聊一聊 Monitor.Wait 和 Pulse 的底层玩法

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摘要

在dump分析的过程中经常会看到很多线程卡在Monitor.Wait方法上,曾经也有不少人问我为什么用 !syncblk 看不到 Monitor.Wait 上的锁信息,刚好昨天有时间我就来研究一下。


一:背景

1. 讲故事

在dump分析的过程中经常会看到很多线程卡在Monitor.Wait方法上,曾经也有不少人问我为什么用 !syncblk 看不到 Monitor.Wait 上的锁信息,刚好昨天有时间我就来研究一下。

二:Monitor.Wait 底层怎么玩的

1. 案例演示

为了方便讲述,先上一段演示代码,Worker1 在执行的过程中需要唤醒 Worker2 执行,当 Worker2 执行完毕之后自己再继续执行,参考代码如下:

     internal class Program     {         static Person lockObject = new Person();          static void Main()         {             Task.Run(() => { Worker1(); });             Task.Run(() => { Worker2(); });              Console.ReadLine();         }          static void Worker1()         {             lock (lockObject)             {                 Console.WriteLine($"{DateTime.Now} 1. 执行 worker1 的业务逻辑...");                 Thread.Sleep(1000);                  Console.WriteLine($"{DateTime.Now} 2. 等待 worker2 执行完毕...");                 Monitor.Wait(lockObject);                  Console.WriteLine($"{DateTime.Now} 4. 继续执行 worker1 的业务逻辑...");             }         }          static void Worker2()         {             Thread.Sleep(10);             lock (lockObject)             {                 Console.WriteLine($"{DateTime.Now} 3. worker2 的逻辑执行完毕...");                 Monitor.Pulse(lockObject);             }         }     }      public class Person { }  

聊一聊 Monitor.Wait 和 Pulse 的底层玩法

有了代码和输出之后,接下来就是分析底层玩法了。

2. 模型架构图

研究来研究去总得有个结果,千言万语绘成一张图,截图如下:

聊一聊 Monitor.Wait 和 Pulse 的底层玩法

从图中可以看到这地方会涉及到一个核心的数据结构 WaitEventLink,参考如下:

 // Used inside Thread class to chain all events that a thread is waiting for by Object::Wait struct WaitEventLink {     SyncBlock         *m_WaitSB;	   // 当前对象的 syncblock     CLREvent          *m_EventWait;    // 当前线程的 m_EventWait      PTR_Thread         m_Thread;       // Owner of this WaitEventLink.     PTR_WaitEventLink  m_Next;         // Chain to the next waited SyncBlock.     SLink              m_LinkSB;       // Chain to the next thread waiting on the same SyncBlock.     DWORD              m_RefCount;     // How many times Object::Wait is called on the same SyncBlock. };  

代码里对每一个字段都做了表述,还是非常清楚的,也看到了这里存在两个队列。

  1. m_Next: 当前线程要串联的 SyncBlock 队列,Node 是 WaitEventLink 结构。
  2. m_LinkSB:当前同步块串联的 Thread 队列,Node 是 m_LinkSB 地址。

3. 底层的源码验证

首先我们看下C#的 Monitor.Wait(lockObject) 底层是如何实现的,它对应着 coreclr 的 ObjectNative::WaitTimeout 方法,核心实现如下:

 BOOL SyncBlock::Wait(INT32 timeOut) { 	//步骤1     WaitEventLink* walk = pCurThread->WaitEventLinkForSyncBlock(this);  	//步骤2     CLREvent* hEvent = &(pCurThread->m_EventWait);      waitEventLink.m_WaitSB = this;     waitEventLink.m_EventWait = hEvent;     waitEventLink.m_Thread = pCurThread;     waitEventLink.m_Next = NULL;     waitEventLink.m_LinkSB.m_pNext = NULL;     waitEventLink.m_RefCount = 1;     pWaitEventLink = &waitEventLink;     walk->m_Next = pWaitEventLink;      hEvent->Reset();  	//步骤3     ThreadQueue::EnqueueThread(pWaitEventLink, this);      isEnqueued = TRUE;     PendingSync syncState(walk);      OBJECTREF obj = m_Monitor.GetOwningObject();      m_Monitor.IncrementTransientPrecious();  	//步骤4     syncState.m_EnterCount = LeaveMonitorCompletely();      isTimedOut = pCurThread->Block(timeOut, &syncState);      return !isTimedOut; }  

