线程特有数据(Thread Specific Data)

在单线程程序中,我们经常要使用全局变量来实现多个函数间共享数据。在多线程环境下,由于数据空间是共享的,因此全局变量也为所有线程所共有。但有时在应用程序设计中有必要提供线程私有的全局变量,仅在某个线程中有效,但可以跨多个函数访问,这样每个线程访问它自己独立的数据空间,而不用担心和其它线程的同步访问。

比如:在程序中每个线程都使用同一个指针索引一个链表,并在多个函数内通过指针对链表进行操作,但是每个线程通过指针索引的链表都是自己独有的数据。

线程特有数据(Thread Specific Data)

这样在一个线程内部的各个函数都能访问、但其它线程不能访问的变量,我们就需要使用线程局部静态变量(Static memory local to a thread) 同时也可称之为线程特有数据(Thread-Specific Data 或 TSD),或者线程局部存储(Thread-Local Storage 或 TLS)。

POSIX 线程库提供了如下 API 来管理线程特有数据(TSD):

1. 创建 key

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

第一参数 key 指向 pthread_key_t 的对象的指针。请注意这里 pthread_key_t 的对象占用的空间是用户事先分配好的,pthread_key_create 不会动态生成 pthread_key_t 对象。
第二参数 desctructor,如果这个参数不为空,那么当每个线程结束时,系统将调用这个函数来释放绑定在这个键上的内存块。

2. 动态数据初始化

有时我们在线程里初始化时,需要避免重复初始化。我们希望一个线程里只调用 pthread_key_create 一次,这时就要使用 pthread_once与它配合。

int pthread_once(pthread_once_t *once_control, void (*init_routine)(void));

第一个参数 once_control 指向一个 pthread_once_t 对象,这个对象必须是常量 PTHREAD_ONCE_INIT,否则 pthread_once 函数会出现不可预料的结果。
第二个参数 init_routine,是调用的初始化函数,不能有参数,不能有返回值。
如果成功则返回0,失败返回非0值。

3. 键与线程数据关联

创建完键后,必须将其与线程数据关联起来。关联后也可以获得某一键对应的线程数据。关联键和数据使用的函数为:

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

第一参数 key 指向键。
第二参数 value 是欲关联的数据。
函数成功则返回0,失败返回非0值。

注意:pthread_setspecific 为一个键指定新的线程数据时,并不会主动调用析构函数释放之前的内存,所以调用线程必须自己释放原有的线程数据以回收内存。

4. 获取键管理的线程数据

获取与某一个键关联的数据使用函数的函数为:

void *pthread_getspecific(pthread_key_t *key);

参数 key 指向键。
如果有与此键对应的数据,则函数返回该数据,否则返回NULL。

5. 删除一个键

删除一个键使用的函数为:

int pthread_key_delete(pthread_key_t key);

参数 key 为要删除的键。
成功则返回0,失败返回非0值。

注意:该函数将键设置为可用,以供下一次调用 pthread_key_create() 使用。它并不检查当前是否有线程正在使用该键对应的线程数据,所以它并不会触发函数 pthread_key_create 中定义的 destructor 函数,也就不会释放该键关联的线程数据所占用的内存资源,而且在将 key 设置为可用后,在线程退出时也不会再调用析构函数。所以在将 key 设置为可用之前,必须要确定:

  1. 所有线程已经析构 key 对应的线程变量(要么显示析构,要么线程退出);
  2. 不再使用该 key。 这两个条件一般难以确定,所以实际使用时一般也不会将一个 key 设置为可用.

