>>回傳《C# 并發編程》

1. 執行緒池的由來
- 1.1. 執行緒池出現前
- 1.2. 執行緒池的誕生
- 1.3. CLR執行緒池作業程序
2. 執行緒池解決的問題
- 2.1. 異步呼叫方法
- 2.2. 按時間間隔呼叫方法
3. 當單個內核物件接收到信號通知時呼叫方法
- 3.1. 注冊WaitHandle
- 3.2. 注銷 WaitHandle
- 3.3. 代碼示例
4. 結語

1. 執行緒池的由來

1.1. 執行緒池出現前

解決三個需求

異步呼叫方法
按時間間隔呼叫方法
當一個內核物件收到信號時呼叫方法

開發人員經常創建一個新執行緒來執行單個任務，當任務完成時，該執行緒就會死亡，

與行程相比，創建和銷毀執行緒速度更快，并且占用的OS資源更少，但是創建和銷毀執行緒肯定不是免費的
創建執行緒程序
1. 分配和初始化內核物件，分配和初始化執行緒的堆疊記憶體
2. Windows 向行程中的每個DLL發送 DLL_THREAD_ATTACH 通知，從而導致磁盤中的pages被轉移到記憶體中以便代碼可以執行
銷毀執行緒程序
- 當執行緒死亡時，將向每個DLL發送 DLL_THREAD_DETACH 通知，該執行緒的堆疊記憶體被釋放，并且內核物件被釋放（如果其使用計數變為0
因此，創建和銷毀執行緒有很多開銷，這些開銷與創建執行緒最初要執行的作業無關

1.2. 執行緒池的誕生

Microsoft實作了一個執行緒池，該執行緒池首次在 Windows2000 中獲得支持，
當 .NET Framework 團隊設計和構建公共語言運行庫（CLR）時，他們決定在CLR本身中實作一個執行緒池
- 這樣，任何托管應用程式都可以利用執行緒池，即使該應用程式運行在Windows 2000之前的Windows版本（例如Windows 98）上，

1.3. CLR執行緒池作業程序

執行緒池執行任務流程

CLR初始化時，其執行緒池不包含任何執行緒，
當應用程式要創建執行緒來執行任務時，應用程式應請求該任務由執行緒池執行緒執行，
執行緒池知道后，將創建一個初始執行緒，這個新執行緒將與其他任何執行緒進行相同的初始化，
當任務完成時，執行緒不會銷毀自己，而是，執行緒將進入掛起(suspended)狀態下回傳執行緒池，
執行緒池已有執行緒能滿足運算需求
- 如果應用程式再次請求執行緒池，則被掛起的執行緒將被喚醒并執行任務，不會創建新執行緒，
- 只要應用程式將任務列入到執行緒池的速度不超過一個執行緒處理每個列入的任務的速度，就節省了執行緒創建銷毀產生的開銷
執行緒池已有執行緒不能滿足運算需求
- 如果應用程式將任務列入到執行緒池的速度超過一個執行緒處理每個列入的任務的速度，則執行緒池將創建其他執行緒，
- 當然，創建新執行緒確實會產生開銷，但是應用程式很可能僅需要幾個執行緒來處理應用程式生命周期內向它拋出的所有任務
執行緒池執行緒超過需要需要的算力
- 當執行緒池執行緒自身掛起時，如果一段時間(如40秒)沒有被使用時，執行緒將喚醒并自行銷毀
  - 從而釋放它正在使用的所有OS資源（堆疊，內核物件等）
總的來說，使用執行緒池可以提高應用程式的性能，

執行緒池提供了四種功能：

異步呼叫方法
按時間間隔呼叫方法
當發信號通知單個內核物件時呼叫方法
異步I/O請求完成時呼叫方法
- 應用程式開發人員很少使用這個功能，因此在此不做說明

要為執行緒池中的任務排隊，請使用 System.Threading 命名空間中定義的 ThreadPool 靜態類，

2. 執行緒池解決的問題

2.1. 異步呼叫方法

要使執行緒池執行緒異步呼叫方法，您的代碼必須呼叫 ThreadPool 的 QueueUserWorkItem 方法，如下所示：

public static Boolean QueueUserWorkItem(WaitCallback wc, Object state);
public static Boolean QueueUserWorkItem(WaitCallback wc);

這些方法將“作業項”（和可選的狀態資料）排隊到執行緒池中的執行緒，然后立即回傳，

“作業項”只是一個委托
- System.Threading.WaitCallback 委托型別定義如下：
```
public delegate void WaitCallback(Object state);
```
“狀態資料”是一個 Object 型別的資料，作為引數傳遞給“作業項”委托
- 沒有 “狀態資料” 引數的QueueUserWorkItem版本將 null 傳遞給WaitCallback方法
最終，池中的某些執行緒將處理作業項，從而導致您的方法被呼叫

CLR的執行緒池將在必要時自動創建執行緒，并在可能的情況下重用現有執行緒，該執行緒在處理回呼方法后不會立即被銷毀，它回傳執行緒池，以便準備處理佇列中的任何其他作業項，

執行緒池呼叫異步方法

using System;
using System.Threading;

class App {
   static void Main() {
      Console.WriteLine("Main thread: 列入一個異步操作.");
      ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(MyAsyncOperation));

      Console.WriteLine("Main thread: 執行其他操作.");
      // ...

