C++多线程编程必备技能：使用thread_local实现线程隔离

一、什么是thread_local

在多线程编程中，线程隔离是非常重要的概念。thread_local是C++11标准中新增的关键字，它可以保证每个线程都有自己的一份变量副本，不同线程之间互不干扰。我们可以使用thread_local来解决一些常见的线程问题，比如线程安全问题、资源竞争问题、异常处理问题等。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <string>

thread_local int g_num = 0;  // 定义一个线程局部变量

void foo()
{
    ++g_num;
    std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << ": " << g_num << std::endl;
}

int main()
{
    std::thread t1(foo);
    std::thread t2(foo);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了一个线程局部变量g_num，然后在不同的线程中调用foo函数，修改g_num的值，并输出。我们可以看到，每个线程都有自己的一份g_num副本，并且互不干扰。

二、线程安全问题与thread_local

在多线程编程中，线程安全问题是一件非常头疼的事情。很多时候我们需要用一些锁或者原子操作来保护共享变量，才能避免竞争问题。但是在一些情况下，我们可以使用thread_local来解决线程安全问题。比如：

1.函数内全局变量或静态变量

#include <iostream>
#include <thread>

void foo()
{
    static thread_local int num = 0;
    ++num;
    std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << ": " << num << std::endl;
}

int main()
{
    std::thread t1(foo);
    std::thread t2(foo);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

在上面的代码中，我们使用了函数内的static thread_local变量，这样每个线程都有自己的一份num副本，不同线程之间互不干扰。

2.全局变量或静态变量

#include <iostream>
#include <thread>

thread_local int g_num = 0;

void foo()
{
    ++g_num;
    std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << ": " << g_num << std::endl;
}

int main()
{
    std::thread t1(foo);
    std::thread t2(foo);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

在上面的代码中，我们使用了全局变量thread_local int g_num来保证线程隔离。这样每个线程都有自己的一份g_num副本，不同线程之间互不干扰。

三、使用thread_local来实现资源隔离

在一些特殊的场景下，我们需要使用线程隔离来避免资源竞争问题。比如在多线程网络编程中，每个线程都需要一个独立的socket来进行通信。我们可以使用thread_local来保证每个线程都有自己的一份socket副本，从而避免竞争问题。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

thread_local int g_socket = -1;  // 定义一个线程局部变量socket

void foo()
{
    // 每个线程都创建自己的socket
    g_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 使用socket进行通信...
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

    // 关闭socket
    close(g_socket);
}

int main()
{
    std::thread t1(foo);
    std::thread t2(foo);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

在上面的代码中，我们使用了thread_local int g_socket来保证线程隔离。每个线程都有自己的一份socket副本，在函数内使用该socket进行通信后再关闭。

四、使用thread_local来处理异常

在多线程编程中，异常处理也是一个非常重要的问题。比如在一个多线程的web服务器中，如果一个请求处理出现异常，我们需要确保不影响其他请求的处理。这时候我们可以使用thread_local来保证每个线程都有自己的一份异常处理函数，从而避免影响其他线程。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <stdexcept>

thread_local void* g_exception_handler = nullptr;

void set_exception_handler(void* handler)  // 设置该线程的异常处理函数
{
    g_exception_handler = handler;
}

void handle_exception(const std::exception& e)  // 处理异常
{
    if (g_exception_handler) {
        static_cast<void(*)(const std::exception&)>(g_exception_handler)(e);
    }
    else {
        std::cerr << "Unhandled exception: " << e.what() << std::endl;
    }
}

void foo(int n)
{
    set_exception_handler([](const std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception in thread " << std::this_thread::get_id() << ": " << e.what() << std::endl;
    });

    if (n % 2 == 0) {
        throw std::logic_error("Even number is not allowed.");
    }
}

int main()
{
    std::thread t1(foo, 1);
    std::thread t2(foo, 2);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

在上面的代码中，我们使用了thread_local void* g_exception_handler来保证每个线程都有自己的一份异常处理函数。在foo函数中，我们设置该线程的异常处理函数，如果该线程抛出了异常，就会调用该异常处理函数。这样我们就可以保证不同线程之间的异常处理互不干扰。