深入探討 .NET 多線程與並行計算（十二）：CLR via C# 第三版閱讀筆記（上）

為何線程被視為昂貴資源？

《CLR via C#》第三版剛出版，書中關於線程章節的見解彌補了我過去的知識盲區，因此將關鍵點整理成此系列文章。作者身為微軟顧問，不僅傳授 MSDN 教條，更分享獨到見解，甚至指出 .NET 框架的不足並給出自行實現方案，這正是我推崇此書的原因。

1. 記憶體開銷驚人

以 32 位架構為例，每個線程包含：線程內核對象（約 700 位元組）、線程環境塊（4 KB）、內核堆疊（12 KB）以及使用者堆疊（1 MB）。值得注意的是，這 1 MB 使用者堆疊在 CLR 建立線程時一次性配置完畢，並非動態增長（Windows 僅保留 1 MB 位址空間）。

2. 線程切換的高昂代價

線程切換需完成三大步驟：將 CPU 暫存器值存入當前線程內核對象；若切換至不同 CPU，需準備新的虛擬位址空間；最後將目標線程內核對象中的暫存器值複製回 CPU 暫存器。

3. 快取失效帶來的效能損耗

更大的效能傷害源於線程切換後，CPU 快取中的資料可能無法命中，迫使重新載入資料，這在高頻切換場景下尤為明顯。

4. 垃圾回收時的全線程暫停

GC 發生時，CLR 會暫停所有線程、掃描線程堆疊、壓縮堆疊並重設指標位址，線程越多，暫停時間越長。

雖然線程比進程輕量，但 Outlook 就有數十個線程，甚至記事本的「開啟檔案」對話框也能產生 22 個線程（Vista 為避免阻塞 UI，大量使用新線程載入內容）。目前 CLR 線程一對一對應 Windows 線程，作者期盼未來 CLR 能實現虛擬邏輯線程以改善效能。

何時應手動建立線程而非使用線程池？

1. 需自訂優先權：線程池線程固定為 Normal。
2. 需前台線程：線程池線程皆為背景線程。建議非 UI 線程設為背景線程，否則關閉 UI 後進程可能殘留佔用記憶體。
3. 需手動中止線程：線程池不提供此功能。
4. 長時間執行的任務：線程池適合短小精悍的任務，長任務會佔用池資源導致飢餓。

線程排程機制

1. 線程優先權範圍 0~31，高優先權線程一就緒即搶佔 CPU，Windows 會將最高優先權線程分派至各 CPU 核心並行執行。
2. 進程有 6 個優先等級，線程有 7 個，組合映射為實際優先權 0~30（0 保留給系統記憶體釋放）。CLR 僅開放 5 個等級供開發者設定。
3. 進程優先權本質是虛擬概念，用於映射線程優先權。大多數進程由 Explorer 啟動，預設為 Normal，故線程實際優先權多落在 6~10 之間。