代码逻辑非常简单,大概步骤如下:

  1. 从当前线程的 m_WaitEventLink 所指向的队列中寻找 SyncBlock 节点,如果没有就返回尾部节点。
  2. 将当前节点拼接到尾部。
  3. 新节点通过 EnqueueThread 方法送入到 m_LinkSB 所指向的队列,这里有一个小技巧,它只存放 WaitEventLink->m_LinkSB 地址,后续会通过 -0x20 来反推 WaitEventLink 结构首地址,从而来获取线程等待事件,参考代码如下:
 inline PTR_WaitEventLink ThreadQueue::WaitEventLinkForLink(PTR_SLink pLink) {     LIMITED_METHOD_CONTRACT;     SUPPORTS_DAC;     return (PTR_WaitEventLink) (((PTR_BYTE) pLink) - offsetof(WaitEventLink, m_LinkSB)); }  
  1. 使用 LeaveMonitorCompletely 方法将 AwareLock 锁给释放掉,从而让等待这个 lock 的线程进入方法,即当前的 Worker2,简化后代码如下:
 LONG LeaveMonitorCompletely() {     return m_Monitor.LeaveCompletely(); }  void Signal() {     m_SemEvent.SetMonitorEvent(); }  void CLREventBase::SetMonitorEvent(){     Set(); }  

总而言之,Monitor.Wait 主要还是用来将Node追加到两大队列,接下来研究下 Monitor.Pulse 的内部实现,这个就比较简单了,无非就是在 m_LinkSB 指向的队列中提取一个Node而已,核心代码如下:

 void SyncBlock::Pulse() {     WaitEventLink* pWaitEventLink;      if ((pWaitEventLink = ThreadQueue::DequeueThread(this)) != NULL)         pWaitEventLink->m_EventWait->Set(); }  // Unlink the head of the Q.  We are always in the SyncBlock's critical // section. /* static */ inline WaitEventLink *ThreadQueue::DequeueThread(SyncBlock *psb) {     WaitEventLink* ret = NULL;     SLink* pLink = psb->m_Link.m_pNext;      if (pLink)     {         psb->m_Link.m_pNext = pLink->m_pNext;         ret = WaitEventLinkForLink(pLink);     }     return ret; }  inline PTR_WaitEventLink ThreadQueue::WaitEventLinkForLink(PTR_SLink pLink) {     return (PTR_WaitEventLink)(((PTR_BYTE)pLink) - offsetof(WaitEventLink, m_LinkSB)); }  class SyncBlock {   protected:     SLink m_Link; }  

上面的代码逻辑还是非常清楚的,从 SyncBlock.m_Link 所串联的 WaitEventLink 队列中提取第一个节点,但这个节点保存的是 WaitEventLink.m_LinkSB 地址,所以需要反向 -0x20 取到 WaitEventLink 首地址,可以用 windbg 来验证一下。

 0:017> dt coreclr!WaitEventLink    +0x000 m_WaitSB         : Ptr64 SyncBlock    +0x008 m_EventWait      : Ptr64 CLREvent    +0x010 m_Thread         : Ptr64 Thread    +0x018 m_Next           : Ptr64 WaitEventLink    +0x020 m_LinkSB         : SLink    +0x028 m_RefCount       : Uint4B  

取到首地址之后就就可以将当前线程的 m_EventWait 唤醒,这就是为什么调用 Monitor.Pulse(lockObject); 之后另一个线程唤醒的内部逻辑,有些朋友好奇那 Monitor.PulseAll 是不是会把这个队列中的所有 Node 上的 m_EventWait 都唤醒呢?哈哈,真聪明,源码如下:

 void SyncBlock::PulseAll() {     WaitEventLink* pWaitEventLink;      while ((pWaitEventLink = ThreadQueue::DequeueThread(this)) != NULL)         pWaitEventLink->m_EventWait->Set(); }  

眼尖的朋友会有一个疑问,这个队列数据提取了,那另一个队列的数据是不是也要相应的改动,这个确实,它的逻辑是在Wait方法的 PendingSync syncState(walk); 析构函数里,感兴趣的朋友可以看一下内部的void Restore(BOOL bRemoveFromSB) 方法即可。

三:总结

花了半天研究这东西还是挺有意思的,重点还是要理解下那张图,理解了之后我相信你对 Monitor.Pluse 方法注释中所指的 waiting queue 会有一个新的体会。

聊一聊 Monitor.Wait 和 Pulse 的底层玩法
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