浅谈POSIX线程的私有数据

当线程中的一个函数需要创建私有数据时，该私有数据在对函数的调用之间保持一致，数据能静态地分配在存储器中，当我们采用命名范围也许可以实现它使用在函数或是文件（静态），或是全局（EXTERN）。但是当涉及到线程时就不是那么简单了。在单线程程序中，我们经常要用到"全局变量"以实现多个函数间共享数据。在多线程环境下，由于数据空间是共享的，因此全局变量也为所有线程所共有。但有时应用程序设计中有必要提供线程私有的全局变量，仅在某个线程中有效，但却可以跨多个函数访问，比如程序可能需要每个线程维护一个链表，而使用相同的函数操作，最简单的办法就是使用同名而不同变量地址的线程相关数据结构。这样的数据结构可以由Posix线程库维护，称为线程私有数据（Thread-specific Data，或TSD）。

线程私有数据允许每一个线程保有一份变量的拷贝，每个线程有一串通过共有的“键”值索引的线程私有数据，键对于每个线程都是相同的，但是每个线程都能将它独立的键值与共享键联系，每个线程能在任意时间为键改变它的私有值，而不会影响键或任意外线程拥有的键值。

在POSIX线程中，这里需要的键值即为创建一个类型为 pthread_key_t 类型的变量。   并定义下面的API来创建TSD：

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

该函数从TSD池中分配一项，将其值赋给key供以后访问使用。如果destr_function不为空，在线程退出（pthread_exit()）时将以key所关联的数据为参数调用destr_function()，以释放分配的缓冲区。

不论哪个线程调用pthread_key_create()，所创建的key都是所有线程可访问的，但各个线程可根据自己的需要往key中填入不同的值，这就相当于提供了一个同名而不同值的全局变量。在LinuxThreads的实现中，TSD池用一个结构数组表示：

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

创建一个TSD就相当于将结构数组中的某一项设置为"in_use"，并将其索引返回给*key，然后设置destructor函数为destr_function。

销一个TSD采用如下API：

int pthread_key_delete(pthread_key_t key)

这个函数并不检查当前是否有线程正使用该TSD，也不会调用清理函数（destr_function），而只是将TSD释放以供下一次调用pthread_key_create()使用。这个函数并不检查当前是否有线程正使用该TSD，也不会调用清理函数（destr_function），而只是将TSD释放以供下一次调用pthread_key_create()使用.

TSD的读写都通过专门的Posix Thread函数进行，其API定义如下：

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

写入（pthread_setspecific()）时，将pointer的值（不是所指的内容）与key相关联，而相应的读出函数则将与key相关联的数据读出来。数据类型都设为void *，因此可以指向任何类型的数据。

在LinuxThreads中，使用了一个位于线程描述结构（_pthread_descr_struct）中的二维void *指针数组来存放与key关联的数据，数组大小由以下几个宏来说明：

#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中定义了PTHREAD_KEYS_MAX为1024，     因此一维数组大小为32。而具体存放的位置由key值经过以下计算得到：

idx1st = key / PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE
idx2nd = key % PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE

也就是说，数据存放与一个32×32的稀疏矩阵中。同样，访问的时候也由key值经过类似计算得到数据所在位置索引，再取出其中内容返回。

下面看看怎么去使用这个线程私有数据（TSD）,就以我自己写的这个为例吧，

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

pthread_key_t key; //初始定义线程私有数据键

typedef
struct tsd_tag{      //自定义数据类型
	pthread_t thread_tg;
	char *string;
}tsd_t;

void destructor (tsd_t *value_pointer) {   //线程结束释放资源
    printf ("thread %lu ends, param = %s\n", value_pointer->thread_tg,value_pointer->string);
    free (value_pointer);
    value_pointer = NULL;
}
void * thread_routine(void *arg) {      //线程数据处理函数
    tsd_t *value_pointer = (tsd_t *)malloc(sizeof(tsd_t));
    value_pointer->string=(char *)arg;
    value_pointer->thread_tg=pthread_self();
    printf ("thread %lu is running\n", value_pointer->thread_tg);
    pthread_setspecific (key, (void *) value_pointer);
    sleep (3);
    printf ("thread %lu returns %s\n", value_pointer->thread_tg,((tsd_t *)pthread_getspecific(key))->string);
    sleep (4);
}
int main(int argc , char *argv[]) {
    pthread_t thid1, thid2;

    printf ("Main Thread begins running\n");
    pthread_key_create (&key, (void *)destructor);
    pthread_create (&thid1, NULL, thread_routine, "Thread 1");
    pthread_create (&thid2, NULL, thread_routine, "Thread 2");
    sleep (8);
    pthread_key_delete (key); //删除线程私有数据键
    printf ("Main Thread exit\n");
    return 0;
}

这段代码初始时创建了两个线程分别是Thread1 and Thread2 ，但都是调用了相同的函数thread_routine(),通过线程私有数据的键值关联，保证了，两个线程分别对同一个数据类型 tsd_t 的数据进行了私有化处理，达到了不同的数据处理结果。

下面是程序的运行结果：