多線程之線程局部存儲
一 線程局部存儲 （TLS）
來自：http://msdn2.microsoft.com/en-us/library/ms686749.aspx
同一進(jìn)程中的所有線程共享相同的虛擬地址空間。不同的線程中的局部變量有不同的副本，但是static和globl變量是同一進(jìn)程中的所有線程共享的。使用TLS技術(shù)可以為static和globl的變量，根據(jù)當(dāng)前進(jìn)程的線程數(shù)量創(chuàng)建一個array，每個線程可以通過array的index來訪問對應(yīng)的變量，這樣也就保證了static和global的變量為每一個線程都創(chuàng)建不同的副本。
二 線程局部存儲（TLS）實現(xiàn)使用
1）TLS 的 API 實現(xiàn)
通過 Win32 API 層和編譯器實現(xiàn)“線程本地存儲”。有關(guān)詳細(xì)信息，請參見 Win32 API 文檔中的 TlsAlloc、TlsGetValue、TlsSetValue 和 TlsFree。 （下面的代碼對msdn的稍加修改）
#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#define THREADCOUNT 10
DWORD dwTlsIndex;
static int g_x = 100; // test static var for multiple threading
VOID ErrorExit(LPSTR);
VOID CommonFunc(VOID)
{
LPVOID lpvData;
// Retrieve a data pointer for the current thread.
lpvData = TlsGetValue(dwTlsIndex);
if ((lpvData == 0) && (GetLastError() != ERROR_SUCCESS))
ErrorExit("TlsGetValue error");
int *pg_x = (int*)lpvData;
// Use the data stored for the current thread.
printf("thread %d: g_x adress=%lx,g_x copy ++ = %d\n", GetCurrentThreadId(), pg_x, *pg_x);
Sleep(1000);
}
DWORD WINAPI ThreadFunc(VOID)
{
LPVOID lpvData;
// Initialize the TLS index for this thread.
lpvData = (LPVOID) LocalAlloc(LPTR, 256);
//*(int*)lpvData = g_x;
int *pg_x = (int*)lpvData;
*pg_x = g_x;
if (! TlsSetValue(dwTlsIndex, lpvData))
ErrorExit("TlsSetValue error");
printf("thread %d: g_x adress=%lx,g_x copy = %d\n", GetCurrentThreadId(), pg_x, *pg_x);
InterlockedExchangeAdd(reinterpret_cast<long*>(pg_x),1);
CommonFunc();
// Release the dynamic memory before the thread returns.
lpvData = TlsGetValue(dwTlsIndex);
if (lpvData != 0)
LocalFree((HLOCAL) lpvData);
return 0;
}
int main(VOID)
{
DWORD IDThread;
HANDLE hThread[THREADCOUNT];
int i;
printf("main thread: g_x is :%d\n",g_x);
// Allocate a TLS index.
if ((dwTlsIndex = TlsAlloc()) == TLS_OUT_OF_INDEXES)
ErrorExit("TlsAlloc failed");
//test for multiple static or global var
int dwTlsIndex2 = TlsAlloc();
// Create multiple threads.
for (i = 0; i < THREADCOUNT; i++)
{
hThread[i] = CreateThread(NULL, // default security attributes
0, // use default stack size
(LPTHREAD_START_ROUTINE) ThreadFunc, // thread function
NULL, // no thread function argument
0, // use default creation flags
&IDThread); // returns thread identifier
// Check the return value for success.
