Linux线程属性、线程局部变量总结

转自 http://blog.csdn.net/zsf8701/article/details/7842392

//线程属性结构如下：
typedef struct
{
    int                   etachstate;      //线程的分离状态
    int                   schedpolicy;     //线程调度策略
    structsched_param     schedparam;      //线程的调度参数
    int                   inheritsched;    //线程的继承性
    int                   scope;           //线程的作用域
    size_t                guardsize;       //线程栈末尾的警戒缓冲区大小
    int                   stackaddr_set;   //线程的栈设置
    void*                 stackaddr;       //线程栈的位置
    size_t                stacksize;       //线程栈的大小
}pthread_attr_t;

属性值不能直接设置，须使用相关函数进行操作，初始化的函数为pthread_attr_init，这个函数必须在pthread_create函数之前调用。之后须用pthread_attr_destroy函数来释放资源。线程属性主要包括如下属性：作用域（scope）、栈尺寸（stack size）、栈地址（stack address）、优先级（priority）、分离的状态（detached state）、调度策略和参数（scheduling policy and parameters）。默认的属性为非绑定、非分离、缺省1M的堆栈、与父进程同样级别的优先级。

一、线程的作用域（scope）

作用域属性描述特定线程将与哪些线程竞争资源。线程可以在两种竞争域内竞争资源：

1. 进程域（process scope）：与同一进程内的其他线程。
2. 系统域（system scope）：与系统中的所有线程。一个具有系统域的线程将与整个系统中所有具有系统域的线程按照优先级竞争处理器资源，进行调度。
3. Solaris系统，实际上，从 Solaris 9 发行版开始，系统就不再区分这两个范围。

二、线程的绑定状态（binding state）

轻进程（LWP：Light Weight Process）关于线程的绑定，牵涉到另外一个概念：轻进程（LWP：Light Weight Process）：轻进程可以理解为内核线程，它位于用户层和系统层之间。系统对线程资源的分配、对线程的控制是通过轻进程来实现的，一个轻进程可以控制一个或多个线程。

1. 非绑定状态
   默认状况下，启动多少轻进程、哪些轻进程来控制哪些线程是由系统来控制的，这种状况即称为非绑定的。
2. 绑定状态
   绑定状况下，则顾名思义，即某个线程固定的"绑"在一个轻进程之上。被绑定的线程具有较高的响应速度，这是因为CPU时间片的调度是面向轻进程的，绑定的线程可以保证在需要的时候它总有一个轻进程可用。通过设置被绑定的轻进程的优先级和调度级可以使得绑定的线程满足诸如实时反应之类的要求。

三、线程的分离状态（detached state）

1. 线程的分离状态决定一个线程以什么样的方式来终止自己。
2. 非分离状态
   线程的默认属性是非分离状态，这种情况下，原有的线程等待创建的线程结束。只有当pthread_join()函数返回时，创建的线程才算终止，才能释放自己占用的系统资源。
3. 分离状态
   分离线程没有被其他的线程所等待，自己运行结束了，线程也就终止了，马上释放系统资源。应该根据自己的需要，选择适当的分离状态。
4. 线程分离状态的函数：pthread_attr_setdetachstate（pthread_attr_t *attr, int detachstate）。
   第二个参数可选为PTHREAD_CREATE_DETACHED（分离线程）和 PTHREAD _CREATE_JOINABLE（非分离线程）。
   这里要注意的一点是，如果设置一个线程为分离线程，而这个线程运行又非常快，它很可能在pthread_create函数返回之前就终止了，它终止以后就可能将线程号和系统资源移交给其他的线程使用，这样调用pthread_create的线程就得到了错误的线程号。要避免这种情况可以采取一定的同步措施，最简单的方法之一是可以在被创建的线程里调用pthread_cond_timewait函数，让这个线程等待一会儿，留出足够的时间让函数pthread_create返回。设置一段等待时间，是在多线程编程里常用的方法。但是注意不要使用诸如wait()之类的函数，它们是使整个进程睡眠，并不能解决线程同步的问题。还可以使用pthread_detach函数来设置分离线程（
   子线程pthread_detach( pthread_self())
   或者父线程调用
   pthread_detach(thread_id)（非阻塞，可立即返回）
   ）

