从上下文切换谈thread_local工作原理

thread_local是什么

熟悉多线程编程的小伙伴一定对thread_local不陌生，thread_local 是 C++11 引入的一种存储类说明符，用于定义每个线程都有其独立实例的变量。每个线程对这些变量有自己的副本，而不共享其他线程的副本。这在多线程编程中非常有用，确保线程之间的数据隔离，防止数据竞争。

但是thread_local的表现又很奇怪，你说它是全局变量吧，但它又被每个线程私有，比如下面这个例子：

#include <iostream>

#include <thread>

#include <stdio.h>

// 定义一个 thread_local 变量

thread_local int local_var = 0;

void thread_function(int id) {

    local_var = id;

    printf("%x\n", &local_var);

}

int main() {

    std::thread t1(thread_function, 1);

    std::thread t2(thread_function, 2);

    t1.join();

    t2.join();

    return 0;

}

输出：

地址不同，说明两个线程里的local_var变量不是同一个。

但是你说它是局部变量吧，它的生命周期又很长，thread_local 变量的生命周期从线程创建时开始，到线程结束时结束。

其实抽象出它的具体含义就是：

每个线程独立实例: 每个线程对 thread_local 变量都有自己的独立副本，不会与其他线程的副本共享。

生命周期: thread_local 变量的生命周期从线程创建时开始，到线程结束时结束。

那么问题来了，每个线程都有自己的独立副本，在访问的时候又互不影响，这个是怎么实现的呢？这就引出了上下文切换这个概念。

上下文切换

我们先看一下最开始的thread_function对应的汇编代码：

寄存器fs记录了当前正在运行的线程所有的thread_local变量所在内存块的首地址。不同的线程，它的上下文也是不同的，所以寄存器fs的值也是不同的；这样就非常巧妙的通过线程的上下文切换区分了不同线程对应的thread_local;

如图：

假设现在线程1正在执行，操作系统会创建线程1的上下文，上下文一般是指当前寄存器的值，他们包含了当前程序运行的状态，比如栈指针esp，程序计数器eip，在此例中也包含fs，fs记录了当前线程栈上的thread_local变量的起始地址。

同理我们再创建另一个线程2:

线程1和线程2对应着程序运行栈上的不同区域，因此他们的fs寄存器的值也是不同的。所以当发生线程上下文切换的时候，操作系统会恢复将要运行的线程的上下文（寄存器状态）。这样每个线程也就能自然通过fs对应到它的thread_local变量。

总结

本篇博文先是介绍了thread_local的特性：

每个线程独立实例: 每个线程对 thread_local 变量都有自己的独立副本，不会与其他线程的副本共享。
生命周期: thread_local 变量的生命周期从线程创建时开始，到线程结束时结束。

然后通过上下文切换的概念介绍了实现的方法。有关更多上下文切换的内容，可参照《CPU眼中的C++》5.8节。

refer

《CPU眼中的C++》