线程局部存储

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概述

线程局部存储 (TLS) 机制可以分配变量,使每个现有的线程都有相应变量实例。ESP-IDF 提供了以下三种方法,支持使用此类变量:

FreeRTOS 原生 API

ESP-IDF FreeRTOS 提供以下 API,用于管理线程局部变量:

此时,可以分配的最大变量数量受 CONFIG_FREERTOS_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS 限制。变量保存在任务控制块 (TCB) 中,并由其索引访问。注意,索引 0 保留,供 ESP-IDF 内部使用。

通过使用上述 API,你可以分配任意大小的线程局部变量,并将其分配给任意数量的任务。不同任务可以拥有不同的 TLS 变量集。

如果变量大小超过 4 个字节,你需要负责为其分配/释放内存。在任务删除时,FreeRTOS 会释放变量,但必须提供回调函数来适当清理。

Pthread API

ESP-IDF 提供以下 POSIX Threads Support,用于管理线程局部变量:

  • pthread_key_create()

  • pthread_key_delete()

  • pthread_getspecific()

  • pthread_setspecific()

Pthread API 具备 FreeRTOS 原生 API 的所有优点,并突破了 FreeRTOS 原生 API 的部分限制,如变量数量仅受堆上可用内存大小的限制。然而由于 Pthread API 具备动态性质,与原生 API 相比,这个 API 引入了额外的性能开销。

C11 标准

ESP-IDF FreeRTOS 支持基于 C11 标准的线程局部变量,使用 __thread 关键字指定。要了解 GCC 功能详情,请参阅 GCC 文档

这类变量的存储空间分配在任务栈上。请注意,即使任务根本不使用这些变量,程序中所有这类变量的存储区域都会在系统中每个任务的栈上分配。例如,ESP-IDF 系统任务(如 ipctimer 任务等)也有额外的栈空间分配。因此,使用这个特性时,需要谨慎考虑。

在使用 C11 线程局部变量时,可以针对以下特点进行权衡:在编程中使用 C11 线程局部变量非常方便,使用最少的 CPU 指令即可访问,但这一优势的代价是系统中所有任务都会额外使用栈。由于变量分配的静态性质,系统中的所有任务具有一组相同的 C11 线程局部变量。