浅析C# AsyncLocal如何实现Thread间传值

一：背景

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
);

到此这篇关于浅析C# AsyncLocal如何实现Thread间传值的文章就介绍到这了,更多相关C# AsyncLocal实现Thread间传值内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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