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2.1.2、pthread_key_create/pthread_key_delete
2.1.3、pthread_setspecific/pthread_getspecific
1、tls的由来
在多程线程序设计中，很多时候对数据进行划分，不同的数据区域交给不同的线程处理，可以避免多线程中竞争访问数据。但是有一个问题得考虑，那就是：各个独立线程在执行函数时（通常是不同线程执行相同的函数，只是他们访问的数据不同），这些函数的中间输出结果能否已是线程独立的呢？如果能完全独立，则多线程之间完全不需要互斥，伸缩性最优。
这个问题有两个解决办法，首先想到的是这些函数的输入和输出全部用参数传递。但它对编程要求很高， 有时这样的设计往往并不是最优的。很多时候函数的中间输出结果需要使用全局变量来保存（当然我们不推荐全局变量满天飞，但在一个模块内的静态全局变量还是常有的），这样就需要加锁保护，效率低下。
在这个场景下，每个线程都希望自己看到的全局变量是自己的，它也不想看到别人的，也不想别人对它有修改，它也不想修改别人的，全局变量也是个形式而已，最终目的是它可以独立拥有一份，linux系统中最典型的应用就是errno的实现。
那么要解决多线程下的高效编程问题，必须对原来的变量模型稍作修改，支持一个额外的属性，那就是变量是多执行单元（线程）共享还是独立拥有一份。
| 何处定义 | 修饰属性 | 多执行单元共享or独享 | 变量类型 | 生命周期 | 可见性 |
|---|---|---|---|---|---|
| 在函数外 | auto | 共享 | 全局变量 | 整个程序 | 全局可见 |
| 在函数外 | auto | 独享 | 全局线程变量 | 整个程序 | 全局可见 |
| 在函数外 | static | 共享 | 全局静态变量 | 整个程序 | 同一.c文件可见 |
| 在函数外 | static | 独享 | 全局静态线程变量 | 整个程序 | 同一.c文件可见 |
| 在函数内 | auto | 独享 | 局部变量 | 只在函数开始执行到结束这段时间 | 函数内 |
| 在函数内 | static | 共享 | 静态局部变量 | 整个程序 | 函数内可见 |
| 在函数内 | static | 独享 | 静态局部线程变量 | 整个程序 | 函数内可见 |
注意，局部变量本来就是线程函数内独享的，所以它没有共享这个属性值，整个程序生命周期的变量都有共享和独享这两个属性值。
如果一个变量需要在线程内部的各个函数调用都能访问、但其它线程不能访问，这就需要新的机制来实现，我们称之为Static memory local to a thread (线程局部静态变量)，同时也可称之为线程特有数据（TSD: Thread-Specific Data）或者线程本地存储（TLS: Thread-Local Storage）。这一类型的数据，在程序中每个线程都会分别维护一份变量的副本(copy)，并且长期存在于该线程中，对此类变量的操作不影响其他线程。如下图：
2、tls的实现方式
Linux下支持两种方式定义和使用TLS变量，具体如下表：
| 定义方式 | 支持层次 | 访问方式 |
|---|---|---|
| __thread关键字 | 语言层面 | 与全局变量完全一样 |
| pthread_key_create函数 | 运行库层面 | pthread_get_specific和pthread_set_specific对线程变量进行映射和读取(通过键值) |
2.1、线程局部数据API
在Linux中提供了如下函数来对线程局部数据进行操作
#include <pthread.h>
int pthread_key_create (pthread_key_t *key, void (*destructor)(void *));
// Returns 0 on success, or a positive error number on error
int pthread_key_delete (pthread_key_t key);
// Returns 0 on success, or a positive error number on error
int pthread_setspecific (pthread_key_t key, const void *value);
// Returns 0 on success, or a positive error number on error
void *pthread_getspecific (pthread_key_t key);
// Returns pointer, or NULL if no thread-specific data is associated with key2.1.1、一次性初始化
在讲解线程特有数据之前，先让我们来了解一下一次性初始化。多线程程序有时有这样的需求：不管创建多少个线程，有些数据的初始化只能发生一次。列如：在C++、java等程序中某个类在整个进程的生命周期内只能存在一个实例对象，在多线程的情况下，为了能让该对象能够安全的初始化，一次性初始化机制就显得尤为重要了。——在设计模式中这种实现常常被称之为单例模式（Singleton）。Linux中提供了如下函数来实现一次性初始化：
#include <pthread.h>
int pthread_once(pthread_once_t *once_control,void (*init_routine)(void));
pthread_once_t once_control = PTHREAD_ONCE_INIT;
Upon successful completion, pthread_once() shall return zero; otherwise, an error number shall be returned to indicate the error.
