聊一聊 C#前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();}

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

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：

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

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：

做了 m_BackgroundThreadCount++，这样 OtherThreadsComplete() 的值就对上了。
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：
外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

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:   noLock  DBG   ID     OSID ThreadOBJ           State GC Mode     GC Alloc Context                  Domain           Count Apt Exception0    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。