线程局部存储区

Posted 2020-06-12

21.1 动态TLS

21.1.1 为什么要使用线程局部存储

　　编写多线程程序的时候都希望存储一些线程私有的数据，我们知道，属于每个线程私有的数据包括线程的栈和当前的寄存器，但是这两种存储都是非常不可靠的，栈会在每个函数退出和进入的时候被改变，而寄存器更是少得可怜。假设我们要在线程中使用一个全局变量，但希望这个全局变量是线程私有的，而不是所有线程共享的，该怎么办呢？这时候就须要用到线程局部存储（TLS，Thread Local Storage）这个机制了。

21.1.2 动态TLS 

（1）每个进程都有一组正在使用标志，共TLS_MINIMUM_AVAILABLE个。每个标志可以被设为FREE或INUSE，表示该TLS元素是否正在使用。（注意这组标志属进程所有）

（2）当系统创建一个线程的时候，会为该线程分配与线程关联的、属于线程自己的PVOID型数组（共有TLS_MINIMUM_AVAILBALE个元素），数组中的每个PVOID可以保存任意值。

21.1.3 使用动态TLS

（1）调用TlsAlloc函数

　　①该函数会检索系统进程中的位标志并找到一个FREE标志，然后将该标志从FREE改为INUSE，并返回该标志在位数组中的索引，通常将该索引保存在一个全局变量中，因为这个值会在整个进程范围内（而不是线程范围内）使用。

　　②如果TlsAlloc无法在列表中找到一个FREE标志，会返回TLS_OUT_OF_INDEXES。

　　③以上就是TlsAlloc99%的工作，剩1%的工作就是在函数返回之前，会遍历进程中的每个线程，并根据新分配的索引，在每个线程的Tls数组中把对应的素素设为0（具体原因请看后面的分析）。

（2）调用TlsSetValue(dwTlsIndex,pvTlsValue)将一个值放到线程的数组中

　　①该函数把pvTlsValue所标志的一个PVOID值放到线程的数组中,dwTlsIndex指定了在数组中的具体位置（由TlsAlloc得到）

　　②当一个线程调用TlsSetValue的时候，会修改自己的数组。但它无法修改另一个线程的TLS数组中的值。

（3）从线程的数组中取回一个值：PVOID TlsGetValue(dwTlsIndex)

　　①与TlsSetValue相似，TlsGetValue中会查看属于调用线程的数组

（4）释放己经预订的TLS元素：TlsFree(dwTlsIndex)

　　①该函数会将进程内的位标志数组对应的INUSE标志重设回FREE

　　②同时该函数还会将所有线程中该元素的内容设为0。

　　③试图释放一个尚未分配的TLS元素将导致错误

21.1.4编写类似_tcstok_s函数

DWORD g_dwTlsIndex; //假设这个全局变量是通过TlsAlloc函数来初始化的

void MyFunction(PSOMESTRUCT PSomeStruct){

    if (pSomeStruct != NULL){
        //调用者正在启用该函数，就像strok函数第一次传入非NULL，
        //以后传为NULL

        //检查是否己经为数据分配存储空间
        if (TlsGetValue(g_dwTlsIndex) == NULL)
            //线程第一次调用该函数时，该空间尚未分配
            //TlsAlloc函数返回之前，会将进程中所有线程的g_dwTlsIndex元素
            //清零，以保证这句代码不会出错非空的现象！

            //通过TLS能保证分配的空间只与调用线程相关联
            TlsSetValue(g_dwTlsIndex,  
                        HeapAlloc(GetProcessHeap(), 0, sizeof(*pSomeStruct));
        }

        //将传入的pSomeStruct数据保存刚才那个只与调用线程相关的存储空间中
        memcpy(TlsGetValue(g_dwTlsIndex), pSomeStruct, sizeof(*pSomeStruct));
    } else{ 
        //调用者己经第二次（或以上）调用该函数，会传入NULL参数
 
        //取出数据
        pSomeStruct = (PSOMESTRUCT)TlsGetValue(g_dwTlsIndex);

        //以下可以开始pSomeStruct这个数据了。
        ...
    }
}

21.2 静态TLS

（1）静态TLS变量的声明

　　①__thread int number;//GCC使用__thread关键字声明

　　②__declspec(thread) int number; //MSVC使用__declspec(thread)声明

（2）Windows中静态TLS的实现原理

　　①对于Windows系统来说，正常情况下一个全局变量或静态变量会被放到".data"或".bss"段中，但当我们使用__declspec(thread)定义一个线程私有变量的时候，编译器会把这些变量放到PE文件的".tls"段中。

　　②当系统启动一个新的线程时，它会从进程的堆中分配一块足够大小的空间，然后把".tls"段中的内容复制到这块空间中，于是每个线程都有自己独立的一个".tls"副本。所以对于用__declspec(thread)定义的同一个变量，它们在不同线程中的地址都是不一样的。

　　③对于一个TLS变量来说，它有可能是一个C++的全局对象，那么每个线程在启动时不仅仅是复制".tls"的内容那么简单，还需要把这些TLS对象初始化，必须逐个地调用它们的全局构造函数，而且当线程退出时，还要逐个地将它们析构，正如普通的全局对象在进程启动和退出时都要构造、析构一样。

　　④Windows PE文件的结构中有个叫数据目录的结构。它总共有16个元素，其中有一元素下标为IMAGE_DIRECT_ENTRY_TLS，这个元素中保存的地址和长度就是TLS表（IMAGE_TLS_DIRECTORY结构）的地址和长度。TLS表中保存了所有TLS变量的构造函数和析构函数的地址，Windows系统就是根据TLS表中的内容，在每次线程启动或退出时对TLS变量进行构造和析构。TLS表本身往往位于PE文件的".rdata"段中。

　　⑤另外一个问题是，既然同一个TLS变量对于每个线程来说它们的地址都不一样，那么线程是如何访问这些变量的呢？其实对于每个Windows线程来说，系统都会建立一个关于线程信息的结构，叫做线程环境块（TEB，Thread Environment Block）。这个结构里面保存的是线程的堆栈地址、线程ID等相关信息，其中有一个域是一个TLS数组，它在TEB中的偏移是0x2C。对于每个线程来说，x86的FS段寄存器所指的段就是该线程的TEB，于是要得到一个线程的TLS数组的地址就可以通过FS:[0x2C]访问到。

　　⑥这个TLS数组对于每个线程来说大小是固定的，一般有64个元素。而TLS数组的第一个元素就是指向该线程的".tls"副本的地址。于是要得到一个TLS的变量地址的步骤为：首先通过FS:[0x2C]得到TLS数组的地址，然后根据TLS数组的地址得到".tls"副本的地址，然后加上变量在".tls"段中的偏移即该TLS变量在线程中的地址。