线程局部存储: gcc __thread与c++11 thread_local 关键字

Posted 2021-06-22 vector6_

线程局部存储 ：

Thread Local Storage
线程局部存储(tls)是一种机制,通过这一机制分配的变量,每个当前线程有一个该变量的实例.

gcc __thread关键字

gcc用于实现tls的运行时模型最初来自于IA-64处理器的ABI,但以后被用到其它处理器上。它需要链接器（ld），动态连接器（ld.so)和系统库（libc.so,libpthread.so)的全力支持.因此它不是到处可用的。

在用户层，用一个新的存储类型关键字：__thread表示这一扩展。例如：

__thread int i;

extern __thread struct state s;

static __thread char *p;

__thread限定符(specifier)可以单独使用，也可带有extern或static限定符，但不能带有其它存储类型的限定符。

__thread可用于全局的静态文件作用域，静态函数作用域或一个类中的静态数据成员。不能用于块作用域，自动或非静态数据成员。

当应用address-of操作符于一个线程局部存储变量时，它被在运行时求值，返回该变量当前线程实例的地址。这样得到的地址可以被其它任何线程使用。当一个线程终止时，任何该线程中的线程局部存储变量都不再有效。静态初始化不会涉及到任何线程局部存储变量的地址。

在c++中，如果一个线程局部存储变量有一个初始化器，它必须是常量表达式。

#include <pthread.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>

//线程局部存储key
__thread int g_mydata = 99;

void* thread_function1(void* args)
{
    while (true)
    {
        g_mydata ++;
    }

    return NULL;
} 

void* thread_function2(void* args)
{
    while (true)
    {        
        std::cout << "g_mydata = " << g_mydata << ", ThreadID: " << pthread_self() << std::endl;
        sleep(1);
    }

    return NULL;
} 

int main()
{
    pthread_t threadIDs[2];    
    pthread_create(&threadIDs[0], NULL, thread_function1, NULL);
    pthread_create(&threadIDs[1], NULL, thread_function2, NULL);

    for(int i = 0; i < 2; ++i)
    {
        pthread_join(threadIDs[i], NULL);
    }

    return 0;
}

[root@localhost testmultithread]# g++ -g -o linuxtls2 linuxtls2.cpp -lpthread
[root@localhost testmultithread]# ./linuxtls2
g_mydata = 99, ThreadID: 140243186276096
g_mydata = 99, ThreadID: 140243186276096
g_mydata = 99, ThreadID: 140243186276096
g_mydata = 99, ThreadID: 140243186276096
g_mydata = 99, ThreadID: 140243186276096
g_mydata = 99, ThreadID: 140243186276096
g_mydata = 99, ThreadID: 140243186276096
g_mydata = 99, ThreadID: 140243186276096
g_mydata = 99, ThreadID: 140243186276096
g_mydata = 99, ThreadID: 140243186276096
g_mydata = 99, ThreadID: 140243186276096

上面简单的事例中，可以看到通过__thread 修饰的变量，在线程中地址都不一样，__thread变量每一个线程有一份独立实体，各个线程的值互不干扰。由于 thread_function1 修改的是自己的 g_mydata，因此 thread_function2 输出 g_mydata 的值始终是 99。

C++ 11 的 thread_local 关键字

C++ 11 标准提供了一个新的关键字 thread_local 来定义一个线程变量。使用方法如下：

thread_local int g_mydata = 1;

有了这个关键字，使用线程局部存储的代码同时在 Windows 和 Linux 运行了。示例如下：

#include <thread>
#include <chrono>
#include <iostream>

thread_local int g_mydata = 1;

void thread_func1()
{
    while (true)
    {
        ++g_mydata;
    }
}

void thread_func2()
{
    while (true)
    {
        std::cout << "g_mydata = " << g_mydata << ", ThreadID = " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    }
}

int main()
{
    std::thread t1(thread_func1);
    std::thread t2(thread_func2);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

对于线程局部存储变量，另外需要注意：

• 对于线程变量，每个线程都会有该变量的一个拷贝，并行不悖，互不干扰。该局部变量一直都在，直到线程退出为止。
• 系统的线程局部存储区域内存空间并不大，所以尽量不要利用这个空间存储大的数据块，如果不得不使用大的数据块，可以将大的数据块存储在堆内存中，再将该堆内存的地址指针存储在线程局部存储区域。