C# 兩大線程本地存儲解決方案：ThreadStatic 與 ThreadLocal

一、線程本地存儲

在 C# 中，static 關(guān)鍵字定義的變量，其作用域是在應(yīng)用程序域（AppDomain）內(nèi)共享的。因此，在多線程操作時，對同一個靜態(tài)變量進行操作可能會導(dǎo)致并發(fā)問題，如鎖競爭等。這種情況下，我們需要一種機制，使某些變量對每個線程獨立，從而避免鎖競爭問題。

線程本地存儲（Thread-Local Storage，TLS）是一種機制，允許每個線程擁有自己的變量副本。這意味著每個線程對變量的訪問都是獨立的，互不干擾。

例如，線程安全的 ConcurrentBag 底層的實現(xiàn)就用到了 ThreadLocal 變量，來實現(xiàn)線程間的獨立數(shù)據(jù)存儲。

二、C# 中的解決方案

1. ThreadStatic 特性

概念與用法

ThreadStatic 是一個用于靜態(tài)字段的特性，可以使字段在每個線程中都有一個獨立的實例。

示例代碼

internal class Program
{
    [ThreadStatic]
    private static int _threadSpecificData = -1;

    static void Main(string[] args)
    {
        Task.Run(() =>
        {
            _threadSpecificData = 1;
            Console.WriteLine($"第1個線程，線程id： {Environment.CurrentManagedThreadId}: {_threadSpecificData}");
        });

        Task.Run(() =>
        {
            _threadSpecificData = 2;
            Console.WriteLine($"第2個線程，線程id：{Environment.CurrentManagedThreadId}: {_threadSpecificData}");
        });

        Console.ReadKey();
    }
}

輸出：

第1個線程，線程id： 9: 1
第2個線程，線程id：8: 2

注意事項

只能用于 static 字段。
每個線程使用變量前，初始化變量。定義變量時，賦值的變量初始值，只會有一個線程的變量有這個初始值，其他線程變量副本是沒有賦值的狀態(tài)。特別主要引用類型的變量，會是null.

2. ThreadLocal 類

概念與用法

ThreadLocal<T> 是 .NET 提供的一個泛型類，用于更靈活地實現(xiàn)線程本地存儲。它允許每個線程擁有獨立的值，并支持通過工廠方法初始化每個線程的值。

示例代碼

 internal class Program
 {
     static void Main(string[] args)
     {
         ThreadLocal<int> _threadSpecificData = new ThreadLocal<int>(() => Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);

         Task.Run(() =>
         {
             Console.WriteLine($"第1個線程，線程id： {Environment.CurrentManagedThreadId}: value： {_threadSpecificData}");
         });

         Task.Run(() =>
         {
             Console.WriteLine($"第1個線程，線程id： {Environment.CurrentManagedThreadId}: value： {_threadSpecificData}");
         });
         Console.ReadKey();
     }
 }

輸出：

第1個線程，線程id： 8: value： 8
第1個線程，線程id： 6: value： 6

特點

支持 Func 委托延遲初始化

區(qū)別

三、線程本地存儲到底存儲在什么地方

線程本地存儲的引用地址是存在 TLS（Thread Local Storage）上。
TLS（Thread Local Storage）： 用于存儲線程私有數(shù)據(jù)。
TEB（Thread Environment Block）： 在線程的本地存儲之上，是線程的環(huán)境塊，保存了線程的上下文信息。
PEB（Process Environment Block）： 進程環(huán)境塊，用于存儲進程級的全局信息。

以下是內(nèi)存結(jié)構(gòu)的示意圖：

+----------------+
|   PEB          |
+----------------+
|   TEB          | <-- 多個線程
+----------------+
|   TLS          |
+----------------+

四、應(yīng)用場景

示例 1：用于日志記錄中的線程上下文

在日志記錄中，通過線程本地存儲可以為每個線程存儲獨立的上下文信息。在多線程應(yīng)用程序中，每個線程可能需要記錄不同級別的日志。使用ThreadLocal可以為每個線程分配一個獨立的日志記錄器實例，從而避免日志記錄的競爭和同步問題。

internal class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Task.Run(() =>
        {
            logger.SetContext("線程A");                
            logger.log("在執(zhí)行第1步操作");
            Thread.Sleep(200);
            logger.log("在執(zhí)行第2步操作");
            logger.log("執(zhí)行完了");
        });

        Task.Run(() =>
        {
            logger.SetContext("線程B");
            logger.log("在執(zhí)行第1步操作");
            logger.log("遇到異常，退出了");
        });
        Console.ReadKey();
    }
}

class logger
{
    private static ThreadLocal<string> _context = new ThreadLocal<string>();

    public static void SetContext(string context)
    {
        _context.Value = context;
    }

    public static void log(string message)
    {
        Console.WriteLine($"[{_context.Value}]{message}");
    }
}

輸出：

[線程A]在執(zhí)行第1步操作
[線程B]在執(zhí)行第1步操作
[線程B]遇到異常，退出了
[線程A]在執(zhí)行第2步操作
[線程A]執(zhí)行完了

五、總結(jié)

C# 提供了兩種線程本地存儲解決方案：
ThreadStatic：簡單直接，但初始化靈活性較差。
ThreadLocal：功能強大，適合更復(fù)雜的場景。

根據(jù)具體應(yīng)用場景選擇合適的方案，可以顯著提高程序的性能和線程安全性。