四、线程的优先级（priority）

1. 新线程的优先级为默认为0。
2. 新线程不继承父线程调度优先级(PTHREAD_EXPLICIT_SCHED)
3. 仅当调度策略为实时（即SCHED_RR或SCHED_FIFO）时才有效，并可以在运行时通过pthread_setschedparam()函数来改变，缺省为0。
   

五、线程的栈地址（stack address）

1. POSIX.1定义了两个常量_POSIX_THREAD_ATTR_STACKADDR 和_POSIX_THREAD_ATTR_STACKSIZE检测系统是否支持栈属性。
2. 也可以给sysconf函数传递_SC_THREAD_ATTR_STACKADDR或 _SC_THREAD_ATTR_STACKSIZE来进行检测。
3. 当进程栈地址空间不够用时，指定新建线程使用由malloc分配的空间作为自己的栈空间。通过pthread_attr_setstackaddr和pthread_attr_getstackaddr两个函数分别设置和获取线程的栈地址。传给pthread_attr_setstackaddr函数的地址是缓冲区的低地址（不一定是栈的开始地址，栈可能从高地址往低地址增长）。

六、线程的栈大小（stack size）

1. 当系统中有很多线程时，可能需要减小每个线程栈的默认大小，防止进程的地址空间不够用
2. 当线程调用的函数会分配很大的局部变量或者函数调用层次很深时，可能需要增大线程栈的默认大小。
3. 函数pthread_attr_getstacksize和 pthread_attr_setstacksize提供设置。

七、线程的栈保护区大小（stack guard size）

1. 在线程栈顶留出一段空间，防止栈溢出。
2. 当栈指针进入这段保护区时，系统会发出错误，通常是发送信号给线程。
3. 该属性默认值是PAGESIZE大小，该属性被设置时，系统会自动将该属性大小补齐为页大小的整数倍。
4. 当改变栈地址属性时，栈保护区大小通常清零。

八、线程的调度策略（schedpolicy）

POSIX标准指定了三种调度策略：先入先出策略 (SCHED_FIFO)、循环策略 (SCHED_RR) 和自定义策略 (SCHED_OTHER)。SCHED_FIFO 是基于队列的调度程序，对于每个优先级都会使用不同的队列。SCHED_RR 与 FIFO 相似，不同的是前者的每个线程都有一个执行时间配额。SCHED_FIFO 和 SCHED_RR 是对 POSIX Realtime 的扩展。SCHED_OTHER 是缺省的调度策略。

1. 新线程默认使用 SCHED_OTHER 调度策略。线程一旦开始运行，直到被抢占或者直到线程阻塞或停止为止。
2. SCHED_FIFO
   如果调用进程具有有效的用户 ID 0，则争用范围为系统 (PTHREAD_SCOPE_SYSTEM) 的先入先出线程属于实时 (RT) 调度类。如果这些线程未被优先级更高的线程抢占，则会继续处理该线程，直到该线程放弃或阻塞为止。对于具有进程争用范围 (PTHREAD_SCOPE_PROCESS)) 的线程或其调用进程没有有效用户 ID 0 的线程，请使用 SCHED_FIFO，SCHED_FIFO 基于 TS 调度类。
3. SCHED_RR
   如果调用进程具有有效的用户 ID 0，则争用范围为系统 (PTHREAD_SCOPE_SYSTEM)) 的循环线程属于实时 (RT) 调度类。如果这些线程未被优先级更高的线程抢占，并且这些线程没有放弃或阻塞，则在系统确定的时间段内将一直执行这些线程。对于具有进程争用范围 (PTHREAD_SCOPE_PROCESS) 的线程，请使用 SCHED_RR(基于 TS 调度类)。此外，这些线程的调用进程没有有效的用户 ID 0。

九、线程并行级别（concurrency）  ----    不清楚

应用程序使用 pthread_setconcurrency() 通知系统其所需的并发级别。

转自http://blog.csdn.net/cywosp/article/details/26469435

二、一次性初始化

   在讲解线程特有数据之前，先让我们来了解一下一次性初始化。多线程程序有时有这样的需求：不管创建多少个线程，有些数据的初始化只能发生一次。列如：在C++程序中某个类在整个进程的生命周期内只能存在一个实例对象，在多线程的情况下，为了能让该对象能够安全的初始化，一次性初始化机制就显得尤为重要了。——在设计模式中这种实现常常被称之为单例模式（Singleton）。Linux中提供了如下函数来实现一次性初始化：

