2001 年 10 月 01 日

這是一個(gè)關(guān)于Posix線(xiàn)程編程的專(zhuān)欄。作者在闡明概念的基礎(chǔ)上，將向您詳細(xì)講述Posix線(xiàn)程庫(kù)API。本文是第二篇將向您講述線(xiàn)程的私有數(shù)據(jù)。

概念及作用

在單線(xiàn)程程序中，我們經(jīng)常要用到"全局變量"以實(shí)現(xiàn)多個(gè)函數(shù)間共享數(shù)據(jù)。在多線(xiàn)程環(huán)境下，由于數(shù)據(jù)空間是共享的，因此全局變量也為所有線(xiàn)程所共有。但有時(shí)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中有必要提供線(xiàn)程私有的全局變量，僅在某個(gè)線(xiàn)程中有效，但卻可以跨多個(gè)函數(shù)訪(fǎng)問(wèn)，比如程序可能需要每個(gè)線(xiàn)程維護(hù)一個(gè)鏈表，而使用相同的函數(shù)操作，最簡(jiǎn)單的辦法就是使用同名而不同變量地址的線(xiàn)程相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以由Posix線(xiàn)程庫(kù)維護(hù)，稱(chēng)為線(xiàn)程私有數(shù)據(jù)（Thread-specific Data，或TSD）。

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創(chuàng)建和注銷(xiāo)

Posix定義了兩個(gè)API分別用來(lái)創(chuàng)建和注銷(xiāo)TSD：

int pthread_key_create(pthread_key_t *key, void (*destr_function) (void *))

該函數(shù)從TSD池中分配一項(xiàng)，將其值賦給key供以后訪(fǎng)問(wèn)使用。如果destr_function不為空，在線(xiàn)程退出（pthread_exit()）時(shí)將以key所關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)為參數(shù)調(diào)用destr_function()，以釋放分配的緩沖區(qū)。

不論哪個(gè)線(xiàn)程調(diào)用pthread_key_create()，所創(chuàng)建的key都是所有線(xiàn)程可訪(fǎng)問(wèn)的，但各個(gè)線(xiàn)程可根據(jù)自己的需要往key中填入不同的值，這就相當(dāng)于提供了一個(gè)同名而不同值的全局變量。在LinuxThreads的實(shí)現(xiàn)中，TSD池用一個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)組表示：

static struct pthread_key_struct pthread_keys[PTHREAD_KEYS_MAX] = { { 0, NULL } };

創(chuàng)建一個(gè)TSD就相當(dāng)于將結(jié)構(gòu)數(shù)組中的某一項(xiàng)設(shè)置為"in_use"，并將其索引返回給*key，然后設(shè)置destructor函數(shù)為destr_function。

注銷(xiāo)一個(gè)TSD采用如下API：

int pthread_key_delete(pthread_key_t key)

這個(gè)函數(shù)并不檢查當(dāng)前是否有線(xiàn)程正使用該TSD，也不會(huì)調(diào)用清理函數(shù)（destr_function），而只是將TSD釋放以供下一次調(diào)用pthread_key_create()使用。在LinuxThreads中，它還會(huì)將與之相關(guān)的線(xiàn)程數(shù)據(jù)項(xiàng)設(shè)為NULL（見(jiàn)"訪(fǎng)問(wèn)"）。

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訪(fǎng)問(wèn)

TSD的讀寫(xiě)都通過(guò)專(zhuān)門(mén)的Posix Thread函數(shù)進(jìn)行，其API定義如下：

int  pthread_setspecific(pthread_key_t  key,  const   void  *pointer)
            void * pthread_getspecific(pthread_key_t key)
            

寫(xiě)入（pthread_setspecific()）時(shí)，將pointer的值（不是所指的內(nèi)容）與key相關(guān)聯(lián)，而相應(yīng)的讀出函數(shù)則將與key相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)讀出來(lái)。數(shù)據(jù)類(lèi)型都設(shè)為void *，因此可以指向任何類(lèi)型的數(shù)據(jù)。

在LinuxThreads中，使用了一個(gè)位于線(xiàn)程描述結(jié)構(gòu)（_pthread_descr_struct）中的二維void *指針數(shù)組來(lái)存放與key關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，數(shù)組大小由以下幾個(gè)宏來(lái)說(shuō)明：

#define PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE       32
            #define PTHREAD_KEY_1STLEVEL_SIZE               ((PTHREAD_KEYS_MAX + PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE - 1)
            / PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE)
            其中在/usr/include/bits/local_lim.h中定義了PTHREAD_KEYS_MAX為1024，因此一維數(shù)組大小為32。而具體存放的位置由key值經(jīng)過(guò)以下計(jì)算得到：
            idx1st = key / PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE
            idx2nd = key % PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE

也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)存放與一個(gè)32×32的稀疏矩陣中。同樣，訪(fǎng)問(wèn)的時(shí)候也由key值經(jīng)過(guò)類(lèi)似計(jì)算得到數(shù)據(jù)所在位置索引，再取出其中內(nèi)容返回。

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使用范例

以下這個(gè)例子沒(méi)有什么實(shí)際意義，只是說(shuō)明如何使用，以及能夠使用這一機(jī)制達(dá)到存儲(chǔ)線(xiàn)程私有數(shù)據(jù)的目的。

#include <stdio.h>
            #include <pthread.h>
            pthread_key_t   key;
            void echomsg(int t)
            {
            printf("destructor excuted in thread %d,param=%d\n",pthread_self(),t);
            }
            void * child1(void *arg)
            {
            int tid=pthread_self();
            printf("thread %d enter\n",tid);
            pthread_setspecific(key,(void *)tid);
            sleep(2);
            printf("thread %d returns %d\n",tid,pthread_getspecific(key));
            sleep(5);
            }
            void * child2(void *arg)
            {
            int tid=pthread_self();
            printf("thread %d enter\n",tid);
            pthread_setspecific(key,(void *)tid);
            sleep(1);
            printf("thread %d returns %d\n",tid,pthread_getspecific(key));
            sleep(5);
            }
            int main(void)
            {
            int tid1,tid2;
            printf("hello\n");
            pthread_key_create(&key,echomsg);
            pthread_create(&tid1,NULL,child1,NULL);
            pthread_create(&tid2,NULL,child2,NULL);
            sleep(10);
            pthread_key_delete(key);
            printf("main thread exit\n");
            return 0;
            }

給例程創(chuàng)建兩個(gè)線(xiàn)程分別設(shè)置同一個(gè)線(xiàn)程私有數(shù)據(jù)為自己的線(xiàn)程ID，為了檢驗(yàn)其私有性，程序錯(cuò)開(kāi)了兩個(gè)線(xiàn)程私有數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和讀出的時(shí)間，從程序運(yùn)行結(jié)果可以看出，兩個(gè)線(xiàn)程對(duì)TSD的修改互不干擾。同時(shí)，當(dāng)線(xiàn)程退出時(shí)，清理函數(shù)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行，參數(shù)為tid。