线程的属性和线程特定数据 Thread-specific Data-白红宇

线程的属性和线程特定数据 Thread-specific Data

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发布时间：2019-06-21

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一、posix 线程属性

POSIX 线程库定义了线程属性对象 pthread_attr_t ，它封装了线程的创建者可以访问和修改的线程属性。主要包括如下属性：

1. 作用域（scope）

2. 栈尺寸（stack size）

3. 栈地址（stack address）

4. 优先级（priority）

5. 分离的状态（detached state）

6. 调度策略和参数（scheduling policy and parameters）

线程属性对象可以与一个线程或多个线程相关联。当使用线程属性对象时，它是对线程和线程组行为的配置。使用属性对象的所有线程都将具有由属性对象所定义的所有属性。虽然它们共享属性对象，但它们维护各自独立的线程 ID 和寄存器。

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

作用域属性描述特定线程将与哪些线程竞争资源。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。

分离线程是指不需要和进程中其他线程同步的线程。也就是说，没有线程会等待分离线程退出系统。因此，一旦该线程退出，它的资源（如线程 ID）可以立即被重用。

线程的布局嵌入在进程的布局中。进程有代码段、数据段和栈段，而线程与进程中的其他线程共享代码段和数据段，每个线程都有自己的栈段，这个栈段在进程地址空间的栈段中进行分配。线程栈的尺寸在线程创建时设置。如果在创建时没有设置，那么系统将会指定一个默认值，缺省值的大小依赖于具体的系统。

POSIX 线程属性对象中可设置的线程属性及其含义参见下表：

函数

属性

含义

int pthread_attr_setdetachstate

(pthread_attr_t* attr ,int detachstate)

detachstate

detachstate 属性控制一个线程是否

是可分离的

int pthread_attr_setguardsize

(pthread_attr_t* attr ,size_t guardsize)

guardsize

guardsize 属性设置新创建线程栈的溢出

保护区大小

int pthread_attr_setinheritsched

(pthread_attr_t* attr, int inheritsched)

inheritsched

inheritsched 决定怎样设置新创建

线程的调度属性

int pthread_attr_setschedparam

(pthread_attr_t* attr ,

const struct sched_param* restrict param)

param

param 用来设置新创建线程的优先级

int pthread_attr_setschedpolicy

(pthread_attr_t* attr, int policy)

policy

Policy 用来设置先创建线程的调度

策略

int pthread_attr_setscope

(pthread_attr_t* attr ,

int contentionscope)

contentionscope

contentionscope 用于设置新创建线

程的作用域

int pthread_attr_setstack

(pthread_attr_t* attr, void* stackader, size_t stacksize)

stackader

stacksize

两者共同决定了线程栈的基地址

以及堆栈的最小尺寸（以字节为单位）

int pthread_attr_setstackaddr(pthread _attr_t* attr, void*stackader)

stackader

stackader 决定了新创建线程的栈的基地址

int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t* attr, size_t stacksize) stacksize 决定了新创建线程的栈的最小尺寸

guardsize意思是如果我们使用线程栈超过了设定大小之后，系统还会使用部分扩展内存来防止栈溢出。而这部分扩展内存大小就是guardsize. 不过如果自己修改了栈分配位置的话，那么这个选项失效，效果相当于将guardsize设置为0.

每个线程都存在自己的堆栈，如果这些堆栈是相连的话，访问超过自己的堆栈的话那么可能会修改到其他线程的堆栈。如果我们设置了guardsize的话，线程堆栈会多开辟guarszie大小的内存，当访问到这块内存时会触发SIGSEGV信号。

进程的调度策略和优先级属于主线程，换句话说就是设置进程的调度策略和优先级只会影响主线程的调度策略和优先级，而不会改变对等线程的调度策略和优先级（注这句话不完全正确）。每个对等线程可以拥有它自己的独立于主线程的调度策略和优先级。

在 Linux 系统中，进程有三种调度策略：SCHED_FIFO、SCHED_RR 和 SCHED_OTHER，线程也不例外，也具有这三种策略。

在 pthread 库中，提供了一个函数，用来设置被创建的线程的调度属性：是从创建者线程继承调度属性（调度策略和优先级），还是从属性对象设置调度属性。该函数就是：

int pthread_attr_setinheritsched (pthread_attr_t * attr, int inherit) 其中，inherit 的值为下列值中的其一：

enum

{

PTHREAD_INHERIT_SCHED, //线程调度属性从创建者线程继承

PTHREAD_EXPLICIT_SCHED //线程调度属性设置为 attr 设置的属性

};

如果在创建新的线程时，调用该函数将参数设置为 PTHREAD_INHERIT_SCHED 时，那么当修改进程的优先级时，该进程中继承这个优先级并且还没有改变其优先级的所有线程也将会跟着改变优先级（也就是刚才那句话部分正确的原因）。

下面写个程序测试一下：

        C++ Code  

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

#include <pthread.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <errno.h>

#include <string.h>

#define ERR_EXIT(m) \

do \

{ \

perror(m); \

exit(EXIT_FAILURE); \

} while(0)

int main(void)

