线程安全

线程安全与每数据存储

1.线程安全

若函数可以同时供多个线程同时安全调用，暗恶魔称之为线程安全函数，如果函数不是线程安全，则不能够并发调用

• 实现线程安全的方式

  1. 将函数与互斥量关联使用，在调用函数时将其锁定，在函数返回时解锁

     该方法的优点在于简单，但是这也就意味着同时只能有一个线程执行该函数，如果各线程在执行此函数时耗费了相当多的时间，那么该执行方式就相当于串行了，导致并发能力的丧失

  2. 将共享变量与互斥量关联起来

     即在函数即将进入临界区时去获得和释放互斥量，这允许多个线程去并发执行一个函数

• 非线程安全的函数

  以下所列函数均为非线程安全(至少不应该把他们当做是)

  
  
  非线程安全函数.png

• 可重入函数与不可重入函数

  可重入函数无需使用互斥量即可保证线程安全，关键在于避免对全局变量和静态变量的使用，需要返回给调用者的信息，应该都存储于由调用者分配的缓冲区

  对于一些接口不可重入的函数，SUSv3为其定义了以后缀_r结尾的可重入"替身",这些替身函数要求由调用者来分配缓冲区，并且将缓冲区地址用于给函数用于返回结果

  
  
  不可重入函数替身

2.一次性初始化

• pthread_once

  当pthread_once()首次被任何线程所调用时，会执行初始化动作

  #include<pthread.h>
  int pthread_once(pthread_once_t *once_control, void (*init)(void));
                                                        //成功:返回0, 失败:返回一个正数
  

  init是一个调用者自定义的函数,格式如下

  void init(void){
  //...
  }
  

  当使用pthread_once()函数时，会使用init()函数来进行初始化

  once_control是一个指针，指向初始化为PTHREAD_ONCE_INIT的静态变量，即

  static pthread_once_t once_var = PTHREAD_ONCE_INIT;
  

  对该函数的首次调用将改变once_control的值，使得后续调用不会再次执行init

3.线程特有数据

在一个进程中定义的全局或静态变量都是所有线程可见的，即每个线程共同操作一块存储区域。而有时我们可能有这样的需求：对于一个全局变量，每个线程对其的修改只在本线程内有效，各线程之间互不干扰。即每个线程虽然共享这个全局变量的名字，但这个变量的值就像只有在本线程内才会被修改和读取一样
线程特有数据(TSD)使得函数的移位每个调用线程分别维护一份变量的副本，线程特有的数据是长期存在的，在同一个线程对相同函数的历次调用期间，每个线程的变量会持续存在，函数可以量每个调用线程返回各自的结果缓冲区

• pthread_key_create

  pthread_key_create会创建一个类型为pthread_key_t 类型的私有数据变量(key)

  #include<pthread.h>
  int pthread_key_create(pthread_key_t *key, void (destructor)(void*))
                                                    //成功:返回0 失败:返回一个正数
  

  参数介绍:

  1. key

     在分配(malloc)线程的私有数据之前，需要创建和线程私有数据相关联的键(key),这个键的功能是获得对线程私有数据的访问权

  2. destructor

     析构器函数，当线程退出时，如果线程私有数据地址不是非NULL,此函数会被自动调用，如果将该函数指针设置为NULL,那么系统将调用默认的清理函数

     destructor的函数定义如下

     void destructor(void *arg){
     //...
     }
     

• pthread_key_delete

  注销线程的私有数据。这个函数并不会检查当前是否有线程正在使用线程私有数据(key),也不会调用清理函数destructor(),而只是将线程私有数据(key)释放一共下一次使用

  #include<pthread.h>
  int pthread_key_delete(pthread_key_t key);
                                            //成功:0 失败:正数
  

  参数:

  1. key

     待注销的私有数据

• pthread_setspecific

  该函数会设置线程的私有数据(key)与value关联(而非与其所指的内容关联)

  #include<pthread.h>
  int pthread_setspecific(pthread_key_t key, const void *value);
                                            //成功: 0 失败:正数
  

  参数:

  1. key

     线程的私有数据

  2. value

     与key相关联的指针

• pthread_getspecific

  读取线程私有数据(key)所关联的值

  void* pthread_getspecific(pthread_key_t key);
                                        //成功:与key关联的value   失败:NULL
  

线程特有数据的实现

典型的实现方法会包含以下两个数组

• 一个全局数组pthread_keys(即整个进程只包含一个)

  该数组存放线程特有数据(key)的信息,数组中的每个元素都包含两个字段，一个标记该数组元素是否在用，另一个则标记与key相关联的解构函数的地址

  
  
  全局数组

• 每个线程自身的一个数组

  因为一个线程可以调用很多函数，所以一个线程就会拥有很多它在不同函数中所分配的数据块，该数组存放着该线程所持有的所有数据块的指针

这两个数组之间的关系如下图所示

关系

在不同函数中调用pthread_key_create()，相当于只是在pthread_key数组增加了一个条目而已，其返回的key只是全局pthread_key数组中的一个索引

调用pthread_setspecific()时key与value是一一对应的关系，相应的操作就是在线程自身的数组中增加一个条目tsd[key],其内容为我们传递的value