      Console.WriteLine("Main thread: 暫停在這，以模擬執行其他操作，");
      Console.ReadLine();
   }

   static void MyAsyncOperation(Object state) {
      Console.WriteLine("ThreadPool thread: 執行異步操作.");
      // ...
      Thread.Sleep(5000);    
      // 等待5s，模擬執行作業項
      // 方法回傳，導致執行緒掛起自身，以等待其他“作業項”
   }
}

輸出為:

Main thread: 列入一個異步操作.
Main thread: 執行其他操作.
Main thread: 暫停在這，以模擬執行其他操作，
ThreadPool thread: 執行異步操作.

2.2. 按時間間隔呼叫方法

System.Threading 命名空間定義了 Timer 類，當構造 Timer 類的實體時，您在告訴執行緒池您希望在將來的特定時間回呼您的方法， Timer 類提供了四個建構式：

public Timer(TimerCallback callback, Object state,
   Int32 dueTime, Int32 period);
public Timer(TimerCallback callback, Object state,
   UInt32 dueTime, UInt32 period);
public Timer(TimerCallback callback, Object state,
   Int64 dueTime, Int64 period);
public Timer(TimerCallback callback, Object state,
   Timespan dueTime, TimeSpan period);

System.Threading.TimerCallback 委托型別定義如下：

public delegate void TimerCallback(Object state);

構造傳遞的委托呼叫時將構造傳遞的Object物件 state 作為引數傳遞
可以使用dueTime引數來告訴執行緒池第一次呼叫回呼方法之前要等待多少毫秒，
- 立即呼叫回呼方法設定 dueTime 引數為 0
- 防止呼叫回呼方法設定 dueTime 引數為 Timeout.Infinite 或 0
引數 period 允許您指定每個連續呼叫之前等待的時間（以毫秒為單位）
- 為0時，執行緒池將僅呼叫一次回呼方法，
構造 Timer 物件后，執行緒池自動監視時間
- Timer類提供了一些方法，使您可以與執行緒池進行通信，以修改何時回呼該方法
- Change 和 Dispose 方法
```
public Boolean Change(Int32    dueTime, Int32    period);
public Boolean Change(UInt32   dueTime, UInt32   period);
public Boolean Change(Int64    dueTime, Int64    period);
public Boolean Change(TimeSpan dueTime, TimeSpan period); 
public Boolean Dispose();
public Boolean Dispose(WaitHandle notifyObject); 
```
  - Change 方法使您可以更改 Timer物件 的 dueTime 和 period
  - 使用 Dispose 方法可以完全和有選擇的取消回呼
    - 當所有正在執行的回呼完成后，通過notifyObject引數，發送信號到內核物件，取消后續執行

每2000毫秒（或2秒）呼叫一次方法示例：

using System;
using System.Threading;

class App {
   static void Main() {
      Console.WriteLine("每2秒檢查一次修改狀態.");
      Console.WriteLine("   (按 Enter 鍵停止示例程式)");
      Timer timer = new Timer(new TimerCallback(CheckStatus), null, 0, 2000);
      Console.ReadLine();
   }

   static void CheckStatus(Object state) {
      Console.WriteLine("檢查狀態.");
      // ...
   }
}

輸出為:

每2秒檢查一次修改狀態.
   (按 Enter 鍵停止示例程式)
檢查狀態.
檢查狀態.
檢查狀態.
... ...

3. 當單個內核物件接收到信號通知時呼叫方法

在進行性能研究時，Microsoft研究人員發現許多應用程式生成執行緒,只是為了等待單個內核物件接收發出的信號，

物件發出信號后，執行緒將某種通知發布到另一個執行緒，然后回傳回來以等待物件再次發出信號，

一些開發人員甚至撰寫了其中多個執行緒各自等待一個物件的代碼，這是對系統資源的極大浪費，
因此，如果您的應用程式中當前有等待單個內核物件發出信號的執行緒，那么執行緒池再次是您提高應用程式性能的理想資源，

3.1. 注冊WaitHandle

System.Threading.ThreadPool 類中定義的一些靜態方法(RegisterWaitForSingleObject)，要使執行緒池執行緒在發出內核物件信號時呼叫方法

public static RegisterWaitHandle RegisterWaitForSingleObject(
   WaitHandle waitObject, WaitOrTimerCallback callback, Object state, 
   UInt32 milliseconds, Boolean executeOnlyOnce);

public static RegisterWaitHandle RegisterWaitForSingleObject(
   WaitHandle waitObject, WaitOrTimerCallback callback, Object state, 
   Int32 milliseconds, Boolean executeOnlyOnce);

public static RegisterWaitHandle RegisterWaitForSingleObject(
   WaitHandle waitObject, WaitOrTimerCallback callback, Object state, 
   TimeSpan milliseconds, Boolean executeOnlyOnce);

public static RegisterWaitHandle RegisterWaitForSingleObject(
   WaitHandle waitObject, WaitOrTimerCallback callback, Object state,
   Int64 milliseconds, Boolean executeOnlyOnce);

