Posix线程编程指南(2)

杨沙洲 (pubb@163.net), 工程师, 自由撰稿人

2001 年 10 月 01 日

这是一个关于Posix线程编程的专栏。作者在阐明概念的基础上,将向您详细讲述Posix线程库API。本文是第二篇将向您讲述线程的私有数据。

概念及作用

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)。


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创建和注销

Posix定义了两个API分别用来创建和注销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。

注销一个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。在LinuxThreads中,它还会将与之相关的线程数据项设为NULL(见”访问”)。


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访问

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。


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使用范例

以下这个例子没有什么实际意义,只是说明如何使用,以及能够使用这一机制达到存储线程私有数据的目的。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
pthread_key_t   key;
void echomsg(int t)
{
        printf("destructor excuted in thread %d,param=%dn",pthread_self(),t);
}
void * child1(void *arg)
{
        int tid=pthread_self();
        printf("thread %d entern",tid);
        pthread_setspecific(key,(void *)tid);
        sleep(2);
        printf("thread %d returns %dn",tid,pthread_getspecific(key));
        sleep(5);
}
void * child2(void *arg)
{
        int tid=pthread_self();
        printf("thread %d entern",tid);
        pthread_setspecific(key,(void *)tid);
        sleep(1);
        printf("thread %d returns %dn",tid,pthread_getspecific(key));
        sleep(5);
}
int main(void)
{
        int tid1,tid2;
        printf("hellon");
        pthread_key_create(&key,echomsg);
        pthread_create(&tid1,NULL,child1,NULL);
        pthread_create(&tid2,NULL,child2,NULL);
        sleep(10);
        pthread_key_delete(key);
        printf("main thread exitn");
        return 0;
}

给例程创建两个线程分别设置同一个线程私有数据为自己的线程ID,为了检验其私有性,程序错开了两个线程私有数据的写入和读出的时间,从程序运行结果可以看出,两个线程对TSD的修改互不干扰。同时,当线程退出时,清理函数会自动执行,参数为tid。
关于作者

杨沙洲,男,现攻读国防科大计算机学院计算机软件方向博士学位。您可以通过电子邮件 pubb@163.net跟他联系。

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