利用参数 once_control 的状态，函数pthread_once()可以确保无论有多少个线程调用多少次该函数，也只会执行一次由init_routine 所指向的由调用者定义的函数。init_routine 所指向的函数没有任何参数，形式如下：
void init_routine(void){
// some variables initializtion in here
}注意：参数 once_control 必须是 pthread_once_t 类型变量的指针，指向初始化为 PTHRAD_ONCE_INIT 的静态变量。
2.1.2、pthread_key_create/pthread_key_delete
函数pthread_key_create()为线程局部数据创建一个新键，并通过key指向新创建的键缓冲区。因为所有线程都可以使用返回的键，所以参数key可以是一个全局变量（在C++多线程编程中一般不使用全局变量，而是使用单独的类对线程局部数据进行封装，每个变量使用一个独立的pthread_key_t）。destructor 所指向的是一个自定义的函数 destructor_func，其格式如下：
void destructor_func(void *value)
{
.....
free(value);
}只要线程终止时与key关联的值不为NULL，则 destructor 所指的函数将会自动被调用。如果一个线程中有多个线程局部存储变量，那么对各个变量所对应的destructor函数的调用顺序是不确定的，因此，每个变量的destructor函数的设计应该相互独立。
函数pthread_key_delete()并不检查当前是否有线程正在使用该线程局部数据变量，也不会调用清理函数destructor，而只是将其释放以供下一次调用pthread_key_create()使用。在Linux线程中，它还会将与之相关的线程数据项设置为NULL。
由于系统对每个进程中 pthread_key_t 类型的个数是有限制的，所以进程中并不能创建无限个的 pthread_key_t 变量。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键。Linux中默认是1024个键，这对于大多数程序来说已经足够了。如果一个线程中有多个线程局部存储变量，通常可以将这些变量封装到一个数据结构中，然后使封装后的数据结构与一个线程局部变量相关联，这样就能减少对键值的使用。
2.1.3、pthread_setspecific/pthread_getspecific
线程本地数据存储采用一键多值的技术，即一个键对应多个值。访问数据时都是通过键值来访问，表面上看上去好像是对同一个变量进行访问，但是实际上访问的是不同的数据空间，即每一个线程的私有空间数据。具体实现：当线程中需要存储特殊值的时候，可以调用pthread_setspcific()。该函数有两个参数，第一个为前面声明的pthread_key_t变量，第二个为void*变量即value，这样你可以存储任何类型的值。线程调用该接口系统就会将 键值key、线程信息、变量value三者映射起来。参数 value 通常指向由调用者（线程）分配的一块内存，当线程终止时，会将该指针作为参数传递给与 key 相关联的 destructor 函数。当线程被创建时，会将所有的线程局部存储变量即value初始化为 NULL，因此第一次使用此类变量前必须先调用 pthread_getspecific()函数来确认value是否已经于对应的 key 相关联 ？ 如果没有，则该接口返回NULL，此时需要为value分配内存且调用pthread_setspecific()将value、key、线程信息三者相关联起来；是否发现key已经存在关联的value，则直接返回value指针。
注意：
- 假设各个线程value值并非自己分配的内存而是由主线程传过来的相同指针、或者是静态区地址，那么此处的value就并非线程所私有了，还是属于共享数据。pthread_setspecific接口仅仅是做一个键值、地址的映射操作而已。
- 参数value的值也可以不是一个指向调用者分配的内存区域，而是任何可以强制转换为void*的变量值，在这种情况下，先前的pthread_key_create()函数应将参数，destructor设置为NULL，因为当线程结束时我们不需要调用free将其释放，由系统自行调用默认析构函数进行处理。
