面试题：C# TPL任务调度与资源管理深度剖析

1. 任务调度器（TaskScheduler）工作原理

基本概念：任务调度器负责将任务（Task）映射到可用的线程上执行。TPL提供了默认的任务调度器（TaskScheduler.Default），它基于线程池工作。
线程池机制：默认调度器从线程池中获取线程来执行任务。线程池维护了一组线程，当有任务需要执行时，调度器从线程池中取出一个空闲线程来运行任务。任务执行完毕后，线程返回线程池等待下一个任务。
排队策略：任务被提交到调度器后，会进入一个队列等待调度。调度器根据一定的策略从队列中选择任务执行。默认情况下，调度器采用工作窃取算法，允许线程在自身队列空闲时，从其他忙碌线程的队列尾部窃取任务执行，以提高整体效率。

2. 定制任务调度器方法

继承TaskScheduler类：要定制任务调度器，需要继承TaskScheduler抽象类，并实现以下关键方法：
- protected override void QueueTask(Task task)：将任务加入调度队列。
- protected override bool TryExecuteTaskInline(Task task, bool taskWasPreviouslyQueued)：尝试在当前线程内执行任务，通常用于优化短任务。
- protected override IEnumerable<Task> GetScheduledTasks()：返回当前调度器中已调度的任务集合，用于调试和监控。
示例代码：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

public class CustomTaskScheduler : TaskScheduler
{
    private readonly LinkedList<Task> tasks = new LinkedList<Task>();
    private readonly int concurrencyLevel;
    private readonly CancellationToken cancellationToken;
    private int activeTasks = 0;

    public CustomTaskScheduler(int concurrencyLevel, CancellationToken cancellationToken)
    {
        this.concurrencyLevel = concurrencyLevel;
        this.cancellationToken = cancellationToken;
    }

    protected override void QueueTask(Task task)
    {
        lock (tasks)
        {
            tasks.AddLast(task);
            if (activeTasks < concurrencyLevel)
            {
                activeTasks++;
                NotifyThreadPoolOfPendingWork();
            }
        }
    }

    private void NotifyThreadPoolOfPendingWork()
    {
        ThreadPool.UnsafeQueueUserWorkItem(_ =>
        {
            while (true)
            {
                Task? task = null;
                lock (tasks)
                {
                    if (tasks.Count == 0 || cancellationToken.IsCancellationRequested)
                    {
                        activeTasks--;
                        break;
                    }
                    task = tasks.First.Value;
                    tasks.RemoveFirst();
                }
                TryExecuteTask(task);
            }
        }, null);
    }

    protected override bool TryExecuteTaskInline(Task task, bool taskWasPreviouslyQueued)
    {
        if (TaskScheduler.Current == this && Task.CurrentId.HasValue)
        {
            return TryExecuteTask(task);
        }
        return false;
    }

    protected override IEnumerable<Task> GetScheduledTasks()
    {
        lock (tasks)
        {
            return tasks.ToList();
        }
    }

    public override int MaximumConcurrencyLevel => concurrencyLevel;
}

3. 优化资源利用、避免线程饥饿及确保关键任务执行

优先级队列：在定制调度器中，可以使用优先级队列来管理任务。例如，使用PriorityQueue<Task, int>，其中int表示任务优先级。高优先级任务在队列头部，优先被调度执行。
资源分配策略：对于不同资源需求的任务，可以根据任务属性（如内存需求、CPU密集程度等）进行分类。例如，为CPU密集型任务和I/O密集型任务分别分配不同数量的线程，以充分利用系统资源。
公平调度：为了避免线程饥饿，调度器可以采用公平调度算法。例如，使用时间片轮转算法，每个任务执行一段固定时间后，调度器将其放回队列尾部，确保所有任务都有机会执行。
关键任务处理：对于关键任务，可以设置更高的优先级，并在调度策略中优先处理。例如，在QueueTask方法中，当检测到关键任务时，将其插入到队列头部，确保其尽快执行。

4. 可能面临的挑战及应对策略

复杂性增加：定制调度器会增加代码的复杂性，使维护和调试变得困难。应对策略是编写详细的文档，对调度器的行为和关键算法进行说明，同时使用单元测试和集成测试确保调度器功能正确。
性能开销：定制调度器可能引入额外的性能开销，如队列操作、优先级计算等。可以通过优化数据结构和算法来减少开销，例如使用高效的优先级队列实现，减少锁的竞争。
兼容性问题：定制调度器可能与现有TPL功能不兼容。在开发过程中，要充分测试调度器与其他TPL组件（如Parallel类、Task.WhenAll等）的兼容性，确保整个并行应用程序正常工作。

面试题：C# TPL任务调度与资源管理深度剖析

知识考点

面试题答案

1. 任务调度器（TaskScheduler）工作原理

2. 定制任务调度器方法

3. 优化资源利用、避免线程饥饿及确保关键任务执行

4. 可能面临的挑战及应对策略