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：
- 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：
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。
