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前言

首先來(lái)看下，為什么性能會(huì)一直持續(xù)性?xún)?yōu)化。.NET8引入的SSE-XMM(16字節(jié))Register和AVX-YMM(32字節(jié))Register是關(guān)鍵，傳統(tǒng)的Register一般指令集層次能移動(dòng)的最多只有8位，就算是最新的x64系統(tǒng)。但是SSE和AVX改變了這種局面，它們能一次性移動(dòng)64位系統(tǒng)的一倍乃至四倍，這就是優(yōu)化的關(guān)鍵。

之前的多篇文章展示了很多.NET8的性能優(yōu)化，基本上都是核心級(jí)的CLR/JIT優(yōu)化，包括了VM，Zeroing，CHRL，Exception，Non_GC，Branch，GC，Reflection，AOT，Enum，DateTime等等。但是漏掉了一個(gè)較為重要的東西：線程。本篇來(lái)看下.NET8里面的線程優(yōu)化。

ThreadStatic

.NET在新的版本中，對(duì)線程，并發(fā)，并行，異步等方面做出了非常大的改進(jìn)。比如ThreadPool完全重寫(xiě)，異步方法基礎(chǔ)部分的完全重寫(xiě)，ConcurrentQueue隊(duì)列的完全重寫(xiě)等等。.NET8在這些的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了更為深思熟慮的和更為有影響力的改進(jìn)。比如ThreadStatic。

.NET運(yùn)行時(shí)里面運(yùn)用本地?cái)?shù)據(jù)和線程的關(guān)聯(lián)，就是本地線程存儲(chǔ)(TLS)。在托管代碼上實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，最常用的方法就是用[ThreadStatic]屬性注解一個(gè)靜態(tài)字段(當(dāng)然這里還有個(gè)用途更高級(jí)的ThreadLocal),這樣就會(huì)導(dǎo)致.NET運(yùn)行時(shí)會(huì)把這個(gè)靜態(tài)字段的存儲(chǔ)復(fù)制到每個(gè)線程，而不是全局的進(jìn)程上面。

例如以下ThreadStaitc屬性注解的用法

private static int s_onePerProcess;


[ThreadStatic]
private static int t_onePerThread;

在.NET8之前訪問(wèn)被TheadStatic標(biāo)記的字段，需要一個(gè)JIT的非內(nèi)聯(lián)輔助方法CORINFO_HELP_GETSHARED_NONGCTHREADSTATIC_BASE_NOCTOR。它的原型實(shí)際上就是JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase。如下:

#include 
HCIMPL2(void*, JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase, DomainLocalModule *pDomainLocalModule, DWORD dwClassDomainID)
{
//為了便于觀看，此處省略
    return HCCALL1(JIT_GetNonGCThreadStaticBase_Helper, pMT);
}
HCIMPLEND

因?yàn)檫@個(gè)方法本身是有優(yōu)化空間的，經(jīng)過(guò)dotnet/runtime#82973 and dotnet/runtime#85619它的函數(shù)本體被內(nèi)聯(lián)到了調(diào)用者當(dāng)中了。省略了函數(shù)調(diào)用以及跳轉(zhuǎn)的成本。通過(guò)一個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試來(lái)看下這個(gè)效果。

// dotnet run -c Release -f net7.0 --filter "*" --runtimes net7.0 net8.0
//dotnetrun-cRelease-fnet7.0--filter"*"--runtimesnativeaot7.0nativeaot8.0
using BenchmarkDotNet.Attributes;
usingBenchmarkDotNet.Running;
BenchmarkSwitcher.FromAssembly(typeof(Tests).Assembly).Run(args);
[HideColumns("Error", "StdDev", "Median", "RatioSD")]
public partial class Tests
{
    [ThreadStatic]
    private static int t_value;


    [Benchmark]
    public int Increment() => ++t_value;
}

測(cè)試結(jié)果如下，提升明顯：

方法	運(yùn)行時(shí)	平均值	比率
Increment	.NET 7.0	8.492 ns	1.00
Increment	.NET 8.0	1.453 ns	0.17

同樣的通過(guò)

dotnet/runtime#84566 和 dotnet/runtime#87148為.NET AOT做的一個(gè)優(yōu)化，提升同樣明顯。

方法	運(yùn)行時(shí)	平均值	比率
Increment	NativeAOT 7.0	2.305 ns	1.00
Increment	NativeAOT 8.0	1.325 ns	0.57

ThreadPool

TheadPool優(yōu)化在于線程池方面，之前老版本的.NET基本上都是通過(guò)封裝Windows線程池，然后通過(guò)托管代碼調(diào)用。但是在.NET6里面開(kāi)始.NET運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)了自己的托管線程池，也就是說(shuō)新版的.NET包含了兩個(gè)線程池。分別為托管調(diào)用的windows線程池，以及托管代碼自己實(shí)現(xiàn)的托管線程池。現(xiàn)在，在.NET8里面可以自由切換這兩個(gè)線程池，你想使用哪個(gè)就用哪個(gè)，以提升程序的性能。

