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C 语言线程局部存储

在多线程编程中，线程局部存储（Thread Local Storage, TLS）是一种允许每个线程拥有自己独立变量的机制。这些变量对于每个线程来说是私有的，其他线程无法访问或修改它们。TLS 在多线程环境中非常有用，尤其是在需要为每个线程维护独立状态的情况下。

什么是线程局部存储？​

线程局部存储是一种存储类，它允许每个线程拥有自己的变量实例。这意味着，即使多个线程共享同一个全局变量，每个线程也会有自己的副本，互不干扰。TLS 通常用于存储线程特定的数据，例如线程 ID、线程局部缓存或线程特定的配置。

在 C 语言中，线程局部存储可以通过 _Thread_local 关键字或 thread_local 宏（C11 标准引入）来实现。

如何使用线程局部存储？​

1. 使用 _Thread_local 关键字​

在 C11 标准中，_Thread_local 关键字用于声明线程局部变量。以下是一个简单的示例：

c
#include <stdio.h>
#include <threads.h>

_Thread_local int thread_local_var = 0;

void print_thread_local_var() {
    printf("Thread ID: %ld, thread_local_var: %d\n", thrd_current(), thread_local_var);
}

int thread_func(void *arg) {
    thread_local_var = *(int *)arg;
    print_thread_local_var();
    return 0;
}

int main() {
    thrd_t thread1, thread2;
    int arg1 = 10, arg2 = 20;

    thrd_create(&thread1, thread_func, &arg1);
    thrd_create(&thread2, thread_func, &arg2);

    thrd_join(thread1, NULL);
    thrd_join(thread2, NULL);

    return 0;
}

输出：

Thread ID: 1, thread_local_var: 10
Thread ID: 2, thread_local_var: 20

在这个示例中，thread_local_var 是一个线程局部变量。每个线程都有自己的 thread_local_var 副本，因此即使两个线程同时修改这个变量，它们也不会互相影响。

2. 使用 thread_local 宏​

thread_local 是 C11 标准中定义的宏，用于简化线程局部变量的声明。它与 _Thread_local 关键字的功能相同。

c
#include <stdio.h>
#include <threads.h>

thread_local int thread_local_var = 0;

void print_thread_local_var() {
    printf("Thread ID: %ld, thread_local_var: %d\n", thrd_current(), thread_local_var);
}

int thread_func(void *arg) {
    thread_local_var = *(int *)arg;
    print_thread_local_var();
    return 0;
}

int main() {
    thrd_t thread1, thread2;
    int arg1 = 10, arg2 = 20;

    thrd_create(&thread1, thread_func, &arg1);
    thrd_create(&thread2, thread_func, &arg2);

    thrd_join(thread1, NULL);
    thrd_join(thread2, NULL);

    return 0;
}

输出：

Thread ID: 1, thread_local_var: 10
Thread ID: 2, thread_local_var: 20

实际应用场景​

线程局部存储在以下场景中非常有用：

  1. 线程特定的日志记录：每个线程可以有自己的日志文件或日志缓冲区，避免多个线程同时写入同一个日志文件导致的竞争条件。
  2. 线程局部缓存：每个线程可以维护自己的缓存，避免频繁的全局锁竞争。
  3. 线程特定的配置：每个线程可以根据自己的需求加载不同的配置，而不影响其他线程。

总结​

线程局部存储（TLS）是 C 语言中用于实现线程间数据隔离的重要机制。通过使用 _Thread_local 关键字或 thread_local 宏，我们可以轻松地为每个线程创建独立的变量实例。TLS 在多线程编程中非常有用，尤其是在需要为每个线程维护独立状态的场景中。

附加资源与练习​

  • 练习 1：修改上面的代码，使每个线程在运行时动态分配内存，并将该内存地址存储在线程局部变量中。确保每个线程释放自己分配的内存。
  • 练习 2：尝试在多线程环境中使用线程局部存储来实现一个简单的线程池，每个线程维护自己的任务队列。
提示

如果你想深入了解线程局部存储的实现原理，可以查阅 C11 标准文档或相关操作系统的手册，了解 TLS 在底层是如何实现的。