pthread_getspecific 线程局部存储

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。

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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。

### 线程局部存储(TLS)的概念 线程局部存储(Thread Local Storage, TLS)是一种用于多线程编程的技术,允许每个线程拥有其独立的数据副本[^1]。通过这种方式,不同线程之间的数据互不干扰,从而避免了因共享资源而导致的竞争条件或同步问题。 --- ### 线程局部存储的实现方式 #### 1. **C++中的`thread_local`关键字** 在现代C++标准中,`thread_local`是一个专门用来声明线程局部变量的关键字。它确保每个线程都有该变量的一个独立实例。需要注意的是,`thread_local`修饰的变量不能定义在函数体内部,而是必须作为全局变量或静态变量存在[^1]。 示例代码如下: ```cpp #include <iostream> #include <thread> thread_local int tls_variable = 0; void threadFunc(int id) { tls_variable = id; std::cout << "Thread ID: " << std::this_thread::get_id() << ", Value: " << tls_variable << std::endl; } int main() { std::thread t1(threadFunc, 1); std::thread t2(threadFunc, 2); t1.join(); t2.join(); return 0; } ``` 上述代码展示了两个线程分别设置并读取各自的 `tls_variable` 值,彼此之间不会发生冲突[^1]。 --- #### 2. **静态TLS与动态TLS** - **静态TLS** 当程序启动时,如果使用了静态分配的TLS变量,则这些变量的内存空间会在主线程运行之前预先保留出来[^2]。访问这类变量通常非常高效,因为它们可以通过固定的寄存器偏移地址快速定位,例如利用 `fs` 或 `gs` 寄存器完成寻址。 - **动态TLS** 相比之下,动态TLS并不依赖于预分配的空间,而是在运行时按需分配所需的内存区域。这种方法更加灵活,但也可能导致性能开销增加,尤其是在频繁创建和销毁线程的情况下[^2]。 --- #### 3. **Linux下的实现细节** 在Linux平台上,POSIX线程库提供了对TLS的支持,主要依靠以下几个API: - `pthread_key_create`: 创建一个新的键值。 - `pthread_setspecific`: 将特定值绑定到某个键上。 - `pthread_getspecific`: 获取当前线程与指定键关联的值。 - `pthread_key_delete`: 销毁不再使用的键值。 以下是基于POSIX API的一段简单例子: ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <pthread.h> static pthread_key_t key; void destructor(void* value) { free(value); // 自动清理资源 } void* thread_func(void* arg) { char* data = (char*)malloc(100); snprintf(data, 100, "Data from Thread %ld", (long)arg); pthread_setspecific(key, data); // 设置线程私有的数据 printf("%s\n", (char*)pthread_getspecific(key)); // 访问线程私有数据 return NULL; } int main() { pthread_key_create(&key, destructor); // 注册析构函数 pthread_t threads[2]; for (size_t i = 0; i < 2; ++i) { pthread_create(&threads[i], NULL, thread_func, (void*)(intptr_t)i); } for (size_t i = 0; i < 2; ++i) { pthread_join(threads[i], NULL); } pthread_key_delete(key); // 删除键 return 0; } ``` 这段代码演示了如何通过POSIX接口管理线程局部存储,并且还设置了自动释放资源的功能[^3]。 --- #### 4. **Windows平台上的TLS** Windows也有一套类似的API来处理TLS,主要包括以下四个核心函数:`TlsAlloc`, `TlsFree`, `TlsSetValue`, 和 `TlsGetValue`。不过值得注意的是,这套接口不具备跨平台特性,同时也缺乏像POSIX那样方便的自动释放机制以及一次性初始化功能[^3]。 --- ### 使用场景分析 TLS非常适合那些需要在线程间保持独立状态的应用场合,比如: - 数据缓冲区管理; - 日志记录系统的上下文信息维护; - 高效缓存设计等。 由于TLS能够有效减少锁竞争带来的额外负担,在高性能计算领域尤其受到青睐[^1]。 --- ###
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