{

pthread_attr_t attr;

pthread_attr_init(&attr);

int state;

pthread_attr_getdetachstate(&attr, &state);

if (state == PTHREAD_CREATE_JOINABLE)

printf("detachstate:PTHREAD_CREATE_JOINABLE\n");

else if (state == PTHREAD_CREATE_DETACHED)

printf("detachstate:PTHREAD_CREATE_DETACHED");

size_t size;

pthread_attr_getstacksize(&attr, &size);

printf("stacksize:%d\n", size);

pthread_attr_getguardsize(&attr, &size);

printf("guardsize:%d\n", size);

int scope;

pthread_attr_getscope(&attr, &scope);

if (scope == PTHREAD_SCOPE_PROCESS)

printf("scope:PTHREAD_SCOPE_PROCESS\n");

if (scope == PTHREAD_SCOPE_SYSTEM)

printf("scope:PTHREAD_SCOPE_SYSTEM\n");

int policy;

pthread_attr_getschedpolicy(&attr, &policy);

if (policy == SCHED_FIFO)

printf("policy:SCHED_FIFO\n");

else if (policy == SCHED_RR)

printf("policy:SCHED_RR\n");

else if (policy == SCHED_OTHER)

printf("policy:SCHED_OTHER\n");

int inheritsched;

pthread_attr_getinheritsched(&attr, &inheritsched);

if (inheritsched == PTHREAD_INHERIT_SCHED)

printf("inheritsched:PTHREAD_INHERIT_SCHED\n");

else if (inheritsched == PTHREAD_EXPLICIT_SCHED)

printf("inheritsched:PTHREAD_EXPLICIT_SCHED\n");

struct sched_param param;

pthread_attr_getschedparam(&attr, &param);

printf("sched_priority:%d\n", param.sched_priority);

pthread_attr_destroy(&attr);

return 0;

}

在调用各个函数设置线程属性对象的属性时需要先调用

pthread_attr_init 初始化这个对象，最后调用pthread_attr_destroy 销毁这个对象。

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/pthread$ ./pthread_attr

detachstate:PTHREAD_CREATE_JOINABLE

stacksize:8388608

guardsize:4096

scope:PTHREAD_SCOPE_SYSTEM

policy:SCHED_OTHER // 普通线程

inheritsched:PTHREAD_INHERIT_SCHED

sched_priority:0

二、线程特定数据 Thread-specific Data

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。

POSIX线程库通过维护一定的数据结构来解决这个问题，这个些数据称为（Thread-specific Data，或 TSD）。

相关函数如下：

int pthread_key_create(pthread_key_t *key, void (*destructor)(void*));

int pthread_key_delete(pthread_key_t key);

void *pthread_getspecific(pthread_key_t key);

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

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

pthread_once_t once_control = PTHREAD_ONCE_INIT;

当调用pthread_key_create 后会产生一个所有线程都可见的线程特定数据（TSD）的pthread_key_t 值，调用pthread_setspecific 后会将每个线程的特定数据与pthread_key_t 绑定起来，虽然只有一个pthread_key_t，但每个线程的特定数据是独立的内存空间，当线程退出时会执行destructor 函数。

        C++ Code  

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

#include <pthread.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <errno.h>

#include <string.h>

#define ERR_EXIT(m) \

do \

{ \

perror(m); \

exit(EXIT_FAILURE); \

} while(0)

typedef struct tsd

{

pthread_t tid;

char *str;

} tsd_t;

pthread_key_t key_tsd;

pthread_once_t once_control = PTHREAD_ONCE_INIT;

void destroy_routine(void *value)

{

printf("destory ...\n");

free(value);

}

void once_routine(void)

{

pthread_key_create(&key_tsd, destroy_routine);

printf("key init ...\n");

}

void *thread_routine(void *arg)

{

pthread_once(&once_control, once_routine);

tsd_t *value = (tsd_t *)malloc(sizeof(tsd_t));

value->tid = pthread_self();

value->str = (char *)arg;

pthread_setspecific(key_tsd, value);

printf("%s setspecific ptr=%p\n", (char *)arg, value);

value = pthread_getspecific(key_tsd);

printf("tid=0x%x str=%s ptr=%p\n", (int)value->tid, value->str, value);

sleep(2);

value = pthread_getspecific(key_tsd);

printf("tid=0x%x str=%s ptr=%p\n", (int)value->tid, value->str, value);

return NULL;

}

int main(void)

{

//pthread_key_create(&key_tsd, destroy_routine);

pthread_t tid1;

pthread_t tid2;

pthread_create(&tid1, NULL, thread_routine, "thread1");

pthread_create(&tid2, NULL, thread_routine, "thread2");

pthread_join(tid1, NULL);

pthread_join(tid2, NULL);

pthread_key_delete(key_tsd);

return 0;

}

主线程创建了两个线程然后join 等待他们退出；给每个线程的执行函数都是thread_routine，thread_routine 中调用了pthread_once，此函数表示如果当第一个线程调用它时会执行once_routine，然后从once_routine返回即pthread_once 返回，而接下去的其他线程调用它时将不再执行once_routine，此举是为了只调用pthread_key_create 一次，即产生一个pthread_key_t 值。

在thread_routine 函数中自定义了线程特定数据的类型，对于不同的线程来说TSD的内容不同，假设线程1在第一次打印完进入睡眠的时候，线程2也开始执行并调用pthread_setspecific 绑定线程2的TSD 和key_t，此时线程1调用pthread_getspecific 返回key_t 绑定的TSD指针，仍然是线程1的TSD指针，即虽然key_t 只有一个，但每个线程都有自己的TSD。

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/pthread$ ./pthread_tsd

key init ...

thread2 setspecific ptr=0xb6400468

tid=0xb6d90b40 str=thread2 ptr=0xb6400468

thread1 setspecific ptr=0xb6200468

tid=0xb7591b40 str=thread1 ptr=0xb6200468

destory ...

tid=0xb6d90b40 str=thread2 ptr=0xb6400468

destory ...

其中tid 是线程的id，str 是传递给thread_routine 的参数，可以看到有两个不同的ptr，且destroy 调用两次。

参考：

《UNP》