揭秘 Task.Wait

Posted on by hackdl

目录
  • 简介
  • 背后的实现
  • Task.Wait 的两个阶段

    • SpinWait 阶段
    • BlockingWait 阶段
  • Task.Wait 可能会导致的问题

    • 可能会导致线程池饥饿
    • 可能会导致死锁
  • .NET 6 对 Task.Wait 的优化
  • 总结

简介

Task.Wait 是 Task 的一个实例方法，用于等待 Task 完成，如果 Task 未完成，会阻塞当前线程。

非必要情况下，不建议使用 Task.Wait，而应该使用 await。

本文将基于 .NET 6 的源码来分析 Task.Wait 的实现，其他版本的实现也是类似的。

var task = Task.Run(() =>
{
    Thread.Sleep(1000);
    return "Hello World";
});

var sw = Stopwatch.StartNew();
Console.WriteLine("Before Wait");
task.Wait();
Console.WriteLine("After Wait: {0}ms", sw.ElapsedMilliseconds);

Console.WriteLine("Result: {0}， Elapsed={1}ms", task.Result, sw.ElapsedMilliseconds);

输出：

Before Wait
After Wait: 1002ms
Result: Hello World， Elapsed=1002ms

可以看到，task.Wait 阻塞了当前线程，直到 task 完成。

其效果等效于：

  1. task.Result （仅限于 Task）

  2. task.GetAwaiter().GetResult()

task.Wait 共有 5 个重载

public class Task : Task
{
}

public class Task
{
    // 1. 无参数，无返回值，阻塞当前线程至 task 完成
    public void Wait()
    {
        Wait(Timeout.Infinite, default);
    }

    // 2. 无参数，有返回值，阻塞当前线程至 task 完成或 超时
    // 如果超时后 task 仍未完成，返回 False，否则返回 True
    public bool Wait(TimeSpan timeout)
    {
        return Wait((int)timeout.TotalMilliseconds, default);
    }

    // 3. 和 2 一样，只是参数类型不同
    public bool Wait(int millisecondsTimeout)
    {
        return Wait(millisecondsTimeout, default);
    }

    // 4. 无参数，无返回值，阻塞当前线程至 task 完成或 cancellationToken 被取消
    // cancellationToken 被取消时抛出 OperationCanceledException
    public void Wait(CancellationToken cancellationToken)
    {
        Wait(Timeout.Infinite, cancellationToken);
    }

    // 5. 无参数，有返回值，阻塞当前线程至 task 完成或 超时 或 cancellationToken 被取消
    // 如果超时后 task 仍未完成，返回 False，否则返回 True
    // cancellationToken 被取消时抛出 OperationCanceledException
    public bool Wait(int millisecondsTimeout, CancellationToken cancellationToken)
    {
        ThrowIfContinuationIsNotNull();
        return InternalWaitCore(millisecondsTimeout, cancellationToken);
    }
}

下面是一个使用 bool Wait(int millisecondsTimeout) 的例子：

var task = Task.Run(() =>
{
    Thread.Sleep(1000);
    return "Hello World";
});

var sw = Stopwatch.StartNew();
Console.WriteLine("Before Wait");
bool completed = task.Wait(millisecondsTimeout: 200);
Console.WriteLine("After Wait: completed={0}, Elapsed={1}", completed, sw.ElapsedMilliseconds);

Console.WriteLine("Result: {0}， Elapsed={1}", task.Result, sw.ElapsedMilliseconds);

输出：

Before Wait
After Wait: completed=False, Elapsed=230
Result: Hello World， Elapsed=1001

因为指定的 millisecondsTimeout 不足以等待 task 完成，所以 task.Wait 返回 False，继续执行后续代码。

但是，task.Result 仍然会阻塞当前线程，直到 task 完成。

关联的方法还有 Task.WaitAll 和 Task.WaitAny。同样也是非必要情况下，不建议使用。

背后的实现

task.Wait、task.Result、task.GetAwaiter().GetResult() 这三者背后的实现其实是一样的，都是调用了 Task.InternalWaitCore 这个实例方法。

借助 Rider 的类库 debug 功能，来给大家展示一下这三种方法的调用栈。

Task RunTask()
{
    return Task.Run(() =>
    {
        Thread.Sleep(1000);
        return "Hello World!";
    });
}

var task1 = RunTask();
task1.Wait();

var task2 = RunTask();
task2.GetAwaiter().GetResult();

var task3 = RunTask();
_ = task3.Result;

Task.InternalWaitCore 是 Task 的一个私有实例方法。

https://github.com/dotnet/runtime/blob/c76ac565499f3e7c657126d46c00b67a0d74832c/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/Tasks/Task.cs#L2883

public class Task
{
    internal bool InternalWait(int millisecondsTimeout, CancellationToken cancellationToken) =>
        InternalWaitCore(millisecondsTimeout, cancellationToken);

    private bool InternalWaitCore(int millisecondsTimeout, CancellationToken cancellationToken)
    {
        // 如果 Task 已经完成，直接返回 true
        bool returnValue = IsCompleted;
        if (returnValue)
        {
            return true;
        }

