pthread_getspecific 线程局部存储

最新推荐文章于 2024-02-03 22:41:31 发布

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本文详细介绍了线程局部存储（TLS）的概念及其重要性。探讨了TLS如何解决多线程环境中线程间共享变量带来的问题，并提供了Linux和Win32平台下TLS使用的示例代码。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

为什么要有TLS？原因在于，进程中的全局变量与函数内定义的静态(static)变量，是各个线程都可以访问的共享变量。在一个线程修改的内存内容，对所有线程都生效。这是一个优点也是一个缺点。说它是优点，线程的数据交换变得非常快捷。说它是缺点，一个线程死掉了，其它线程也性命不保; 多个线程访问共享数据，需要昂贵的同步开销，也容易造成同步相关的BUG。

　　如果需要在一个线程内部的各个函数调用都能访问、但其它线程不能访问的变量（被称为static memory local to a thread 线程局部静态变量），就需要新的机制来实现。这就是TLS。

　　线程局部存储在不同的平台有不同的实现，可移植性不太好。幸好要实现线程局部存储并不难，最简单的办法就是建立一个全局表，通过当前线程ID去查询相应的数据，因为各个线程的ID不同，查到的数据自然也不同了。

　　大多数平台都提供了线程局部存储的方法，无需要我们自己去实现：

　　linux:

　　int pthread_key_create(pthread_key_t *key, void (*destructor)(void*));

　　int pthread_key_delete(pthread_key_t key);

　　void *pthread_getspecific(pthread_key_t key);

　　int pthread_setspecific(pthread_key_t key, const void *value);

　　Win32

　　方法一：每个线程创建时系统给它分配一个LPVOID指针的数组（叫做TLS数组），这个数组从C编程角度是隐藏着的不能直接访问，需要通过一些C API函数调用访问。首先定义一些DWORD线程全局变量或函数静态变量,准备作为各个线程访问自己的TLS数组的索引变量。一个线程使用TLS时，第一步在线程内调用TlsAlloc()函数，为一个TLS数组索引变量与这个线程的TLS数组的某个槽(slot）关联起来，例如获得一个索引变量：

　　global_dwTLSindex=TLSAlloc();

　　注意，此步之后，当前线程实际上访问的是这个TLS数组索引变量的线程内的拷贝版本。也就说，不同线程虽然看起来用的是同名的TLS数组索引变量，但实际上各个线程得到的可能是不同DWORD值。其意义在于，每个使用TLS的线程获得了一个DWORD类型的线程局部静态变量作为TLS数组的索引变量。C/C++原本没有直接定义线程局部静态变量的机制，所以在如此大费周折。

　　第二步，为当前线程动态分配一块内存区域（使用LocalAlloc()函数调用），然后把指向这块内存区域的指针放入TLS数组相应的槽中(使用TlsValue()函数调用)。

　　第三步，在当前线程的任何函数内，都可以通过TLS数组的索引变量，使用TlsGetValue()函数得到上一步的那块内存区域的指针，然后就可以进行内存区域的读写操作了。这就实现了在一个线程内部这个范围处处可访问的变量。

　　最后，如果不再需要上述线程局部静态变量，要动态释放掉这块内存区域(使用LocalFree()函数)，然后从TLS数组中放弃对应的槽(使用TlsFree()函数）。

在多线程程序中，经常要用全局变量来实现多个函数间的数据共享。由于数据空间是共享的，因此全局变量也为所有进程共有。但有时应用程序设计中必要提供线程私有的全局变量，这个变量仅在线程中有效，但却可以跨过多个函数访问。

比如在程序里可能需要每个线程维护一个链表，而会使用相同的函数来操作这个链表，最简单的方法就是使用同名而不同变量地址的线程相关数据结构。这样的数据结构可以由 Posix 线程库维护，成为线程私有数据 (Thread-specific Data，或称为 TSD)。

这里主要测试和线程私有数据有关的 4 个函数：

pthread_key_create();
pthread_key_delete();

pthread_getspecific();
pthread_setspecific();

程序代码：

#include
#include
#include
pthread_key_t key;
struct test_struct {
int i;
float k;
};
void * child1 ( void * arg)
{
struct test_struct struct_data;
struct_data . i = 10;
struct_data . k = 3.1415;
pthread_setspecific ( key , & struct_data);
printf ( "结构体struct_data的地址为 0x%p \n " , &( struct_data));
printf ( "child1 中 pthread_getspecific(key)返回的指针为:0x%p \n " , ( struct test_struct *) pthread_getspecific( key));
printf ( "利用 pthread_getspecific(key)打印 child1 线程中与key关联的结构体中成员值: \n struct_data.i:%d \n struct_data.k: %f \n " , (( struct test_struct *) pthread_getspecific ( key)) -> i , (( struct test_struct *) pthread_getspecific( key)) -> k);
printf ( "------------------------------------------------------ \n ");
}
void * child2 ( void * arg)
{
int temp = 20;
sleep ( 2);
printf ( "child2 中变量 temp 的地址为 0x%p \n " , & temp);
pthread_setspecific ( key , & temp);
printf ( "child2 中 pthread_getspecific(key)返回的指针为:0x%p \n " , ( int *) pthread_getspecific( key));
printf ( "利用 pthread_getspecific(key)打印 child2 线程中与key关联的整型变量temp 值:%d \n " , *(( int *) pthread_getspecific( key)));
}
int main ( void)
{
pthread_t tid1 , tid2;
pthread_key_create ( & key , NULL);
pthread_create ( & tid1 , NULL , ( void *) child1 , NULL);
pthread_create ( & tid2 , NULL , ( void *) child2 , NULL);
pthread_join ( tid1 , NULL);
pthread_join ( tid2 , NULL);
pthread_key_delete ( key);
return ( 0);
}

运行与输出：

./pthread_key
结构体struct_data的地址为 0x0xb7699388
child1 中 pthread_getspecific(key)返回的指针为:0x0xb7699388
利用 pthread_getspecific(key)打印 child1 线程中与key关联的结构体中成员值:
struct_data.i:10
struct_data.k: 3.141500
------------------------------------------------------
child2 中变量 temp 的地址为 0x0xb6e9838c
child2 中 pthread_getspecific(key)返回的指针为:0x0xb6e9838c

由输出可见，pthread_getspecific() 返回的是与key 相关联数据的指针。需要注意的是，在利用这个返回的指针时，它首先是 void 类型的，它虽然指向关联的数据地址处，但并不知道指向的数据类型，所以在具体使用时，要对其进行强制类型转换。
其次，两个线程对自己的私有数据操作是互相不影响的。也就是说哦，虽然 key 是同名且全局，但访问的内存空间并不是相同的一个。key 就像是一个数据管理员，线程的私有数据只是到他那去注册，让它知道你这个数据的存在。