我們來(lái)看下，這個(gè)過(guò)程。首先新建一個(gè).NET8.0控制臺(tái)應(yīng)用程序，代碼如下

static void Main(string[] args)
{
    Task.Run(() => Console.WriteLine(Environment.StackTrace)).Wait();
Console.ReadLine();
}

并在 .csproj 中添加true。先運(yùn)行下它，結(jié)果顯示如下：

at System.Environment.get_StackTrace()
at ThreadPool_.Program.<>c.b__0_0() in E:Visual Studio ProjectTest_ThreadPool_Program.cs:line 7
at System.Threading.ExecutionContext.RunFromThreadPoolDispatchLoop(Thread threadPoolThread, ExecutionContext executionContext, ContextCallback callback, Object state)
at System.Threading.Tasks.Task.ExecuteWithThreadLocal(Task& currentTaskSlot, Thread threadPoolThread)
at System.Threading.ThreadPoolWorkQueue.Dispatch()
at System.Threading.PortableThreadPool.WorkerThread.WorkerThreadStart()

PortableThreadPool這個(gè)就是.NET6以來(lái)新增的托管線程池操控的代碼。我們下面再來(lái)看下Windows線程池方面，把上面代碼進(jìn)行AOT編譯

dotnet publish -c Release -r win-x64

我們運(yùn)行下路徑inRelease et8.0win-x64publish里的exe文件，可以看到如下：

at System.Environment.get_StackTrace() + 0x21
at ThreadPool_.Program.<>c.b__0_0() + 0x9
at System.Threading.ExecutionContext.RunFromThreadPoolDispatchLoop(Thread, ExecutionContext, ContextCallback, Object) + 0x3d
at System.Threading.Tasks.Task.ExecuteWithThreadLocal(Task&, Thread) + 0xcc
at System.Threading.ThreadPoolWorkQueue.Dispatch() + 0x289
at System.Threading.WindowsThreadPool.DispatchCallback(IntPtr, IntPtr, IntPtr) + 0x45

很明顯的看到這里是WindowsThreadPool(Windows線程池調(diào)用)，而上面的則是PortableThreadPool(.NET運(yùn)行時(shí)自己實(shí)現(xiàn)的托管線程池)。這里有個(gè)疑問(wèn)，為什么AOT可以看到Windows線程池，因?yàn)锳OT是本地預(yù)編譯機(jī)器碼，它不包含托管代碼，所以只能Windows自帶線程池調(diào)用。但是如果是托管代碼，不是AOT化，那么可以看到原汁原味的托管線程池調(diào)用。

通過(guò)issuse:dotnet/runtime#85373，Windows上運(yùn)行的.NET8應(yīng)用程序可以選擇任何一個(gè)線程池。

可以在 .csproj 中的中，添加：

false

false表示不使用Windows線程池，True表示使用。其它的，也可以設(shè)置環(huán)境變量，來(lái)使用Windows線程池，設(shè)置0則不使用。

DOTNET_ThreadPool_UseWindowsThreadPool=1

目前來(lái)說(shuō)，沒(méi)有確切的證據(jù)證明哪個(gè)線程池好用，或者效率更高。但是開(kāi)發(fā)者可以使用上面的選項(xiàng)來(lái)進(jìn)行自己的選擇，有一個(gè)測(cè)試就是在Windows線程池在比較大的機(jī)器上的IO擴(kuò)展性不太好。如果你的應(yīng)用程序已經(jīng)大量的使用了Windows線程池，那么可以通過(guò)以上設(shè)置為另一個(gè)線程池操作也是可以的。此外，線程池經(jīng)常被阻塞，Windows線程池對(duì)此有更多的處理，也能更有效的比托管線程處理的更好。如以下代碼：

// dotnet run -c Release -f net8.0


usingSystem.Diagnostics;
varsw=Stopwatch.StartNew();
var barrier = new Barrier(Environment.ProcessorCount * 2 + 1);
for (int i = 0; i < barrier.ParticipantCount; i++)
{
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(id =>
    {
        Console.WriteLine($"{sw.Elapsed}: {id}");
        barrier.SignalAndWait();
    }, i);
}


barrier.SignalAndWait();
Console.WriteLine($"Done:{sw.Elapsed}");

以上創(chuàng)建了很多工作項(xiàng)，所有的工作項(xiàng)都會(huì)被阻塞，直到所有工作項(xiàng)都被處理完畢。這里可以設(shè)置DOTNET_ThreadPool_UseWindowsThreadPool 為 1?？聪聦?duì)比的結(jié)果，顯示W(wǎng)indows線程池處理的更好。

審核編輯：湯梓紅

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