C++ 线程局部存储（TLS）

孟宝亮2022-12-21Linux C/C++312

在 C++ 多线程编程中，线程局部存储（Thread Local Storage）​​是一项非常重要且值得深入理解的技术。它在提升线程安全性、简化并发设计中发挥着关键作用，是每一位 C++ 开发者都应掌握的核心知识之一。

1. 问题场景

假设在多线程场景下，我们需要创建两个线程来执行 worker 任务，并在 worker 中需要多次调用 log 函数打印日志，我们希望每个线程打印的日志都有独立编号。例如，线程一打印的日志以 [线程一] 为标识，有 log#1、log#2 等编号；线程二打印的日志以 [线程二] 为标识，也有对应的 log#1、log#2 等编号 。

注意：在这个场景中，要求为每个线程分配一个具备线程私有、与线程生命周期同步的变量，专门用于记录该线程的日志编号。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>


// 线程锁，用于同步变量和标准输出
std::mutex lock;

// 普通全局变量
int counter = 0;
// 静态局部变量
//static int counter = 0;


void log(const std::string& thread_name, const std::string& log_message)
{
	// 静态局部变量
	//static int counter = 0;
	// 普通局部变量
	int counter = 0;

	std::lock_guard<std::mutex> guard(lock);
	++counter;
	std::cout << "[" << thread_name << "] log#" << counter << ": " << log_message << std::endl;
}


void worker(const std::string& thread_name)
{
	log(thread_name, "数据开始处理");
	log(thread_name, "数据正在处理");
	log(thread_name, "数据处理结束");
}


void test()
{
	std::thread t1(worker, "线程一");
	std::thread t2(worker, "线程二");

	t1.join();
	t2.join();
}


int main()
{
	test();
	return 0;
}

在 C++ 中，对于 counter 变量，我们有四种定义方式：

  1. 普通局部变量：线程私有，无法做到与线程生命周期同步
  2. 静态局部变量：线程共享，无法做到与线程生命周期同步（生命周期是整个程序运行期间存在）
  3. 普通全局变量：线程共享，无法做到与线程生命周期同步（生命周期是整个程序运行期间存在）
  4. 静态全局变量：线程共享，无法做到与线程生命周期同步（生命周期是整个程序运行期间存在）

最终，我们发现这四种方式都无法满足多线程编程场景下，对 counter 变量的要求。程序输出结果：

[线程一] log#1: 数据开始处理
[线程一] log#2: 数据正在处理
[线程一] log#3: 数据处理结束
[线程二] log#4: 数据开始处理
[线程二] log#5: 数据正在处理
[线程二] log#6: 数据处理结束

为了解决这个问题，我们可以使用 C++11 中引入的 thread_local 关键字，它可以用于定义线程私有、与线程生命周期同步的变量。我们把程序修改如下：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>


// 线程锁，用于同步变量和标准输出
std::mutex lock;

// 线程局部变量
thread_local int counter = 0;


void log(const std::string& thread_name, const std::string& log_message)
{
	++counter;
	std::lock_guard<std::mutex> guard(lock);
	std::cout << thread_name << "地址: " << (long)&counter << std::endl;	
	std::cout << "[" << thread_name << "] log#" << counter << ": " << log_message << std::endl;
}


void worker(const std::string& thread_name)
{
	log(thread_name, "数据开始处理");
	log(thread_name, "数据正在处理");
	log(thread_name, "数据处理结束");
}


void test()
{
	std::thread t1(worker, "线程一");
	std::thread t2(worker, "线程二");

	t1.join();
	t2.join();
}


int main()
{
	test();
	return 0;
}

程序执行结果：

线程二地址: 2816655625780
[线程二] log#1: 数据开始处理
线程二地址: 2816655625780
[线程二] log#2: 数据正在处理
线程二地址: 2816655625780
[线程二] log#3: 数据处理结束
线程一地址: 2816655644932
[线程一] log#1: 数据开始处理
线程一地址: 2816655644932
[线程一] log#2: 数据正在处理
线程一地址: 2816655644932
[线程一] log#3: 数据处理结束