函数pthread_getspecific()正好与pthread_setspecific()相反，其是通过键值key作为参数，将pthread_setspecific()设置的value取出。在使用取出的值前最好是将void*转换成原始数据类型的指针。
2.1.4、深入理解tls机制
1、深入理解线程局部存储的实现有助于对其API的使用。在典型的实现中包含以下数组：
- 一个全局（进程级别）的数组，用于存放线程局部存储的键值信息
pthread_key_create()返回的pthread_key_t类型值只是对全局数组的索引，该全局数组标记为pthread_keys，其格式大概如下：
数组的每个元素都是一个包含两个字段的结构，第一个字段标记该数组元素是否在用，第二个字段用于存放针对此键、线程局部存储变的解构函数的一个副本，即destructor函数。
- 每个线程还包含一个数组，存有为每个线程分配的线程特有数据块的指针（通过调用pthread_setspecific()函数来存储的指针，即参数中的value）
2、在常见的存储pthread_setspecific()函数参数value的实现中，大多数都类似于下图的实现。图中假设pthread_keys[1]分配给func1()函数，pthread API为每个函数维护指向线程局部存储数据块的一个指针数组，其中每个数组元素都与图线程局部数据键的实现(上图)中的全局pthread_keys中元素一一对应。
2.1.5、代码演练
采用键值映射指针的方式实现线程变量的场景有很多，最著名的莫过于errno的实现，即每一个线程均有一份自己的errno，因此errno不会被其它线程，导致出现的系统错误能够被正确识别。实现代码，参见：《再次认识 errno之线程安全》
2.2、__thread关键字
在Linux中还有一种更为高效的线程局部存储方法，就是使用关键字__thread来定义变量。__thread是GCC内置的线程局部存储设施（Thread-Local Storage），它的实现非常高效，与pthread_key_t向比较更为快速，其存储性能可以与全局变量相媲美，而且使用方式也更为简单。创建线程局部变量只需简单的在全局或者静态变量的声明中加入__thread说明即可。列如：
static __thread char t_buf[32] = {'\0'};
extern __thread int t_val = 0;凡是带有__thread的变量，每个线程都拥有该变量的一份拷贝，且互不干扰。线程局部存储中的变量将一直存在，直至线程终止，当线程终止时会自动释放这一存储。
2.2.1、代码演练
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include <pthread.h>
__thread int var = 0; // var定义为线程变量，每个数线拥有一份
void* task_entry(void* arg);
int main(){
pthread_t pid1,pid2;
pthread_create(&pid1,NULL,task_entry,(void *)1);
pthread_create(&pid2,NULL,task_entry,(void *)2);
pthread_join(pid1,NULL);
pthread_join(pid2,NULL);
return 0;
}
void* task_entry(void* arg){
int idx = (int)arg;
int i;
for (i = 0; i < 5; ++i) {
printf("thread:%d var = %d\n", idx, var += idx); // 每个线程只访问自己独享的那份
sleep(1);
}
} 执行结果：
[root@localhost tls]# ./thread_local_storage
thread:1 var = 1
thread:2 var = 2
thread:2 var = 4
thread:1 var = 2
thread:2 var = 6
thread:1 var = 3
thread:2 var = 8
thread:1 var = 4
thread:2 var = 10
thread:1 var = 5
[root@localhost tls]#