聊一聊 Monitor.Wait 和 Pluse 的底层玩法

一：背景

1. 讲故事

在dump分析的过程中经常会看到很多线程卡在Monitor.Wait方法上，曾经也有不少人问我为什么用 !syncblk 看不到 Monitor.Wait 上的锁信息，刚好昨天有时间我就来研究一下。

二：Monitor.Wait 底层怎么玩的

1. 案例演示

为了方便讲述，先上一段演示代码，Worker1 在执行的过程中需要唤醒 Worker2 执行，当 Worker2 执行完毕之后自己再继续执行，参考代码如下：

internal class Program{static Person lockObject = new Person();static void Main(){Task.Run(() => { Worker1(); });Task.Run(() => { Worker2(); });Console.ReadLine();}static void Worker1(){lock (lockObject){Console.WriteLine($"{DateTime.Now} 1. 执行 worker1 的业务逻辑...");Thread.Sleep(1000);Console.WriteLine($"{DateTime.Now} 2. 等待 worker2 执行完毕...");Monitor.Wait(lockObject);Console.WriteLine($"{DateTime.Now} 4. 继续执行 worker1 的业务逻辑...");}}static void Worker2(){Thread.Sleep(10);lock (lockObject){Console.WriteLine($"{DateTime.Now} 3. worker2 的逻辑执行完毕...");Monitor.Pulse(lockObject);}}}public class Person { }

有了代码和输出之后，接下来就是分析底层玩法了。

2. 模型架构图

研究来研究去总得有个结果，千言万语绘成一张图，截图如下：

从图中可以看到这地方会涉及到一个核心的数据结构 WaitEventLink，参考如下：


// Used inside Thread class to chain all events that a thread is waiting for by Object::Wait
struct WaitEventLink {SyncBlock         *m_WaitSB;	   // 当前对象的 syncblockCLREvent          *m_EventWait;    // 当前线程的 m_EventWait PTR_Thread         m_Thread;       // Owner of this WaitEventLink.PTR_WaitEventLink  m_Next;         // Chain to the next waited SyncBlock.SLink              m_LinkSB;       // Chain to the next thread waiting on the same SyncBlock.DWORD              m_RefCount;     // How many times Object::Wait is called on the same SyncBlock.
};

代码里对每一个字段都做了表述，还是非常清楚的，也看到了这里存在两个队列。

m_Next：当前线程要串联的 SyncBlock 队列，Node 是 WaitEventLink 结构。
m_LinkSB：当前同步块串联的 Thread 队列，Node 是 m_LinkSB 地址。

3. 底层的源码验证

首先我们看下C#的 Monitor.Wait(lockObject) 底层是如何实现的，它对应着 coreclr 的 ObjectNative::WaitTimeout 方法，核心实现如下：


BOOL SyncBlock::Wait(INT32 timeOut)
{//步骤1WaitEventLink* walk = pCurThread->WaitEventLinkForSyncBlock(this);//步骤2CLREvent* hEvent = &(pCurThread->m_EventWait);waitEventLink.m_WaitSB = this;waitEventLink.m_EventWait = hEvent;waitEventLink.m_Thread = pCurThread;waitEventLink.m_Next = NULL;waitEventLink.m_LinkSB.m_pNext = NULL;waitEventLink.m_RefCount = 1;pWaitEventLink = &waitEventLink;walk->m_Next = pWaitEventLink;hEvent->Reset();//步骤3ThreadQueue::EnqueueThread(pWaitEventLink, this);isEnqueued = TRUE;PendingSync syncState(walk);OBJECTREF obj = m_Monitor.GetOwningObject();m_Monitor.IncrementTransientPrecious();//步骤4syncState.m_EnterCount = LeaveMonitorCompletely();isTimedOut = pCurThread->Block(timeOut, &syncState);return !isTimedOut;
}

