C# 两大线程本地存储解决方案：ThreadStatic 与 ThreadLocal

一、线程本地存储

在 C# 中，static 关键字定义的变量，其作用域是在应用程序域（AppDomain）内共享的。因此，在多线程操作时，对同一个静态变量进行操作可能会导致并发问题，如锁竞争等。这种情况下，我们需要一种机制，使某些变量对每个线程独立，从而避免锁竞争问题。

线程本地存储（Thread-Local Storage，TLS）是一种机制，允许每个线程拥有自己的变量副本。这意味着每个线程对变量的访问都是独立的，互不干扰。

例如，线程安全的 ConcurrentBag 底层的实现就用到了 ThreadLocal 变量，来实现线程间的独立数据存储。

二、C# 中的解决方案

1. ThreadStatic 特性

概念与用法

ThreadStatic 是一个用于静态字段的特性，可以使字段在每个线程中都有一个独立的实例。

示例代码

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

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

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

        Console.ReadKey();
    }
}

输出：

第1个线程，线程id： 9: 1
第2个线程，线程id：8: 2

注意事项

只能用于 static 字段。
每个线程使用变量前，初始化变量。定义变量时，赋值的变量初始值，只会有一个线程的变量有这个初始值，其他线程变量副本是没有赋值的状态。特别主要引用类型的变量，会是null.

2. ThreadLocal 类

概念与用法

ThreadLocal<T> 是 .NET 提供的一个泛型类，用于更灵活地实现线程本地存储。它允许每个线程拥有独立的值，并支持通过工厂方法初始化每个线程的值。

示例代码

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

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

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

输出：

第1个线程，线程id： 8: value： 8
第1个线程，线程id： 6: value： 6

特点

支持 Func 委托延迟初始化

区别

三、线程本地存储到底存储在什么地方

线程本地存储的引用地址是存在 TLS（Thread Local Storage）上。
TLS（Thread Local Storage）： 用于存储线程私有数据。
TEB（Thread Environment Block）： 在线程的本地存储之上，是线程的环境块，保存了线程的上下文信息。
PEB（Process Environment Block）： 进程环境块，用于存储进程级的全局信息。

以下是内存结构的示意图：

+----------------+
|   PEB          |
+----------------+
|   TEB          | <-- 多个线程
+----------------+
|   TLS          |
+----------------+

四、应用场景

示例 1：用于日志记录中的线程上下文

在日志记录中，通过线程本地存储可以为每个线程存储独立的上下文信息。在多线程应用程序中，每个线程可能需要记录不同级别的日志。使用ThreadLocal可以为每个线程分配一个独立的日志记录器实例，从而避免日志记录的竞争和同步问题。

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

        Task.Run(() =>
        {
            logger.SetContext("线程B");
            logger.log("在执行第1步操作");
            logger.log("遇到异常，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}");
    }
}

输出：

[线程A]在执行第1步操作
[线程B]在执行第1步操作
[线程B]遇到异常，退出了
[线程A]在执行第2步操作
[线程A]执行完了

五、总结

C# 提供了两种线程本地存储解决方案：
ThreadStatic：简单直接，但初始化灵活性较差。
ThreadLocal：功能强大，适合更复杂的场景。

根据具体应用场景选择合适的方案，可以显著提高程序的性能和线程安全性。