技术标签： 线程私有数据 线程本地存储 聊聊glibc TSD TLS 变量模型
从本篇开始进入另一个话题：线程本地存储（Thread Local Storage），在介绍这个概念前先说说变量和多线程的相关知识。
在单线程模型下，变量定义有两个维度，那就是在何处定义，以及它的修饰属性（static, extern，auto,register等）。extern属性表示声明一个变量 ，与定义无关，在此不作讨论；而register是将变量优化成寄存器里面，不作讨论。与变量定义相关的修饰属性就只有auto和static了。这两个维度可以得到变量的类型，以及它们的行为。评价一个变量的行为，通过常是从可见性和
生命周期两方面评定的，下面将变量的“何处定义”和“修饰属性”，得出“变量类型”以及从“可见性”和“生命周期”列出一个完整的表格，如下：
| 何处定义 | 修饰属性 | 变量类型 | 生命周期 | 可见性 |
|---|---|---|---|---|
| 在函数外 | auto | 全局变量 | 整个程序 | 全局可见 |
| 在函数外 | static | 全局静态变量 | 整个程序 | 同一.c文件可见 |
| 在函数内 | auto | 局部变量 | 函数开始执行到结束这段时间 | 函数内可见 |
| 在函数内 | static | 静态局部变量 | 整个程序 | 函数内可见 |
对于静态局部变量会有这样的疑问，它只能在函数内使用，为什么它的生命周期是全局的？其实它与局部变量是不一样的，局部变量在函数开始执行时，才创建出来的，在函数执行结束时，它就消失了，不存在了。而静态局部变量，在函数没有执行时，它就已经在存在了，这就是为什么说它是整个程序的生命周期。当函数执行结束之后，它仍然存在，下次再执行该函数时，它是基于之前执行后的结果，开始执行的。所以它的行为与全局变量是一样的，不同之外是只能在函数内才能对它进行访问。
在单线程编程下面，这一切都协调得很好。因为整个进程只有一个执行单元，何任时刻只有一个执行代码（或者函数）在访问同一变量。
然而在多线程模式下，这一切都发生了变化。在多线程模式下面，同时出现多个执行单元，也即同一个函数会同时在多个执行单元中运行
提起多线程，几乎都想起应用加锁进行保护数据，但这不是充分必要的。
局量变量（生命周期在函数内的）是不受多线程影响，因为每个线程栈是独立的，多个线程同时执行该函数，访问局变部变量都是每线程一份的，不会产生数据竞争（race）。
但对于生命周期为整个程序的全局变量、全局静态变量和静态局部变量就不是那么一回事了。多线程下出现多个执行单元同时访问该变量，会出现数据竞争。在这种情况下，必须使用加锁进行数据保护，才能保证程序逻辑的正确性。
提起加锁，直觉反应就是将部分代码又回到串行执行的时代，如果加锁很频繁，那整个进程能并发执行的代码比例并不高，使用多线程带来的加速比并不高，最重要的是无法根据处理器个数来动态伸缩。
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。
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。
写到这里，TLS的定义就不言而喻。TLS全称为Thread Local Storage，即线程本地存储。在单线程模式下，所有整个程序生命周期的变量都是只有一份，那是因为只是一个执行单元；而在多线程模式下，有些变量需要支持每个线程独享一份的功能。这种每线程独享的变量放到每个线程专有的存储区域，所以称为线程本地存储（Thread Local Storage）或者线程私有数据（Thread Specific Data）。
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对线程变量进行读写 |
应用语言支持的__thread关键字是最简单的，只须在定义变量时增加一个__thread关键字，后续对该变量的访问方式完全保持不变，所以这个是语言级别上的支持，属于隐式支持。_thread关键字是gcc对C语言的扩展，不是C语言标准定义的，当然Windows下的Visual Stdio也使用另一个关键字做扩展。
下面使用简单的例子说明__thread关键字的用法，以及实际的效果。
__thread int var = 0; // var定义为线程变量，每个数线拥有一份
void* worker(void* arg);
int main(){
pthread_t pid1,pid2;
pthread_create(&pid1,NULL,worker,(void *)0);
pthread_create(&pid2,NULL,worker,(void *)1);
pthread_join(pid1,NULL);
pthread_join(pid2,NULL);
return 0;
}
void* worker(void* arg){
int idx = (int)arg;
int i;
for (i = 0; i < 100; ++i) {
printf("thread:%d ++var = %d\n", idx, ++var); // 每个线程只访问自己独享的那份
}
}
使用pthread_key_create/pthread_get_specific/pthread_set_specific函数创建和使用的线程变量，在后面的会作相应的介绍，我们暂时不作讨论。
后面文章中，我们使用线程变量这一术语表示每线程独享一份的变量，而使用TLS述语来表示对这一类变量存储属性的统称。
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