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C++八股 —— 线程本地存储技术

news 2025/10/10 10:32:43

文章目录

- 一、基本概念
- 二、底层机制
- 三、C++实现（C++11）
- - 1. 基本用法
  - 2. 线程局部静态变量
  - 3. 线程局部缓存
- 四、性能特点及应用场景
- - 1. 性能特点
  - 2. 应用场景

面试问题：

一般情况下，单例模式创建的对象在一个进程中是所有线程共享一个的，如果需要一个线程有一个单独的单例对象应该如何实现？

答案：使用线程本地存储技术

一、基本概念

什么是线程本地存储

线程本地存储（Thread Local Storage, TLS）是一种存储机制，其中变量不是被所有线程共享，而是每个线程都有该变量的独立副本。

核心特性：

线程隔离：每个线程看到的变量值不同
自动管理：线程创建时分配，线程结束时自动释放
静态生命周期：类似静态变量，但每个线程独立
访问效率：通常通过线程特定的指针表快速访问

二、底层机制

操作系统层面的实现原理

Windows系统

// Windows 使用 TLS 索引机制
DWORD tls_index = TlsAlloc();  // 分配 TLS 索引// 在每个线程中设置/获取 TLS 值
TlsSetValue(tls_index, thread_data);
void* data = TlsGetValue(tls_index);// 释放 TLS 索引
TlsFree(tls_index);

POSIX (pthread) TLS

// POSIX 线程使用 pthread_key_t
pthread_key_t key;// 创建 TLS 键，可指定析构函数
pthread_key_create(&key, destructor_function);// 在每个线程中设置/获取 TLS 值
pthread_setspecific(key, thread_data);
void* data = pthread_getspecific(key);// 删除 TLS 键
pthread_key_delete(key);

内存布局

进程内存空间
├── 全局变量区 (所有线程共享)
├── 堆区 (所有线程共享)
├── 每个线程的栈
│   ├── 线程1栈
│   ├── 线程2栈
│   └── ...
└── TLS 区域├── 线程1的TLS副本├── 线程2的TLS副本└── ...

TLS内存模型

Thread Control Block (TCB)
├── 线程ID
├── 栈指针
├── 其他线程信息
└── TLS 块指针 → TLS 内存块├── TLS 变量 1├── TLS 变量 2├── ...└── TLS 变量 N

三、C++实现（C++11）

1. 基本用法

代码

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>// 声明线程局部变量
thread_local int thread_specific_value = 0;
thread_local std::string thread_name = "unknown";void worker(int id) {// 每个线程有独立的变量副本thread_specific_value = id * 100;thread_name = "Worker-" + std::to_string(id);std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << ": value = " << thread_specific_value<< ", name = " << thread_name << std::endl;// 修改变量不影响其他线程thread_specific_value += 50;std::cout << "Modified value: " << thread_specific_value << std::endl;
}int main() {std::vector<std::thread> threads;// 主线程也有自己的 TLS 副本thread_specific_value = 999;thread_name = "MainThread";// 创建多个工作线程for (int i = 1; i <= 3; i++) {threads.emplace_back(worker, i);}// 主线程的 TLS 值保持不变std::cout << "Main thread value: " << thread_specific_value << std::endl;for (auto& t : threads) {t.join();}return 0;
}

输出

Main thread value: 999
Thread 140245316257536: value = 100, name = Worker-1
Thread 140245307864832: value = 200, name = Worker-2
Modified value: 150
Thread 140245299472128: value = 300, name = Worker-3
Modified value: 250
Modified value: 350

2. 线程局部静态变量

线程隔离的单例模式实现

class ThreadLocalDatabase {
private:ThreadLocalDatabase() {std::cout << "Database connection created for thread: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;}public:static ThreadLocalDatabase& getInstance() {// 每个线程有独立的静态实例static thread_local ThreadLocalDatabase instance;return instance;}void query(const std::string& sql) {std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id()<< " executing: " << sql << std::endl;}// 禁止拷贝ThreadLocalDatabase(const ThreadLocalDatabase&) = delete;ThreadLocalDatabase& operator=(const ThreadLocalDatabase&) = delete;
};void database_worker(int id) {auto& db = ThreadLocalDatabase::getInstance();db.query("SELECT * FROM table WHERE id = " + std::to_string(id));
}

3. 线程局部缓存

#include <unordered_map>
#include <mutex>class ThreadLocalCache {
private:// 每个线程有自己的缓存映射thread_local static std::unordered_map<std::string, std::string> cache_;// 共享数据的保护锁（所有线程共享）static std::mutex global_mutex_;public:static std::string get(const std::string& key) {// 首先检查线程局部缓存auto it = cache_.find(key);if (it != cache_.end()) {return it->second;}// 缓存未命中，从共享数据源获取std::lock_guard<std::mutex> lock(global_mutex_);std::string value = fetch_from_global_source(key);// 存入线程局部缓存cache_[key] = value;return value;}static void clear() {cache_.clear();}private:static std::string fetch_from_global_source(const std::string& key) {// 模拟从数据库或网络获取数据return "value_for_" + key;}
};// 静态成员定义
thread_local std::unordered_map<std::string, std::string> ThreadLocalCache::cache_;
std::mutex ThreadLocalCache::global_mutex_;