讀 dotnet 原始碼 為何 Thread.Sleep 半毫秒和一毫秒等待時間差距如此之大

lindexi發表於2024-08-27
原始碼thread

本文記錄我讀 dotnet 的原始碼瞭解到為什麼呼叫 Thread.Sleep 的時候，傳入的是不足一毫秒，如半毫秒時或 0.99 毫秒，與傳入是一毫秒時，兩者的等待時間差距非常大

大概如下的程式碼，分別進行兩次傳入給 Thread.Sleep 不同等待時間的迴圈測試。其中一次傳入的是 0.99 毫秒，一次傳入的是 1 毫秒

using System.Diagnostics;

var stopwatch = Stopwatch.StartNew();

for (int i = 0; i < 1000; i++)
{
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromMilliseconds(0.99));
}

stopwatch.Stop();

Console.WriteLine($"耗時：{stopwatch.ElapsedMilliseconds}ms");

stopwatch.Restart();
for (int i = 0; i < 1000; i++)
{
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromMilliseconds(1));
}
Console.WriteLine($"耗時：{stopwatch.ElapsedMilliseconds}ms");

在我的裝置上執行的輸出內容如下

耗時：0ms
耗時：15665ms

透過如上程式碼可以看到傳入 0.99 毫秒時，居然接近統計不出來其耗時

而傳入 1 毫秒時，由於在 Windows 下的最低 Thread.Sleep 時間大概在 15-16毫秒 左右，於是差不多是 15 秒左右的時間，這是符合預期的。即寫入 Thread.Sleep(TimeSpan.FromMilliseconds(1)); 也可能差不多等待 15 毫秒的量程時間

那為什麼 0.99 毫秒和 1 毫秒只差大概 0.1 毫秒的時間，卻在等待過程中有如此長的時間差距

透過閱讀 dotnet 的原始碼，可以看到 Thread.Sleep 的實現程式碼大概如下

namespace System.Threading
{
    public sealed partial class Thread
    {
        ... // 忽略其他程式碼
        public static void Sleep(TimeSpan timeout) => Sleep(WaitHandle.ToTimeoutMilliseconds(timeout));
    }
}

namespace System.Threading
{
    public abstract partial class WaitHandle : MarshalByRefObject, IDisposable
    {
        internal static int ToTimeoutMilliseconds(TimeSpan timeout)
        {
            long timeoutMilliseconds = (long)timeout.TotalMilliseconds;
             ... // 忽略其他程式碼
            return (int)timeoutMilliseconds;
        }
        ... // 忽略其他程式碼
    }
}

透過以上可以可見，這是直接將 TotalMilliseconds 強行轉換為 int 型別，換句話說就是不到 1 毫秒的，都會被轉換為 0 毫秒的值

於是即使是 0.99 毫秒，在這裡的轉換之下，依然會返回 0 毫秒回去

而 Thread.Sleep 底層裡面專門為傳入 0 毫秒做了特殊處理，將會進入自旋邏輯。大家都知道，進入自旋時，自旋的速度是非常快的

以上的 Thread.Sleep(TimeSpan.FromMilliseconds(0.99)); 程式碼和 Thread.Sleep(0) 在執行上等價的，意味著第一次只執行了一千次自旋，自然就幾乎測試不出來耗時了

在 Windows 下的 Thread.Sleep 底層程式碼是寫在 Thread.Windows.cs 程式碼裡的，實現如下

namespace System.Threading
{
    public sealed partial class Thread
    {
        internal static void UninterruptibleSleep0() => Interop.Kernel32.Sleep(0);

#if !CORECLR
        private static void SleepInternal(int millisecondsTimeout)
        {
            Debug.Assert(millisecondsTimeout >= -1);
            Interop.Kernel32.Sleep((uint)millisecondsTimeout);
        }
#endif

        ... // 忽略其他程式碼
    }
}

如上面程式碼，底層為 Kernel32 的 Sleep 函式，如官方文件所述，傳入 0 是特殊的實現邏輯

If you specify 0 milliseconds, the thread will relinquish the remainder of its time slice but remain ready.

因此如果在 Thread.Sleep 方法裡面傳入的 TimeSpan 不足一毫秒，那就和傳入 0 毫秒是相同的執行邏輯

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