线程特有数据(TSD)的实现

在 Linux 中每个进程有一个全局的数组 __pthread_keys,数组中存放着 称为 key 的结构体,定义类似如下:

struct pthread_key_struct {
    uintptr_t seq;
    void (*destructor)(void*);
} __pthread_keys[PTHREAD_KEYS_MAX];
__pthread_keys 数组.png

key 结构中 seq 为一个序列号,用来作为使用标志指示这个结构在数组中是否正在使用,初始化时被设为0,即表示不在使用destructor 用来存放一个析构函数指针。

如果 destructor 不为空,在线程退出时,将 key 对应的 TSD 作为参数调用析构函数,以释放分配的缓存区。

pthread_create_key 会从数组中找到一个还未使用的 key 元素,将其序列号 seq 加1,并记录析构函数地址,并将 key 在数组 __pthread_keys 中的下标作为返回值返回。那么如何判断一个 key 正在使用呢?

#define KEY_UNUSED(seq) (((seq) & 1) == 0)

如果 key 的序列号 seq 为偶数则表示未分配,分配时将 seq 加1变成奇数,即表示正在使用。这个操作过程采用原子 CAS 来完成,以保证线程安全。在 pthread_key_delete() 时也将序列号 seq 加1,表示可以再被使用,通过序列号机制来保证回收的 key 不会被复用(复用 key 可能会导致线程在退出时可能会调用错误的析构函数)。但是一直加1会导致序列号回绕,还是会复用 key,所以调用 pthread_create_key 获取可用的 key 时会检查是否有回绕风险,如果有则创建失败。

#define KEY_USABLE(seq) (((uintptr_t)(seq)) < ((uintptr_t) ((seq) + 2)))

除了进程范围内的 key 结构数组外,系统还在进程中维护关于每个线程的控制块 TCB(用于管理寄存器,线程栈等),里面有一个 pthread_key_data 类型的数组。这个数组中的元素数量和进程中的 key 数组数量相等。pthread_key_data 的定义类似如下:

struct pthread_key_data {
    uintptr_t seq;
    void* data;
};
线程的控制块 TCB

根据 pthread_key_create() 返回的可用的 key__pthread_keys 数组中的下标, pthread_setspecific()pthread_key_data 的数组 中定位相同下标的一个元素 pthread_key_data,并设置其序号 seq 设置为对应的 key 的序列号,数据指针 data 指向设置线程特有数据(TSD)的值。

pthread_getspecific() 用于将 pthread_setspecific() 设置的 data 取出。

实现线程局部数据的结构图

线程退出时,pthread_key_data 中的序号 seq 用于判断该 key 是否仍在使用中(即与在 __pthread_keys 中的同一个下标对应的 key 的序列号 seq 是否相同),若是则将 pthread_key_data 中 data(即 线程特有数据 TSD)作为参数调用析构函数。

pthread_key_delete 函数会将 key 的序列号 seq 加1,变成奇数(奇数表示该 key 可用),可能会使 key 的 seq 和 pthread_key_data 中的序号 seq 不相等,导致 pthread_key_data 中的线程私有数据无法释放。所有在通过 pthread_key_delete 释放一个 key 时,要保证线程特有数据已经释放。

由于系统在每个进程中 pthread_key_t 类型的数量是有限的,所有在进程中并不能获取无限个 pthread_key_t 类型。Linux 中可以通过 PTHREAD_KEY_MAX(定义于 limits.h 文件中)或者系统调用 sysconf(_SC_THREAD_KEYS_MAX) 来确定当前系统最多支持多少个 key。 Linux 中默认是 1024 个 key,这对大多数程序来书已经够了。如果一个线程中有多个线程局部存储变量(TLS),通常可以将这些变量封装到一个数据结构中,然后使用封装后的数据结构和一个线程局部变量相关联,这样就能减少对键值的使用。

参考

https://blog.csdn.net/hustraiet/article/details/9857919
https://blog.csdn.net/hustraiet/article/details/9857919
https://blog.csdn.net/caigen1988/article/details/7901248
http://www.bidutools.com/?p=2443
https://spockwangs.github.io/blog/2017/12/01/thread-local-storage/
https://www.jianshu.com/p/71c2f80d7bd1
https://blog.csdn.net/cywosp/article/details/26469435
http://www.embeddedlinux.org.cn/emblinuxappdev/117.htm

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