允许将那个线程分配给CPU。

只要存在可调度的优先级31的线程，系统就永远不会将优先级0~30的任何线程分配给CPU。这种情况称为饥饿(starvation)。较高优先级的线程占用了太多CPU时间，造成较低优先级的线程无法运行，就会发生这种情况。多处理器机器发生饥饿的可能性要小得多，因为这种机器上优先级为31的线程和优先级为30的线程可以同时运行。系统总是保持各个CPU处于忙碌状态，只有没有线程可调度的时候，CPU才会空闲下来。

较高优先级的线程总是抢占较低优先级的线程，无论正在运行的是什么较低优先级的线程。例如，如果有一个优先级为5的线程在运行，而系统确定有一个较高优先级的线程准备好运行，系统会立即挂起(暂停)较低优先级的线程(即使后者的时间片还没有用完)，将CPU分配给较高优先级的线程，该线程将获得一个完整的时间片。

顺便说一下，系统启动时会创建一个特殊的零页线程(zero page thread)。该线程的优先级是0，而且是整个系统唯一优先级为0的线程。在没有其他线程需要“干活儿”的时候，零页线程将系统RAM的所有空闲页清零。

Microsoft知道开发人员在为线程分配优先级时很难做到完全合理。这个线程的优先级应该为10吗？另一个线程的优先级应该为23吗？为了解决这个问题，Windows公开了优先级系统的一个抽象层。

设计应用程序时，你要决定自己的应用程序需要比机器上同时运行的其他应用程序更大还是更小的响应能力。然后，选择一个进程优先级类(priority class)来反映你的决定。Windows支持6个进程优先级类：Idle，Below Normal，Above Normal，Hight和Realtime。默认的Normal是最常用的优先级类。

在系统什么事情都不做的时候运行的应用程序(比如屏幕保护程序)适合分配Idle优先级类。注意，即使一台计算机没有被交互地使用，也有可能处于忙的状态(比如作为文件服务器运行)，它不应该和屏幕保护程序竞争CPU时间。一些执行统计、跟踪和分析的应用程序只是定期更新与系统有关的状态，它们一般不应妨碍执行更关键的任务。

只有绝对必要的时候才应使用High优先级类。Realtime优先级类要尽可能地避免。Realtime优先级相当高，它甚至可能干扰操作系统任务，比如阻碍一些必要的磁盘I/O和网络传输。除此之外，一个Realtime进程的线程可能造成不能及时地处理键盘和鼠标输入，用户会感觉“死机”了。简单地说，必须要有很好的理由才能使用Realtime优先级，比如需要响应延迟(latency)很短的硬件事件，或者执行一些不能中断的“短命”任务。

注意为了保持系统总体平稳运行，除非用户有“提高调度优先级”(Increase Scheduling Priority)特权，否则进程不能以Realtime优先级类运行。管理员和Power User默认有这个特权。

选好优先级类之后，就不要再思考你的应用程序和其他应用程序的关系了。现在，应该将所有注意力放在应用程序中的线程上。Windows支持7个相对线程优先级：Idle，Lowest，Below Normal，Normal，Above Normal，Highest和Time-Critical。这些优先级是相对于进程优先级类而言的。同样地，由于Normal是默认的相对线程优先级，所以是最常用的。

总之，你的进程是一个优先级类的成员。在你的进程中，要为各个线程分配相对优先级。到目前为止，我一直没有提到关于0~31的线程优先级的任何事情。应用程序开发人员永远不直接处理这些优先级。相反，系统将进程的优先级类和其中的一个线程的相对优先级映射成一个优先级(0~31)。下表总结了进程的优先级类和线程的相对优先级与优先级(0~31)的映射关系。

优先级类和优先级是两个概念。根据定义，每个线程的优先级取决于两个标准：1)它的进程的优先级类；2)在其进程的优先级类中，线程的优先级。优先级类和优先级合并构成一个线程的“基础优先级”(base priority)。注意，每个线程都有一个动态优先级(dynamic priority)。线程调度器根据这个优先级来决定要执行哪个线程。最初线程的动态优先级和它的基础优先级是相同的。系统可提升(boost)和降低(lower)动态优先级，以确保它的可响应性，并避免线程在处理器时间内“饥饿”。但是，对于基础优先级(16~31)之间的线程，系统不会提升它们的优先级。只有基础优先级在0~15之间的线程才会被动态提升(优先级)。

“进程优先级类”和"相对线程优先级"如何映射到“优先级”值

	进程优先级类
相对线程优先级	Idle	Below Normal	Normal	Above Normal	High	Realtime
Time-Critical	15	15	15	15	15	31
Highest	6	8	10	12	15	26
Above Normal	5	7	9	11	14	25
Normal	4	6	8	10	13	24
Below Normal	3	5	7	9	12	23
Lowest	2	4	6	8	11	22
Idle	1	1	1	1	1	16

例如，Normal进程中的一个Normal线程的优先级是8。由于大多数进程都是Normal优先级，大多数线程也是Normal优先级，所以系统中大多数线程的优先级都是8。

High优先级进程中的Normal线程的优先级是13。将进程优先级类更改为Idle，线程的优先级变成4。记住，线程优先级是相对于进程优先级类的。更改一个进程的优先级类，线程的相对优先级不会改变，但它的绝对优先级值会改变。

注意，表中没有值为0的线程优先级。这是因为0优先级保留给零页线程了，系统不允许其他线程的优先级为0。而且,以下优先级也不可获得：17，18，19，20，21，27，28，29或者30。以内核模式运行的设备驱动程序才能获得这些优先级；用户模式的应用程序不能。还要注意，Realtime优先级类中的线程优先级不能低于16。类似地，非Realtime的优先级类中的线程优先级不能高于15。

正常情况下，进程根据启动它的进程来分配优先级。大多数进程都由Windows资源管理器启动，后者在Normal优先级类中生成它的所有子进程。托管应用程序不应该表现为拥有它们自己的进程；相反，它们应该表现为在一个AppDomain中运行。所以，托管应用程序不应该更改它们的进程的优先级类，因为这会影响进程中运行的所有代码。例如，许多ASP.NET应用程序都在单个进程中运行，每个应用程序都在它自己的AppDomain中。类似的还有Silverlight应用程序，它在一个IE浏览器进程中运行。还有托管的存储过程，它在Microsoft SQL Server进程中运行。

注意 “进程优先级类”的概念容易引起混淆。人们可能以为Windows在调度进程。事实上Windows永远不会调度进程，它只调度线程。“进程优先级类”是Microsoft提出的抽象概念，旨在帮助你理解自己的应用程序和其他正在运行的应用程序的关系，它没有别的用途。

标签: C#