當您呼叫RegisterWaitForSingleObject方法時

waitObject 引數，需要執行緒池等待的內核物件
- 可以將參考傳遞給AutoResetEvent，ManualResetEvent或Mutex物件
callback 引數，需要執行緒池執行緒呼叫的方法
- System.Threading.WaitOrTimerCallback 委托型別定義：
```
public delegate void WaitOrTimerCallback(Object state, Boolean timedOut);
```
state 引數， callback 委托物件運行時需要的 state 引數
- 如果不需要可以為 null
milliseconds引數, 單位：毫秒，需要執行緒池等待多久后向內核物件發出超時信號
- 通常在此處傳遞-1表示無限超時
executeOnlyOnce引數
- 為 true ，則執行緒池執行緒將僅執行一次回呼方法,之后執行緒將不再在 waitObject 引數上等待
- 為 false ，則每次向內核物件發出信號時，執行緒池執行緒都會執行回呼方法(這對于AutoResetEvent物件最有用)
  - 表示每次完成等待操作后都重置計時器，直到 waitObject 取消注冊

呼叫WaitOrTimerCallback委托型別的回呼方法，bool型別的 timedOut 引數值:

為 false ，說明內核物件收到信號，導致該方法被呼叫
為 true ，說明在指定的時間內沒有發信號通知內核物件，超時后導致該方法被呼叫
- 回呼方法應執行必要的操作（超時處理）

3.2. 注銷 WaitHandle

在前提到的 RegisterWaitForSingleObject 方法回傳一個 RegisteredWaitHandle 物件
該物件標識執行緒池正在等待的內核物件
- 如果由于某種原因您的應用程式想要告訴執行緒池停止監視已注冊的 WaitHandle ，則您的應用程式可以呼叫 RegisteredWaitHandle 的 Unregister 方法：
```
public Boolean Unregister(WaitHandle waitObject);
```
- waitObject 引數，指示當所有排隊的作業項均已執行時，如何通知您
  - 如果您不想收到通知，則應為此引數傳遞 null
  - 如果將派生自 WaitHandle 的物件參考傳遞給Unregister方法，當已注冊的WaitHandle的所有待處理作業項均已執行時，執行緒池將向該物件；，；(waitObject)發出信號

3.3. 代碼示例

using System;
using System.Threading;

class App {
   static void Main() {
      AutoResetEvent are = new AutoResetEvent(false);
      RegisteredWaitHandle rwh = ThreadPool.RegisterWaitForSingleObject(
         are, new WaitOrTimerCallback(EventSignalled), null, 1100, false);
      for (Int32 x = 0 ; x < 5; x++) {
         Thread.Sleep(1000);
         are.Set();
      }
      
      Thread.Sleep(2400);

      rwh.Unregister(null);
      Console.WriteLine("按 Enter 鍵停止示例程式");
      Console.ReadLine();
   }

   static void EventSignalled(Object state, Boolean timedOut) {
      if (timedOut) {
         Console.WriteLine("等待 AutoResetEvent 操作超時.");
      } else {
         Console.WriteLine("AutoResetEvent 接到信號.");
      }
   }
}

輸出為:

; 五次 AutoResetEvent 發送信號
AutoResetEvent 接到信號.
AutoResetEvent 接到信號.
AutoResetEvent 接到信號.
AutoResetEvent 接到信號.
AutoResetEvent 接到信號.
; 等待2.4s導致兩次超時
等待 AutoResetEvent 操作超時.
等待 AutoResetEvent 操作超時.
; 注銷后不在呼叫委托
按 Enter 鍵停止示例程式

4. 結語

關于執行緒池相關的 API 不需要熟練掌握，但是我們了解了執行緒池的設計初衷和具備的功能，為我們更好的理解異步編程、并行、多執行緒有很大的助益，

前一章我們了解了 同步背景關系 是如何編排執行緒執行代碼的，這一章我們了解了執行緒池，加深了異步任務交給執行緒池執行的理解，后面我們開始對異步編程、資料流塊、Rx等我們常用的技術進行講解，

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ThreadPool(執行緒池)介紹

1. 執行緒池的由來

1.1. 執行緒池出現前

1.2. 執行緒池的誕生

1.3. CLR執行緒池作業程序

2. 執行緒池解決的問題

2.1. 異步呼叫方法

2.2. 按時間間隔呼叫方法

3. 當單個內核物件接收到信號通知時呼叫方法

3.1. 注冊WaitHandle

3.2. 注銷 WaitHandle

3.3. 代碼示例

4. 結語