#include 

// Returns 0 on success, or a positive error number on error

int pthread_once (pthread_once_t *once_control, void (*init) (void));

利用参数once_control的状态，函数pthread_once()可以确保无论有多少个线程调用多少次该函数，也只会执行一次由init所指向的由调用者定义的函数。init所指向的函数没有任何参数，形式如下：

void init (void)

{

   // some variables initializtion in here

}

另外，参数once_control必须是pthread_once_t类型变量的指针，指向初始化为PTHRAD_ONCE_INIT的静态变量。在C++0x以后提供了类似功能的函数std::call_once ()，用法与该函数类似。使用实例请参考https://github.com/ApusApp/Swift/blob/master/swift/base/singleton.hpp实现。

三、线程局部数据API

    在Linux中提供了如下函数来对线程局部数据进行操作

#include 

// Returns 0 on success, or a positive error number on error

int pthread_key_create (pthread_key_t *key, void (*destructor)(void *));//最好在pthread_once里面调用，返回一个全局的的key，给所有线程共用。这样在多线程下 这个key就只被创建一次

// Returns 0 on success, or a positive error number on error

int pthread_key_delete (pthread_key_t key);

// Returns 0 on success, or a positive error number on error

int pthread_setspecific (pthread_key_t key, const void *value);

// Returns pointer, or NULL if no thread-specific data is associated with key

void *pthread_getspecific (pthread_key_t key);

函数pthread_key_create()为线程局部数据创建一个新键，并通过key指向新创建的键缓冲区。因为所有线程都可以使用返回的新键，所以参数key可以是一个全局变量（在C++多线程编程中一般不使用全局变量，而是使用单独的类对线程局部数据进行封装，每个变量使用一个独立的pthread_key_t）。destructor所指向的是一个自定义的函数，其格式如下：

void Dest (void *value)

{

    // Release storage pointed to by 'value'

}

只要线程终止时与key关联的值不为NULL，则destructor所指的函数将会自动被调用。如果一个线程中有多个线程局部存储变量，那么对各个变量所对应的destructor函数的调用顺序是不确定的，因此，每个变量的destructor函数的设计应该相互独立。

函数pthread_key_delete()并不检查当前是否有线程正在使用该线程局部数据变量，也不会调用清理函数destructor，而只是将其释放以供下一次调用pthread_key_create()使用。在Linux线程中，它还会将与之相关的线程数据项设置为NULL。

由于系统对每个进程中pthread_key_t类型的个数是有限制的，所以进程中并不能创建无限个的pthread_key_t变量。Linux中可以通过PTHREAD_KEY_MAX（定义于limits.h文件中）或者系统调用sysconf(_SC_THREAD_KEYS_MAX)来确定当前系统最多支持多少个键。Linux中默认是1024个键，这对于大多数程序来说已经足够了。如果一个线程中有多个线程局部存储变量，通常可以将这些变量封装到一个数据结构中，然后使封装后的数据结构与一个线程局部变量相关联，这样就能减少对键值的使用。

函数pthread_setspecific()用于将value的副本存储于一数据结构中，并将其与调用线程以及key相关联。参数value通常指向由调用者分配的一块内存，当线程终止时，会将该指针作为参数传递给与key相关联的destructor函数。当线程被创建时，会将所有的线程局部存储变量初始化为NULL，因此第一次使用此类变量前必须先调用pthread_getspecific()函数来确认是否已经于对应的key相关联，如果没有，那么pthread_getspecific()会分配一块内存并通过pthread_setspecific()函数保存指向该内存块的指针。

参数value的值也可以不是一个指向调用者分配的内存区域，而是任何可以强制转换为void*的变量值，在这种情况下，先前的pthread_key_create()函数应将参数

destructor设置为NULL

函数pthread_getspecific()正好与pthread_setspecific()相反，其是将pthread_setspecific()设置的value取出。在使用取出的值前最好是将void*转换成原始数据类型的指针。

