线程局部存储TLS

Posted 2020-10-02 刘收获

1 .使用线程局部存储的理由
　　　当我们希望这个进程的全局变量变为线程私有时，而不是所有线程共享的，也就是每个线程拥有一份副本时，这时候就可以用到线程局部存储（TLS，Thread Local Storage）这个机制了。

 

 

2.动态TLS
（1）调用TlsAlloc函数
　　  两种方式：

         1>全局调用一次：   global_dwTLSindex=TLSAlloc(); 

              如果程序只调用一次TlsAlloc,而不是每个线程都调用一次TlsAlloc()函数的话，多个线程就使用同一个索引值，不同线程虽然看起来用的是同名的TLS数组索引变量，但实际上各个线程得到的可能是　                 不同DWORD值。其意义在于，每个使用TLS的线程获得了一个DWORD类型的线程局部静态变量作为TLS数组的索引变量。 

        2>进程内的每个线程都调用一次：

　　　每个线程得到不一样的索引值，调试可以看到每一次调用，索引值的大小是自加1而递增的。

 

       函数流程：

　　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>TlsAlloc函数在函数返回之前，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数组中把对应的元素设为0。

             
（2）调用TlsSetValue(dwTlsIndex,pvTlsValue)

         将一个值放到线程的数组中
　　 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）
　　 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）调用PVOID TlsGetValue(dwTlsIndex)

         从线程的数组中取回一个值
　　  与TlsSetValue相似，TlsGetValue中会查看属于调用线程的数组
（4）调用TlsFree(dwTlsIndex)

　　 释放己经预订的TLS元素
　　 该函数会将进程内的位标志数组对应的INUSE标志重设回FREE
　　 同时该函数还会将所有线程中该元素的内容设为0。
　　 试图释放一个尚未分配的TLS元素将导致错误

 

// DynamicTLS.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//

#include "stdafx.h"
#include <windows.h>
#include <process.h>

#include <ctime>
#include <cstdlib>
#include <vector>
#include <iostream>

using namespace std;

clock_t gc_begin = 0;
clock_t gc_End = 0;
clock_t gc_Interval = 0;   //全局

//unsigned long __stdcall threadProc(void *arg);       CreateThread
unsigned int __stdcall ThreadProc(void *arg);

int main(int argc, char *argv[])
{
	/*
	不同线程虽然看起来用的是同名的TLS数组索引变量，但实际上各个线程得到的可能是不同DWORD值。
	其意义在于，每个使用TLS的线程获得了一个DWORD类型的线程局部静态变量作为TLS数组的索引变量。
	*/

	//这里使用 TlsAlloca() 可以，在线程内部调用这个函数也可以，使得每个线程都有一个不同的索引值，
	//仅仅在这里调用一次，程序的实现也成功了，不同线程使用了同一个索引值也成功了

	//DWORD tlsIndex = TlsAlloc();    //此步之后，当前线程实际上访问的是这个TLS数组索引变量的线程内的拷贝版本
	//这里调用 TlsAlloc()产生的第一个索引值也是1
	DWORD tlsIndex  = 0;
	vector<HANDLE> threads;
	for (int i = 0; i < 2; ++i) {
		HANDLE h = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ThreadProc, 
			(void*)tlsIndex, 0, NULL);
		/*
		使用_beginthreadex 和 CreateThread 创建线程产生的第一个索引值TlsAlloc()不同，
		CreateThread是 1，_beginthreadex产生的是3,占用了两个索引位？
		*/
		//HANDLE h = (HANDLE)CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, 
		//(void*)tlsIndex, 0, NULL);
		Sleep(2000);
		threads.push_back(h);
	}

	for (size_t i = 0; i < threads.size(); ++i) {
		WaitForSingleObject(threads[i], INFINITE);
		CloseHandle(threads[i]);
	}
}
//

unsigned int __stdcall ThreadProc(void *arg)
{
	DWORD tlsIndex = TlsAlloc();
	//DWORD tlsIndex = reinterpret_cast<DWORD>(arg);
	gc_begin = clock();              //从“开启这个程序进程”到“程序中调用clock()函数”时之间的CPU时钟计时单元（clock tick）数
	TlsSetValue(tlsIndex, PVOID(gc_begin));  // 利用TlsSetValue 设置 值

	printf("Thread ID: %d, Thread Begin Time: %d\\n", GetCurrentThreadId(), gc_begin);

	Sleep(2000);

	gc_End = clock();
	gc_Interval = gc_End - reinterpret_cast<clock_t>(TlsGetValue(tlsIndex));
	double sec = 1.0 * gc_Interval / CLOCKS_PER_SEC; // 利用TlsGetValue取得值

	printf("Thread ID: %d, Thread End Time: %d, Survival Time: %f\\n", GetCurrentThreadId(), gc_End, sec);

	return 0;
}

　　

 　　这里补充一下_beginthreadex()函数和CreateThread函数在创建线程时候，所创建的线程，调用TlsAlloc函数产生的索引值的不同，_beginthreadex()函数下的线程第一个索引值是3，而CreateThread函数下的线程第一个索引值是1，应该是_beginthreadex()函数下的线程出于某种原因占用了两位：

 

CreateThread函数下的线程第一个索引值：

 

 

_beginthreadex()函数下的线程第一个索引值：

 

3.静态TLS
（1）静态TLS变量的声明
　　__declspec(thread) int number; 
（2）静态TLS的实现原理
　　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。

　　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。

　　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。

 

// Static_TLS.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//

#include "stdafx.h"
#include <windows.h>
#include <iostream>


// 定义静态TLS全局变量
__declspec(thread) int __TlsValue = 0;
using namespace std;
DWORD WINAPI ThreadProcedure(LPVOID ParameterData);
int main()
{

    // 设置主线程静态TLS的value为5
	__TlsValue = 5;
	HANDLE ThreadHandle = CreateThread(NULL, 0, ThreadProcedure, NULL, 0, NULL);
	if (ThreadHandle)
	{
		// 等待直到子线程结束
		WaitForSingleObject(ThreadHandle, INFINITE);
		// 取得主线程静态TLS的值
		cout << "主线程 __TlsValue=" << __TlsValue << endl;
		}
    return 0;
}
DWORD WINAPI ThreadProcedure(LPVOID ParameterData)
{
	// 设置子线程value为10，并不影响主线程
	__TlsValue = 10;
	// 取得子线程静态TLS的值
	cout << "子线程 __TlsValue=" << __TlsValue << endl;
	return 0;
}