if (hThread[i] == NULL)
ErrorExit("CreateThread error\n");
}
for (i = 0; i < THREADCOUNT; i++)
WaitForSingleObject(hThread[i], INFINITE);
TlsFree(dwTlsIndex);
printf("main thread: g_x is :%d\n",g_x);
return 0;
}
VOID ErrorExit (LPSTR lpszMessage)
{
fprintf(stderr, "%s\n", lpszMessage);
ExitProcess(0);
}運(yùn)行結(jié)果：（可以看出不同的線程中的g_x變量有不同的地址，即有不同的拷貝，主線程變量在開始和最后都不被改變。）
PS: （TLS的實現(xiàn)原理與API解釋）
1：在多線程的進(jìn)程中，為每一個static或是global變量創(chuàng)建一個void*的數(shù)組，使變量不同線程都有一個拷貝，然后拷貝的指針放入Void*的數(shù)組中。
2：TlsAlloc() 得到對應(yīng)于一個static或global變量所對應(yīng)的void*的數(shù)組的索引，這個用來標(biāo)示不同static或global變量所對應(yīng)的void*的數(shù)組。
3：LocalAlloc（）用來分配變量在此線程的拷貝的指針。
4：TlsSetValue（）用來把剛分配的指針加到所對應(yīng)的void*的數(shù)組中，加入后一般對會對此指針賦值供此線程使用。
5：TlsGetValue（）用來從對應(yīng)的void*的數(shù)組中找到此線程所對應(yīng)的拷貝的指針。
6: TlsFree() 釋放整個void*的指針數(shù)組。
2）TLS 的編譯器實現(xiàn)
為了支持 TLS，已將新屬性 thread 添加到了 C 和 C++ 語言，并由 Visual C++ 編譯器支持。使用 __declspec 關(guān)鍵字聲明 thread 變量。例如，以下代碼聲明了一個整數(shù)線程局部變量，并用一個值對其進(jìn)行初始化：
__declspec( thread ) int tls_i = 1;
下面的代碼使用了VC提供的__declspec關(guān)鍵字來實現(xiàn)TLS，如果不使用TLS，全局變量g_x則在線程中輸出的結(jié)果都是1，2，3，4.。。。但是如果使用TLS則在線程中輸出的結(jié)果都是1，編譯器幫我們保證了每個線程都有一個副本。 我們還可以看到主線程在開始和最后輸出的g_x都是0，這也更說明了在線程有不同的副本。
#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#define THREADCOUNT 10
DWORD dwTlsIndex;
//static int g_x = 0;
#define Thread __declspec(thread)
Thread static int g_x = 0;
VOID ErrorExit(LPSTR);
DWORD WINAPI ThreadFunc(VOID)
{
InterlockedExchangeAdd(reinterpret_cast<long*>(&g_x),1); //g_x+=1;
printf("thread id: %d, g_x++ = %d, g_x adress = %d\n",GetCurrentThreadId(),g_x,&g_x);
return 1;
}
int main(VOID)
{
DWORD IDThread;
HANDLE hThread[THREADCOUNT];
int i;
printf("main thread: g_x = %d, g_x adress = %d\n",g_x,&g_x);
// Create multiple threads.
for (i = 0; i < THREADCOUNT; i++)
{
hThread[i] = CreateThread(NULL, // default security attributes
0, // use default stack size
(LPTHREAD_START_ROUTINE) ThreadFunc, // thread function
NULL, // no thread function argument
0, // use default creation flags
&IDThread); // returns thread identifier
// Check the return value for success.
if (hThread[i] == NULL)
ErrorExit("CreateThread error\n");
}
for (i = 0; i < THREADCOUNT; i++)
WaitForSingleObject(hThread[i], INFINITE);
printf("main thread: g_x = %d, g_x adress = %d\n",g_x,&g_x);
return 0;
}
VOID ErrorExit (LPSTR lpszMessage)
{
fprintf(stderr, "%s\n", lpszMessage);
ExitProcess(0);
運(yùn)行結(jié)果：
三 使用VC關(guān)鍵字實現(xiàn)TLS需要注意：
聲明靜態(tài)綁定線程的本地對象和變量時必須遵守下列原則：
- thread 屬性只能應(yīng)用于數(shù)據(jù)聲明和定義。它不能用于函數(shù)聲明或定義。例如，以下代碼將生成一個編譯器錯誤：
#define Thread __declspec( thread )
Thread void func(); // This will generate an error.
- 只能在具有 static 作用域的數(shù)據(jù)項上指定 thread 修飾符。包括全局?jǐn)?shù)據(jù)對象（包括 static 和 extern）、本地靜態(tài)對象和 C++ 類的靜態(tài)數(shù)據(jù)成員。不可以用 thread 屬性聲明自動數(shù)據(jù)對象。以下代碼將生成編譯器錯誤：
#define Thread __declspec( thread )
void func1()
{
Thread int tls_i; // This will generate an error.
