在Linux系统中使用C/C++进行多线程编程时，我们遇到最多的就是对同一变量的多线程读写问题，大多情况下遇到这类问题都是通过锁机制来处理，但这对程序的性能带来了很大的影响，当然对于那些系统原生支持原子操作的数据类型来说，我们可以使用原子操作来处理，这能对程序的性能会得到一定的提高。那么对于那些系统不支持原子操作的自定义数据类型，在不使用锁的情况下如何做到线程安全呢？本文将从线程局部存储方面，简单讲解处理这一类线程安全问题的方法。
一、数据类型
在C/C++程序中常存在全局变量、函数内定义的静态变量以及局部变量，对于局部变量来说，其不存在线程安全问题，因此不在本文讨论的范围之内。全局变量和函数内定义的静态变量，是同一进程中各个线程都可以访问的共享变量，因此它们存在多线程读写问题。在一个线程中修改了变量中的内容，其他线程都能感知并且能读取已更改过的内容，这对数据交换来说是非常快捷的，但是由于多线程的存在，对于同一个变量可能存在两个或两个以上的线程同时修改变量所在的内存内容，同时又存在多个线程在变量在修改的时去读取该内存值，如果没有使用相应的同步机制来保护该内存的话，那么所读取到的数据将是不可预知的，甚至可能导致程序崩溃。
如果需要在一个线程内部的各个函数调用都能访问、但其它线程不能访问的变量，这就需要新的机制来实现，我们称之为Static memory local to a thread (线程局部静态变量)，同时也可称之为线程特有数据（TSD: Thread-Specific Data）或者线程局部存储（TLS: Thread-Local Storage）。这一类型的数据，在程序中每个线程都会分别维护一份变量的副本(copy)，并且长期存在于该线程中，对此类变量的操作不影响其他线程。如下图：
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 <pthread.h>
// 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 <pthread.h> // Returns 0 on success, or a positive error number on error int pthread_key_create (pthread_key_t *key, void (*destructor)(void *)); // 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。