代码逻辑非常简单，大概步骤如下：

从当前线程的 m_WaitEventLink 所指向的队列中寻找 SyncBlock 节点，如果没有就返回尾部节点。
将当前节点拼接到尾部。
新节点通过 EnqueueThread 方法送入到 m_LinkSB 所指向的队列，这里有一个小技巧，它只存放 WaitEventLink->m_LinkSB 地址，后续会通过 -0x20 来反推 WaitEventLink 结构首地址，从而来获取线程等待事件，参考代码如下：


inline PTR_WaitEventLink ThreadQueue::WaitEventLinkForLink(PTR_SLink pLink)
{LIMITED_METHOD_CONTRACT;SUPPORTS_DAC;return (PTR_WaitEventLink) (((PTR_BYTE) pLink) - offsetof(WaitEventLink, m_LinkSB));
}

使用 LeaveMonitorCompletely 方法将 AwareLock 锁给释放掉，从而让等待这个 lock 的线程进入方法，即当前的 Worker2，简化后代码如下：


LONG LeaveMonitorCompletely()
{return m_Monitor.LeaveCompletely();
}void Signal()
{m_SemEvent.SetMonitorEvent();
}void CLREventBase::SetMonitorEvent(){Set();
}

总而言之，Monitor.Wait 主要还是用来将Node追加到两大队列，接下来研究下 Monitor.Pulse 的内部实现，这个就比较简单了，无非就是在 m_LinkSB 指向的队列中提取一个Node而已，核心代码如下：


void SyncBlock::Pulse()
{WaitEventLink* pWaitEventLink;if ((pWaitEventLink = ThreadQueue::DequeueThread(this)) != NULL)pWaitEventLink->m_EventWait->Set();
}// Unlink the head of the Q.  We are always in the SyncBlock's critical
// section.
/* static */
inline WaitEventLink *ThreadQueue::DequeueThread(SyncBlock *psb)
{WaitEventLink* ret = NULL;SLink* pLink = psb->m_Link.m_pNext;if (pLink){psb->m_Link.m_pNext = pLink->m_pNext;ret = WaitEventLinkForLink(pLink);}return ret;
}inline PTR_WaitEventLink ThreadQueue::WaitEventLinkForLink(PTR_SLink pLink)
{return (PTR_WaitEventLink)(((PTR_BYTE)pLink) - offsetof(WaitEventLink, m_LinkSB));
}class SyncBlock
{protected:SLink m_Link;
}

上面的代码逻辑还是非常清楚的，从 SyncBlock.m_Link 所串联的 WaitEventLink 队列中提取第一个节点，但这个节点保存的是 WaitEventLink.m_LinkSB 地址，所以需要反向 -0x20 取到 WaitEventLink 首地址，可以用 windbg 来验证一下。


0:017> dt coreclr!WaitEventLink+0x000 m_WaitSB         : Ptr64 SyncBlock+0x008 m_EventWait      : Ptr64 CLREvent+0x010 m_Thread         : Ptr64 Thread+0x018 m_Next           : Ptr64 WaitEventLink+0x020 m_LinkSB         : SLink+0x028 m_RefCount       : Uint4B

取到首地址之后就就可以将当前线程的 m_EventWait 唤醒，这就是为什么调用 Monitor.Pulse(lockObject); 之后另一个线程唤醒的内部逻辑，有些朋友好奇那 Monitor.PulseAll 是不是会把这个队列中的所有 Node 上的 m_EventWait 都唤醒呢？哈哈，真聪明，源码如下：


void SyncBlock::PulseAll()
{WaitEventLink* pWaitEventLink;while ((pWaitEventLink = ThreadQueue::DequeueThread(this)) != NULL)pWaitEventLink->m_EventWait->Set();
}

眼尖的朋友会有一个疑问，这个队列数据提取了，那另一个队列的数据是不是也要相应的改动，这个确实，它的逻辑是在Wait方法的 PendingSync syncState(walk); 析构函数里，感兴趣的朋友可以看一下内部的void Restore(BOOL bRemoveFromSB) 方法即可。