四、深入理解线程局部存储机制

    1. 深入理解线程局部存储的实现有助于对其API的使用。在典型的实现中包含以下数组：

• 一个全局（进程级别）的数组，用于存放线程局部存储的键值信息

pthread_key_create()返回的pthread_key_t类型值只是对全局数组的索引，该全局数组标记为pthread_keys，其格式大概如下：

数组的每个元素都是一个包含两个字段的结构，第一个字段标记该数组元素是否在用，第二个字段用于存放针对此键、线程局部存储变的解构函数的一个副本，即destructor函数。

• 每个线程还包含一个数组，存有为每个线程分配的线程特有数据块的指针（通过调用pthread_setspecific()函数来存储的指针，即参数中的value）

   2. 在常见的存储pthread_setspecific()函数参数value的实现中，大多数都类似于下图的实现。图中假设pthread_keys[1]分配给func1()函数，pthread API为每个函数维护指向线程局部存储数据块的一个指针数组，其中每个数组元素都与图线程局部数据键的实现(上图)中的全局pthread_keys中元素一一对应。

五、总结

    使用全局变量或者静态变量是导致多线程编程中非线程安全的常见原因。在多线程程序中，保障非线程安全的常用手段之一是使用互斥锁来做保护，这种方法带来了并发性能下降，同时也只能有一个线程对数据进行读写。如果程序中能避免使用全局变量或静态变量，那么这些程序就是线程安全的，性能也可以得到很大的提升。如果有些数据只能有一个线程可以访问，那么这一类数据就可以使用线程局部存储机制来处理，虽然使用这种机制会给程序执行效率上带来一定的影响，但对于使用锁机制来说，这些性能影响将可以忽略。Linux C++的线程局部存储简单实现可参考https://github.com/ApusApp/Swift/blob/master/swift/base/threadlocal.h，更详细且高效的实现可参考Facebook的folly库中的ThreadLocal实现。更高性能的线程局部存储机制就是使用__thread，这将在下一节中讨论。

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转载请说明出处：http://blog.csdn.net/cywosp/article/details/26876231

Linux中的线程局部存储（二）

     在Linux中还有一种更为高效的线程局部存储方法，就是使用关键字__thread来定义变量。__thread是GCC内置的线程局部存储设施（Thread-Local Storage），它的实现非常高效，与pthread_key_t向比较更为快速，其存储性能可以与全局变量相媲美，而且使用方式也更为简单。创建线程局部变量只需简单的在全局或者静态变量的声明中加入__thread说明即可。列如：

    static __thread char t_buf[32] = {'\0'};

    extern __thread int t_val = 0;

凡是带有__thread的变量，每个线程都拥有该变量的一份拷贝，且互不干扰。线程局部存储中的变量将一直存在，直至线程终止，当线程终止时会自动释放这一存储。__thread并不是所有数据类型都可以使用的，因为其只支持POD(Plain old data structure)[1]类型，不支持class类型——其不能自动调用构造函数和析构函数。同时__thread可以用于修饰全局变量、函数内的静态变量，但是不能用于修饰函数的局部变量或者class的普通成员变量。另外，__thread变量的初始化只能用编译期常量，例如：

    __thread std::string t_object_1 ("Swift");                   // 错误，因为不能调用对象的构造函数

    __thread std::string* t_object_2 = new std::string (); // 错误，初始化必须用编译期常量

    __thread std::string* t_object_3 = nullptr;                // 正确，但是需要手工初始化并销毁对象

除了以上之外，关于线程局部存储变量的声明和使用还需注意一下几点：

1. 如果变量声明中使用量关键字static或者extern，那么关键字__thread必须紧随其后。
2. 与一般的全局变量或静态变量一样，线程局部变量在声明时可以设置一个初始化值。
3. 可以使用C语言取地址符(&)来获取线程局部变量的地址。

__thread的使用例子可参考https://github.com/ApusApp/Swift/blob/master/swift/base/logging.cpp的实现及其单元测试对于那些非POD数据类型，如果想使用线程局部存储机制，可以使用对pthread_key_t封装的类来处理，具体方式可参考https://github.com/ApusApp/Swift/blob/master/swift/base/threadlocal.h的实现以及其的单元测试

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线程、进程函数对应

phread_create      phread_jion      pthread_exit ( return )        phtread_cancle      phtread_detach

fork                         waitpid              exit    (return)                       kill