}
int func2( Thread int tls_i ) // This will generate an error.
{
return tls_i;
}
- 線程本地對象的聲明和定義必須全都指定 thread 屬性。例如，以下代碼將生成錯誤：
#define Thread __declspec( thread )
extern int tls_i; // This will generate an error, since the
int Thread tls_i; // declaration and definition differ.
- thread 屬性不能用作類型修飾符。例如，以下代碼將生成一個編譯器錯誤：
char __declspec( thread ) *ch; // Error
- C++ 類不能使用 thread 屬性。但是，可以使用 thread 屬性將 C++ 類對象實例化。例如，以下代碼將生成一個編譯器錯誤：
#define Thread __declspec( thread )
class Thread C // Error: classes cannot be declared Thread.
{
// Code
};
C CObject;
因為允許使用 thread 屬性的 C++ 對象的聲明，因此下面兩個示例在語義上是等效的：
#define Thread __declspec( thread )
Thread class B
{
// Code
} BObject; // OK--BObject is declared thread local.
class B
{
// Code
};
Thread B BObject; // OK--BObject is declared thread local.
- 不將線程本地對象的地址視為常數(shù)，并且涉及此類地址的任何表達(dá)式都不視為常數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn) C 中，這種作法的效果是禁止將線程本地變量的地址用作對象或指針的初始值設(shè)定項。例如，C 編譯器將以下代碼標(biāo)記為錯誤：
#define Thread __declspec( thread )
Thread int tls_i;
int *p = &tls_i; //This will generate an error in C.
但是，此限制不適用于 C++。因為 C++ 允許動態(tài)初始化所有對象，因此可以用使用線程本地變量地址的表達(dá)式初始化對象。實現(xiàn)此操作的方式與實現(xiàn)線程本地對象結(jié)構(gòu)的方式相同。例如，以上顯示的代碼在作為 C++ 源文件編譯時不會生成錯誤。請注意：只有在其中獲取地址的線程仍然存在的情況下，線程本地變量的地址才有效。
- 標(biāo)準(zhǔn) C 允許使用涉及引用自身的表達(dá)式初始化對象或變量，但只適用于非靜態(tài)作用域的對象。雖然 C++ 通常允許使用涉及引用自身的表達(dá)式動態(tài)初始化對象，但是這種類型的初始化不允許用于線程本地對象。例如：
#define Thread __declspec( thread )
Thread int tls_i = tls_i; // Error in C and C++
int j = j; // OK in C++, error in C
Thread int tls_i = sizeof( tls_i ) // Legal in C and C++
請注意：包含正在初始化的對象的 sizeof 表達(dá)式不建立對自身的引用且在 C 和 C++ 中都是合法的。
C++ 不允許此類對線程數(shù)據(jù)的動態(tài)初始化，因為將來可能要對線程本地存儲功能進(jìn)行增強(qiáng)。
- 如果 DLL 將任何非本地數(shù)據(jù)或?qū)ο舐暶鳛?__declspec（線程），動態(tài)加載該 DLL 時會導(dǎo)致保護(hù)錯誤。使用 LoadLibrary 加載所有 DLL 后，每當(dāng)代碼引用非本地 __declspec（線程）數(shù)據(jù)時，將導(dǎo)致系統(tǒng)故障。由于線程的全局變量空間是在運(yùn)行時分配的，因此此空間的大小是以應(yīng)用程序的需求和所有靜態(tài)鏈接的 DLL 的需求相加為基礎(chǔ)計算出來的。使用 LoadLibrary 時，無法擴(kuò)展此空間以允許放置用 __declspec（線程）聲明的線程本地變量。如果 DLL 可能是用 LoadLibrary 加載的，請在 DLL 中使用 TLS API（如 TlsAlloc）來分配 TLS。
四 DLL使用TLS ：http://msdn2.microsoft.com/en-us/library/ms686997.aspx