        // 如果调用的是 Task.Wait 的无参重载方法，且Task 已经完成或者在内联执行后完成，直接返回 true，不会阻塞 Task.Wait 的调用线程。
        // WrappedTryRunInline 的意思是尝试在捕获的 TaskScheduler 中以内联的方式执行 Task，此处不展开
        if (millisecondsTimeout == Timeout.Infinite && !cancellationToken.CanBeCanceled &&
            WrappedTryRunInline() && IsCompleted) 
        {
            returnValue = true;
        }
        else
        {
            // Task 未完成，调用 SpinThenBlockingWait 方法，阻塞当前线程，直到 Task 完成或超时或 cancellationToken 被取消
            returnValue = SpinThenBlockingWait(millisecondsTimeout, cancellationToken);
        }

        return returnValue;
    }

    private bool SpinThenBlockingWait(int millisecondsTimeout, CancellationToken cancellationToken)
    {
        bool infiniteWait = millisecondsTimeout == Timeout.Infinite;
        uint startTimeTicks = infiniteWait ? 0 : (uint)Environment.TickCount;
        bool returnValue = SpinWait(millisecondsTimeout);
        if (!returnValue)
        {
            var mres = new SetOnInvokeMres();
            try
            {
                // 将 mres 作为 Task 的 Continuation，当 Task 完成时，会调用 mres.Set() 方法
                AddCompletionAction(mres, addBeforeOthers: true);
                if (infiniteWait)
                {
                    bool notifyWhenUnblocked = ThreadPool.NotifyThreadBlocked();
                    try
                    {
                        // 没有指定超时时间，阻塞当前线程，直到 Task 完成或 cancellationToken 被取消
                        returnValue = mres.Wait(Timeout.Infinite, cancellationToken);
                    }
                    finally
                    {
                        if (notifyWhenUnblocked)
                        {
                            ThreadPool.NotifyThreadUnblocked();
                        }
                    }
                }
                else
                {
                    uint elapsedTimeTicks = ((uint)Environment.TickCount) - startTimeTicks;
                    if (elapsedTimeTicks  false;
    }
}

Task.Wait 的两个阶段

SpinWait 阶段

用户态锁，不能维持很长时间的等待。线程在等待锁的释放时忙等待，不会进入休眠状态，从而避免了线程切换的开销。它在自旋等待期间会持续占用CPU时间片，如果自旋等待时间过长，会浪费CPU资源。

BlockingWait 阶段

内核态锁，在内核态实现的锁机制。当线程无法获得锁时，会进入内核态并进入休眠状态，将CPU资源让给其他线程。线程在内核态休眠期间不会占用CPU时间片，从而避免了持续的忙等待。当锁可用时，内核会唤醒休眠的线程并将其调度到CPU上执行。

BlockingWait 阶段 主要借助 SetOnInvokeMres 实现， SetOnInvokeMres 继承自 ManualResetEventSlim。
它会阻塞调用线程直到 Task 完成 或 超时 或 cancellationToken 被取消。

当前线程，Task 完成时，SetOnInvokeMres.Set() 方法会被当做 Task 的回调被调用从而解除阻塞。

Task.Wait 可能会导致的问题

到目前为止，我们已经了解到 Task.Wait 阻塞当前线程等待 Task 完成的原理，但是我们还是没有回答最开始的问题：为什么不建议使用 Task.Wait。

可能会导致线程池饥饿

线程池饥饿是指线程池中的可用线程数量不足，无法执行任务的现象。

在 ThreadPool 的设计中，如果已经创建的线程达到了一定数量，就算有新的任务需要执行，也不会立即创建新的线程（每 500ms 才会检查一次是否需要创建新的线程）。

更详细的介绍可以参考我的另一篇文章：https://www.cnblogs.com/eventhorizon/p/15316955.html#3-避免饥饿机制starvation-avoidance

如果我们在一个 ThreadPool 线程中调用 Task.Wait，而 Task.Wait 又阻塞了这个线程，无法执行其他任务，这样就会导致线程池中的可用线程数量不足，从而阻塞了任务的执行。

可能会导致死锁

除此之外 Task.Wait 也可能会导致死锁，这里就不展开了。具体可以参考：https://www.cnblogs.com/eventhorizon/p/15912383.html#同步上下文synchronizationcontext导致的死锁问题与-taskconfigureawaitcontinueoncapturedcontextfalse

.NET 6 对 Task.Wait 的优化

细心的同学会注意到 SpinThenBlockingWait 的 BlockingWait 阶段，会调用 ThreadPool.NotifyThreadBlocked() 方法，这个方法会通知线程池当前线程被阻塞了，新的线程会被立即创建出来。

但这也不代表 Task.Wait 就可以放心使用了，ThreadPool 中的线程被大量阻塞，就算借助 ThreadPool.NotifyThreadBlocked() 能让新任务继续执行，但这会导致线程频繁的创建和销毁，导致性能下降。

总结

  1. Task.Wait 对调用线程的阻塞分为两个阶段：SpinWait 阶段 和 BlockingWait 阶段。如果 Task 完成较快，就可以在性能较好的 SpinWait 阶段完成等待。

  2. 滥用 Task.Wait 会导致线程池饥饿或死锁。

  3. .NET 6 对 Task.Wait 进行了优化，如果 Task.Wait 阻塞了 ThreadPool 中的线程，会立即创建新的线程，避免了线程池中的可用线程数量不足的问题。但是这也会导致线程频繁的创建和销毁，导致性能下降。

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总结

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