• AsyncLocal线程间传值是如何实现的?
  • 发布于 2个月前
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一:背景
1. 讲故事
这个问题的由来是在.NET高级调试训练营第十期分享ThreadStatic底层玩法的时候,有朋友提出了AsyncLocal是如何实现的,虽然做了口头上的表述,但总还是会不具体,所以觉得有必要用文字+图表的方式来系统的说一下这个问题。

二:AsyncLocal 线程间传值
1. 线程间传值途径
在 C# 编程中实现多线程以及线程切换的方式大概如下三种:
Thread
Task
await,async
这三种场景下的线程间传值有各自的实现方式,由于篇幅限制,先从 Thread 开始聊吧。本质上来说 AsyncLocal 是一个纯托管的C#玩法,和 coreclr,Windows 没有任何关系。

2. Thread 小例子
为了方便讲述,先来一个例子看下如何在新Thread线程中提取 _asyncLocal 中的值,参考代码如下:
    internal class Program
    {
        static AsyncLocal<int> _asyncLocal = new AsyncLocal<int>();
        static void Main(string[] args)
        {
            _asyncLocal.Value = 10;
            var t = new Thread(() =>
            {
                Console.WriteLine($"Tid={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}, AsyncLocal value: {_asyncLocal.Value},");
                Debugger.Break();
            });

            t.Start();

            Console.ReadLine();
        }
    }

从截图看 tid=7 线程果然拿到了 主线程设置的 10 ,哈哈,是不是充满了好奇心?接下来逐一分析下吧。

3. 流转分析
首先观察下 _asyncLocal.Value = 10 在源码层做了什么,参考代码如下:
    public T Value
    {
        set
        {
            ExecutionContext.SetLocalValue(this, value, m_valueChangedHandler != null);
        }
    }

    internal static void SetLocalValue(IAsyncLocal local, object newValue, bool needChangeNotifications)
    {
        ExecutionContext executionContext = Thread.CurrentThread._executionContext;
        Thread.CurrentThread._executionContext = new ExecutionContext(asyncLocalValueMap, array, flag2));
    }
从源码中可以看到这个 10 最终封印在 Thread.CurrentThread._executionContext 字段中,接下来就是核心问题了,它是如何被送到新线程中的呢?其实仔细想一想,要让我实现的话,我肯定这么实现。将主线程的 _executionContext 字段赋值给新线程 t._executionContext 字段。将 var t = new Thread() 中的t作为参数传递给 win32 的 CreateThread 函数,这样在新线程中就可以提取 到 t 了,然后执行 t 的callback。

这么说大家可能有点抽象,我就直接画下C#是怎么流转的图吧:

有了这张图之后接下来的问题就是验证了,首先看一下 copy 操作在哪里?可以观察下 Start 源码。
    private void Start(bool captureContext)
    {
        StartHelper startHelper = _startHelper;
        if (startHelper != null)
        {
            startHelper._startArg = null;
            startHelper._executionContext = (captureContext ? System.Threading.ExecutionContext.Capture() : null);
        }
        StartCore();
    }
    public static ExecutionContext? Capture()
    {
        ExecutionContext executionContext = Thread.CurrentThread._executionContext;
        return executionContext;
    }
从源码中可以看到将主线程的 _executionContext 字段给了新线程t下的startHelper._executionContext 。

接下来我们观察下在创建 OS 线程的时候是不是将 Thread 作为参数传过去了,如果传过去了,那就可以直接在新线程中拿到 Thread._startHelper._executionContext 字段,验证起来也很简单,在win32 的 ntdll!NtCreateThreadEx 上下一个断点即可。
0:000> bp ntdll!NtCreateThreadEx
0:000> g
Breakpoint 1 hit
ntdll!NtCreateThreadEx:
00007ff9`0fe8e8c0 4c8bd1          mov     r10,rcx
0:000> r
rax=00007ff8b4a529d0 rbx=0000000000000000 rcx=0000008471b7df28
rdx=00000000001fffff rsi=0000027f2ca25b01 rdi=0000027f2ca25b60
rip=00007ff90fe8e8c0 rsp=0000008471b7de68 rbp=00007ff8b4a529d0
 r8=0000000000000000  r9=ffffffffffffffff r10=0000027f2c8a0000
r11=0000008471b7de40 r12=0000008471b7e890 r13=0000008471b7e4f8
r14=ffffffffffffffff r15=0000000000010000
iopl=0         nv up ei pl nz na po nc
cs=0033  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000206
ntdll!NtCreateThreadEx:
00007ff9`0fe8e8c0 4c8bd1          mov     r10,rcx
0:000> !t
ThreadCount:      4
UnstartedThread:  1
BackgroundThread: 2
PendingThread:    0
DeadThread:       0
Hosted Runtime:   no
                                                                                                            Lock  
 DBG   ID     OSID ThreadOBJ           State GC Mode     GC Alloc Context                  Domain           Count Apt Exception
   0    1     2cd8 0000027F2C9E6610    2a020 Preemptive  0000027F2E5DB438:0000027F2E5DB4A0 0000027f2c9dd670 -00001 MTA 
   6    2     2b24 0000027F2CA121E0    21220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 0000027f2c9dd670 -00001 Ukn (Finalizer) 
   7    3     2658 0000027F4EAA0AE0    2b220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 0000027f2c9dd670 -00001 MTA 
XXXX    4        0 0000027F2CA25B60     9400 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 0000027f2c9dd670 -00001 Ukn 
从输出中可以看到 NtCreateThreadEx 方法的第二个参数即 rdi=0000027f2ca25b60 就是我们的托管线程,如果你不相信的话可以再用 windbg 找到它的托管线程信息,输出如下:
0:000> dt coreclr!Thread 0000027F2CA25B60 -y m_ExposedObject
   +0x1c8 m_ExposedObject : 0x0000027f`2c8f11d0 OBJECTHANDLE__