简单总结一下，在 C++ 中：

  1. 如果需要定义函数级别的私有变量，使用普通局部变量
  2. 如果需要定义函数级别的共享变量，使用静态局部变量
  3. 如果需要定义程序级别的共享变量，可以使用全部变量
  4. 如果需要定义线程级别的私有变量，可以使用线程局部存储

2. 使用方法

我们先了解下 thread_local 如何定义线程局部变量。首先，它支持定义在全局作用域、类作用域、函数作用域的变量，如下所示：

#include <iostream>

// 全局
// 其他 cpp 文件可以访问
thread_local int a = 10;
// 只能当前 cpp 文件可以访问
static thread_local int b = 20;



// 类内
// 1. 必须定义为静态成员（static thread_local）
// 2. 只能类内声明，类外定义
class Demo {
public:
	// 以下定义方式无效
	// thread_local int c;
	static thread_local int c;  // 仅声明，定义需要在外部
};

// 必须在类外部定义：
thread_local int Demo::c = 30;


void test()
{
	// 局部
	// 下面两种写法等价
	thread_local int d = 40;
	static thread_local int e = 50;

	std::cout << a << std::endl;
	std::cout << b << std::endl;
	std::cout << Demo::c << std::endl;
	std::cout << d << std::endl;
	std::cout << e << std::endl;
}


int main()
{
	test();
	return 0;
}

同时，thread_local 也支持定义不同类型的变量，例如：基本类型、自定义类型、指针类型、引用类型。

#include <iostream>
#include <thread>


// 1. 基本类型
thread_local int number = 100;
void test01()
{
	std::cout << number << std::endl;
}


// 2. 类对象
struct Demo { const int value = 100; };
thread_local Demo t_demo;
void test02()
{
	std::cout << t_demo.value << std::endl;
}


// 3. 指针类型
thread_local Demo* p_demo = nullptr;
void test03()
{
	if (nullptr == p_demo)
	{
		p_demo = new Demo;
	}
	std::cout << p_demo->value << std::endl;

	if (p_demo != nullptr)
	{
		delete p_demo;
		p_demo = nullptr;
	}
}


// 4. 智能指针
thread_local std::unique_ptr<Demo> s_demo;
void test04()
{
	if (!s_demo)
	{
		s_demo = std::make_unique<Demo>();
	}
	std::cout << s_demo->value << std::endl;
}


// 4. 引用类型（不建议）
Demo demo;
thread_local Demo& r_demo = demo;
void worker()
{
	std::cout << std::this_thread::get_id() << " " << &r_demo << std::endl;
}

void test05()
{
	std::thread t1(worker);
	std::thread t2(worker);

	t1.join();
	t2.join();
}


int main()
{
	test01();
	return 0;
}

3. 生命周期

当定义普通全局、静态全局、类静态成员的 thread_local 变量时：

  1. MSVC 会为每个线程创建一份 thread_local 变量（即使该线程从未使用过这些变量），在线程结束时调用其析构函数
  2. GCC 会采用延迟初始化策略，只有当某个线程第一次访问 thread_local 变量时，才会为其分配并初始化该变量。线程结束时会自动调用析构函数，但仅针对被初始化过的变量。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>


struct Demo
{
	Demo() { std::cout << std::this_thread::get_id() << " Demo 构造函数" << std::endl; }
	~Demo() { std::cout << std::this_thread::get_id() << " Demo 析构函数" << std::endl; }
	void print_demo() { std::cout << std::this_thread::get_id() << " print demo" << std::endl; }
};


#define FLAG 1
#if FLAG == 0
// 类静态成员 thread_local 变量
struct MyClass
{
	static thread_local Demo demo;
};
thread_local Demo MyClass::demo;

#elif FLAG == 1
// 全局普通 thread_local 变量
thread_local Demo demo;
#else
// 全局静态 thread_local 变量
static thread_local Demo demo;
#endif


void worker()
{
	std::cout << std::this_thread::get_id() << " 开始" << std::endl;
#if FLAG == 0
	MyClass::demo.print_demo();
#else
	demo.print_demo();
#endif
	std::cout << std::this_thread::get_id() << " 结束" << std::endl;
}


void test()
{
	std::thread t1(worker);
	std::thread t2(worker);
	t1.join();
	t2.join();
	std::cout << "worker 全部结束" << std::endl;
}


int main()
{
	std::cout << "主线程ID：" << std::this_thread::get_id() << std::endl;
	test();
	return 0;
}

