概述

      在开发过程中，我们经常会遇到并发问题，解决并发问题通常的方法是加锁保护，比如常用的spinlock，mutex或者rwlock，当然也可以采用无锁编程，对实现要求就比较高了。对于任何一个共享变量，只要有读写并发，就需要加锁保护，而读写并发通常就会面临一个基本问题，写阻塞读，或则写优先级比较低，就会出现写饿死的现象。这些加锁的方法可以归类为悲观锁方法，今天介绍一种乐观锁机制来控制并发，每个线程通过线程局部变量缓存共享变量的副本，读不加锁，读的时候如果感知到共享变量发生变化，再利用共享变量的最新值填充本地缓存；对于写操作，则需要加锁，通知所有线程局部变量发生变化。所以，简单来说，就是读不加锁，读写不冲突，只有写写冲突。这个实现逻辑来源于Rocksdb的线程局部缓存实现，下面详细介绍Rocksdb的线程局部缓存ThreadLocalPtr的原理。

线程局部存储(TLS)

简单介绍下线程局部变量，线程局部变量就是每个线程有自己独立的副本，各个线程对其修改相互不影响，虽然变量名相同，但存储空间并没有关系。一般在linux 下，我们可以通过以下三个函数来实现线程局部存储创建，存取功能。

int pthread_key_create(pthread_key_t *key, void (*destr_function) (void*)), 
int pthread_setspecific(pthread_key_t key, const void *pointer) ,
void * pthread_getspecific(pthread_key_t key)

ThreadLocalPtr类

     有时候，我们并不想要各个线程独立的变量，我们仍然需要一个全局变量，线程局部变量只是作为全局变量的缓存，用以缓解并发。在RocksDB中ThreadLocalPtr这个类就是来干这个事情的。ThreadLocalPtr类包含三个内部类，ThreadLocalPtr::StaticMeta，ThreadLocalPtr::ThreadData和ThreadLocalPtr::Entry。其中StaticMeta是一个单例，管理所有的ThreadLocalPtr对象，我们可以简单认为一个ThreadLocalPtr对象，就是一个线程局部存储(ThreadLocalStorage)。但实际上，全局我们只定义了一个线程局部变量，从StaticMeta构造函数可见一斑。那么全局需要多个线程局部缓存怎么办，实际上是在局部存储空间做文章，线程局部变量实际存储的是ThreadData对象的指针，而ThreadData里面包含一个数组，每个ThreadLocalPtr对象有一个独立的id，在其中占有一个独立空间。获取某个变量局部缓存时，传入分配的id即可，每个Entry中ptr指针就是对应变量的指针。

ThreadLocalPtr::StaticMeta::StaticMeta() : next_instance_id_(0), head_(this) {
  if (pthread_key_create(&pthread_key_, &OnThreadExit) != 0) {
    abort();
  }
  ......
}

void* ThreadLocalPtr::StaticMeta::Get(uint32_t id) const {
   auto* tls = GetThreadLocal();
   return tls->entries[id].ptr.load(std::memory_order_acquire);
}

struct Entry {
  Entry() : ptr(nullptr) {}
  Entry(const Entry& e) : ptr(e.ptr.load(std::memory_order_relaxed)) {}
  std::atomic<void*> ptr;
};

整体结构如下：每个线程有一个线程局部变量ThreadData，里面包含了一组ThreadLocalPtr的指针，对应的是多个变量，同时ThreadData之间相互通过指针串联起来，这个非常重要，因为执行写操作时，写线程需要修改所有thread的局部缓存值来通知共享变量发生变化了。

 ---------------------------------------------------
 |          | instance 1 | instance 2 | instnace 3 |
 ---------------------------------------------------
 | thread 1 |    void*   |    void*   |    void*   | <- ThreadData
 ---------------------------------------------------
 | thread 2 |    void*   |    void*   |    void*   | <- ThreadData
 ---------------------------------------------------
 | thread 3 |    void*   |    void*   |    void*   | <- ThreadData

struct ThreadData {
  explicit ThreadData(ThreadLocalPtr::StaticMeta* _inst)
      : entries(), inst(_inst) {}
  std::vector<Entry> entries;
  ThreadData* next;
  ThreadData* prev;
  ThreadLocalPtr::StaticMeta* inst;
};

读写无并发冲突

     现在说到最核心的问题，我们如何实现利用TLS来实现本地局部缓存，做到读不上锁，读写无并发冲突。读、写逻辑和并发控制主要通过ThreadLocalPtr中通过3个关键接口Swap，CompareAndSwap和Scrape实现。对于ThreadLocalPtr< Type* > 变量来说，在具体的线程局部存储中，会保存3中不同类型的值：

  1). 正常的Type* 类型指针；

  2). 一个Type*类型的Dummy变量，记为InUse;

  3). nullptr值，记为obsolote;

读线程通过Swap接口来获取变量内容，写线程则通过Scrape接口，遍历并重置所有ThreadData为(obsolote)nullptr，达到通知其他线程局部缓存失效的目的。下次读线程再读取时，发现获取的指针为nullptr，就需要重新构造局部缓存。

//获取某个id对应的局部缓存内容，每个ThreadLocalPtr对象有单独一个id，通过单例StaticMeta对象管理。
void* ThreadLocalPtr::StaticMeta::Swap(uint32_t id, void* ptr) {
//获取本地局部缓存
auto* tls = GetTh