0:000> !do poi(0x0000027f`2c8f11d0)
Name:        System.Threading.Thread
MethodTable: 00007ff855090d78
EEClass:     00007ff85506a700
Tracked Type: false
Size:        72(0x48) bytes
File:        C:\Program Files\dotnet\shared\Microsoft.NETCore.App\6.0.25\System.Private.CoreLib.dll
Fields:
              MT    Field   Offset                 Type VT     Attr            Value Name
00007ff8550c76d8  4000b35        8 ....ExecutionContext  0 instance 0000000000000000 _executionContext
0000000000000000  4000b36       10 ...ronizationContext  0 instance 0000000000000000 _synchronizationContext
00007ff85508d708  4000b37       18        System.String  0 instance 0000000000000000 _name
00007ff8550cb9d0  4000b38       20 ...hread+StartHelper  0 instance 0000027f2e5db3b0 _startHelper
...
有些朋友可能要说,你现在的 _executionContext 字段是保留在 _startHelper 类里,并没有赋值到Thread._executionContext字段呀?那这一块在哪里实现的呢?从上图可以看到其实是在新线程的执行函数上,在托管函数执行之前会将 _startHelper._executionContext 赋值给 Thread._executionContext , 让 windbg 继续执行,输出如下:
0:009> k
 # Child-SP          RetAddr               Call Site
00 00000084`728ff778 00007ff8`b4c23d19     KERNELBASE!wil::details::DebugBreak+0x2
01 00000084`728ff780 00007ff8`b43ba7ea     coreclr!DebugDebugger::Break+0x149 [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\debugdebugger.cpp @ 148] 
02 00000084`728ff900 00007ff8`54ff56e3     System_Private_CoreLib!System.Diagnostics.Debugger.Break+0xa [/_/src/coreclr/System.Private.CoreLib/src/System/Diagnostics/Debugger.cs @ 18] 
03 00000084`728ff930 00007ff8`b42b4259     ConsoleApp9!ConsoleApp9.Program.<>c.<Main>b__1_0+0x113
04 00000084`728ff9c0 00007ff8`b42bddd9     System_Private_CoreLib!System.Threading.Thread.StartHelper.Callback+0x39 [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Thread.cs @ 42] 
05 00000084`728ffa00 00007ff8`b42b2f4a     System_Private_CoreLib!System.Threading.ExecutionContext.RunInternal+0x69 [/_/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/ExecutionContext.cs @ 183] 
06 00000084`728ffa70 00007ff8`b4b7ba53     System_Private_CoreLib!System.Threading.Thread.StartCallback+0x8a [/_/src/coreclr/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Thread.CoreCLR.cs @ 105] 
07 00000084`728ffab0 00007ff8`b4a763dc     coreclr!CallDescrWorkerInternal+0x83
08 00000084`728ffaf0 00007ff8`b4b5e713     coreclr!DispatchCallSimple+0x80 [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\callhelpers.cpp @ 220] 
09 00000084`728ffb80 00007ff8`b4a52d25     coreclr!ThreadNative::KickOffThread_Worker+0x63 [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\comsynchronizable.cpp @ 158] 
...
0d (Inline Function) --------`--------     coreclr!ManagedThreadBase_FullTransition+0x2d [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\threads.cpp @ 7569] 
0e (Inline Function) --------`--------     coreclr!ManagedThreadBase::KickOff+0x2d [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\threads.cpp @ 7604] 
0f 00000084`728ffd60 00007ff9`0e777614     coreclr!ThreadNative::KickOffThread+0x79 [D:\a\_work\1\s\src\coreclr\vm\comsynchronizable.cpp @ 230] 
10 00000084`728ffdc0 00007ff9`0fe426a1     KERNEL32!BaseThreadInitThunk+0x14
11 00000084`728ffdf0 00000000`00000000     ntdll!RtlUserThreadStart+0x21
...
在上面的回调函数中看的非常清楚,在执行托管函数 <Main>b__1_0 之前执行了一个 ExecutionContext.RunInternal 函数,对,就是它来实现的,参考代码如下:
    private sealed class StartHelper
    {
        internal void Run()
        {
            System.Threading.ExecutionContext.RunInternal(_executionContext, s_threadStartContextCallback, this);
        }
    }
    internal static void RunInternal(ExecutionContext executionContext, ContextCallback callback, object state)
    {
        Thread currentThread = Thread.CurrentThread;
        RestoreChangedContextToThread(currentThread, executionContext, executionContext3);
    }
    internal static void RestoreChangedContextToThread(Thread currentThread, ExecutionContext contextToRestore, ExecutionContext currentContext)
    {
        currentThread._executionContext = contextToRestore;
    }
既然将 StartHelper.executionContext 塞到了 currentThread._executionContext 中,在 <Main>b__1_0 方法中自然就能通过 _asyncLocal.Value 提取了。

三:总结
说了这么多,其实精妙之处在于创建OS线程的时候,会把C# Thread实例(coreclr对应线程) 作为参数传递给新线程,即下面方法签名中的 lpParameter 参数,新线程拿到了Thread实例,自然就能获取到被调用线程赋值的 Thread._executionContext 字段,所以这是完完全全的C#层面玩法,希望能给后来者解惑吧!
HANDLE CreateThread(
  [in, optional]  LPSECURITY_ATTRIBUTES   lpThreadAttributes,
  [in]            SIZE_T                  dwStackSize,
  [in]            LPTHREAD_START_ROUTINE  lpStartAddress,
  [in, optional]  __drv_aliasesMem LPVOID lpParameter,
  [in]            DWORD                   dwCreationFlags,
  [out, optional] LPDWORD                 lpThreadId
);

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