在函数内定义的 thread_local 变量，是每个线程私有的，仅在首次执行到该定义位置时构造；线程结束时，如果变量已被构造，则自动调用其析构函数。

注意：只有需要的时候才会被创建。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex lock;


struct Demo
{
	Demo() { std::cout << std::this_thread::get_id() << " Demo 构造函数" << std::endl; }
	~Demo() { std::cout << std::this_thread::get_id() << " Demo 析构函数" << std::endl; }
	void print_demo() { std::cout << std::this_thread::get_id() << " print demo" << std::endl; }
};


void worker1()
{
	std::lock_guard<std::mutex> guard(lock);
	std::cout << "子线程ID：" << std::this_thread::get_id() << " worker 开始工作" << std::endl;
	// 局部线程私有变量
	thread_local Demo demo;
	std::cout << "子线程ID：" << std::this_thread::get_id() << " worker 结束工作" << std::endl;
}

void worker2()
{
	std::lock_guard<std::mutex> guard(lock);
	std::cout << "子线程ID：" << std::this_thread::get_id() << " worker 开始工作" << std::endl;
	std::cout << "子线程ID：" << std::this_thread::get_id() << " worker 结束工作" << std::endl;
}


void test()
{
	std::thread t1(worker1);
	std::thread t2(worker2);
	t1.join();
	t2.join();
	std::cout << "worker 全部结束" << std::endl;
}


int main()
{
	std::cout << "主线程ID：" << std::this_thread::get_id() << std::endl;
	test();
	return 0;
}

前面两种定义 thread_local 变量：

  1. 创建时机，会受到编译器的影响。对于全局和类内方式，MSVC 和 GCC 创建的时机不同。
  2. 销毁时机，线程结束时才会销毁

有时候我们想手动控制对象的创建和销毁时机，让不同的编译器行为一致，此时可以使用指针类型的线程局部变量。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex lock;


struct Demo
{
	Demo() { std::cout << std::this_thread::get_id() << " Demo 构造函数" << std::endl; }
	~Demo() { std::cout << std::this_thread::get_id() << " Demo 析构函数" << std::endl; }
	void print_demo() { std::cout << std::this_thread::get_id() << " print demo" << std::endl; }
};


thread_local Demo* demo = nullptr;
void do_something()
{
	// 在需要的时候创建
	if (nullptr == demo)
	{
		demo = new Demo;
	}

	demo->print_demo();
}


void worker1()
{
	do_something();
	do_something();

	// 不需要的时候析构
	delete demo;
	demo = nullptr;

	std::cout << "再做一些其他事情" << std::endl;
}


void worker2()
{
	std::cout << "随便做点事情" << std::endl;
}


void test()
{
	std::thread t1(worker1);
	std::thread t2(worker2);
	t1.join();
	t2.join();
}


int main()
{
	test();
	return 0;
}

4. 使用注意

在使用线程局部变量时，最需要注意的是在线程池中的使用。我们先简单回顾下线程池的概念，线程池的核心思想是预先创建固定数量的线程，并通过任务队列将需要执行的任务提交给这些线程处理。这样可以避免频繁地创建和销毁线程带来的性能开销，提高资源利用率和系统的响应能力。

线程池的一个重要特点是线程的复用：当一个任务执行完成后，线程不会被销毁，而是被保留用于执行下一个任务。虽然任务之间是相互独立的，但由于它们可能被同一个线程连续执行，因此在某些情况下，线程内部状态的残留可能对后续任务产生影响。

由于线程被复用，thread_local 中保存的变量也会随线程持续存在。如果一个任务在处理过程中设置了某个 thread_local 变量的值，而没有在任务结束时进行清理或重置，那么这个值将在该线程中保留下来。当下一个任务被分配到这个线程时，它访问的将是上一个任务遗留下来的状态，可能会导致逻辑错误或数据污染。

因此，在使用线程池处理任务时，如果涉及 thread_local 变量，应当在每个任务执行结束后主动清除或重置其内容，以避免线程状态泄漏对后续任务产生影响。

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