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= C语言线程局部存储 =

线程局部存储（Thread Local Storage, TLS）是C语言中一种允许每个线程拥有自己独立变量副本的机制。在多线程编程中，全局变量和静态变量默认是被所有线程共享的，而使用TLS可以创建线程私有的数据，避免竞争条件并简化线程同步。

== 基本概念 ==

在C11标准之前，TLS通过编译器扩展（如GCC的<code>__thread</code>或MSVC的<code>__declspec(thread)</code>）实现。C11标准正式引入了<code>_Thread_local</code>关键字（可用宏<code>thread_local</code>替代）来支持线程局部存储。

线程局部存储的变量：
* 每个线程拥有独立的副本
* 生命周期与线程相同
* 初始化仅在首次访问时进行（对于静态存储期变量）

== 语法与声明 ==

声明线程局部变量的语法如下：

<syntaxhighlight lang="c">
#include <threads.h>

thread_local int tls_var; // 文件作用域的TLS变量

void func() {
    static thread_local int static_tls; // 静态存储期的TLS变量
    thread_local int local_tls; // 错误：不能声明自动存储期的TLS变量
}
</syntaxhighlight>

== 代码示例 ==

以下示例展示TLS变量的基本用法：

<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdio.h>
#include <threads.h>
#include <stdlib.h>

thread_local int counter = 0; // 每个线程有自己的counter副本

int thread_func(void *arg) {
    counter++; // 修改线程本地的counter
    printf("Thread %ld: counter = %d\n", (long)arg, counter);
    return 0;
}

int main() {
    thrd_t t1, t2;
    
    thrd_create(&t1, thread_func, (void *)1);
    thrd_create(&t2, thread_func, (void *)2);
    
    thrd_join(t1, NULL);
    thrd_join(t2, NULL);
    
    printf("Main thread: counter = %d\n", counter);
    return 0;
}
</syntaxhighlight>

'''可能的输出：'''
<pre>
Thread 1: counter = 1
Thread 2: counter = 1
Main thread: counter = 0
</pre>

== 实现原理 ==

TLS的实现通常依赖于操作系统和编译器的协作：

<mermaid>
graph TD
    A[程序启动] --> B[为TLS变量分配存储空间]
    B --> C[主线程初始化]
    C --> D[创建新线程]
    D --> E[为新线程分配独立的TLS存储]
    E --> F[线程访问自己的TLS副本]
</mermaid>

== 实际应用场景 ==

1. '''错误码存储'''：如C库的<code>errno</code>通常实现为TLS变量
2. '''线程特定缓存'''：避免锁竞争
3. '''随机数生成器状态'''：保持每个线程的独立状态

== 高级主题：动态TLS ==

除了语言级别的TLS支持，操作系统还提供API级别的TLS：

* Windows: <code>TlsAlloc()</code>, <code>TlsGetValue()</code>, <code>TlsSetValue()</code>
* POSIX: <code>pthread_key_create()</code>, <code>pthread_getspecific()</code>, <code>pthread_setspecific()</code>

示例（POSIX）：

<syntaxhighlight lang="c">
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

pthread_key_t key;

void destructor(void *value) {
    free(value); // 清理线程特定数据
}

void *thread_func(void *arg) {
    int *data = malloc(sizeof(int));
    *data = pthread_self(); // 使用线程ID作为示例数据
    pthread_setspecific(key, data);
    printf("Thread %lu: data = %d\n", pthread_self(), *(int *)pthread_getspecific(key));
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_key_create(&key, destructor);
    pthread_t t1, t2;
    
    pthread_create(&t1, NULL, thread_func, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, thread_func, NULL);
    
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    
    pthread_key_delete(key);
    return 0;
}
</syntaxhighlight>

== 性能考量 ==

TLS访问通常比普通变量访问慢，因为：
* 需要通过额外的内存引用（如通过线程环境块）
* 某些架构需要特殊的指令支持

性能模型可以表示为：
<math>
T_{access} = T_{base} + T_{tls\_overhead}
</math>

== 限制与注意事项 ==

1. TLS变量不能是自动存储期（不能声明在函数内非static）
2. 动态库中的TLS可能有平台特定的行为
3. 大量使用TLS可能增加线程创建开销
4. 某些嵌入式平台可能不支持TLS

== 总结 ==

线程局部存储是多线程编程中的重要工具，它：
* 提供线程隔离的数据存储
* 避免不必要的同步开销
* 简化线程安全代码的编写
* 有语言级别和API级别两种实现方式

正确使用TLS可以显著提高多线程程序的可靠性和性能。

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