[转]TLS: 线程局部存储TLS

分手后的思念是犯贱 2022-07-12 23:27 266阅读 0赞

线程局部存储TLS

堆栈中定义的局部变量，对多线程是安全的，因为不同的线程有自己的堆栈。而通常定义的全局变量，所有线程都可以作读写访问，这样它就不是线程安全的，为安全就有必要加锁互斥访问。而何为线程局部存储（TLS），简单的说，就是一个变量（通常是指针，指向具体的类型），每个线程都有一个副本，而在程序中可以按照相同的方式来访问，（比如使用相同的变量名，又或者都调用TlsGetValue），既然是都有副本，自然线程中互不影响。打个比方，就如同一个人，被克隆出三个，其中一个被砍了一刀，其它两人都不会受伤。

VC编译器可以隐式的定义线程局部变量，只要定义的时候加上\_\_declspec (thread)前缀。比如

\_\_declspec (thread) int iGlobal\_1 = 1;  
\_\_declspec (thread) double iGlobal\_2 = 2.0;  
iGlobal\_1，iGlobal\_2就都有自己的副本。

另外windows也提供了几个api, 来显式定义线程局部变量。这几个api为TlsAlloc, TlsFree, TlsSetValue, TlsGetValue。用法自己查查。

好，现在可以入正题。来说说它的实现。

应该都知道，操作系统会使用一个结构来描述线程，这结构通常称为TEB((Thread Environment Block) , 每个线程有一个对应的TEB，切换线程的时候，也会切换到不同的TEB。有某个指针值指向当前的TEB, 切换线程的时候就改变这个指针值，这样访问线程相关的数值，就可以统一从这个指针值找起。windows中，这个线程指针值放在fs寄存器。

TEB 里面有些什么变量呢？当然是跟线程有关的变量啦。更具体的自己去查资料。其中有个变量是线程TLS数组的指针。称为\_tls\_array，利用这个数组就可以管理线程相关的数据了。\_tls\_array\_指针在windows中处于TEB偏移0x2h的地方。结合上面说的，看到mov ecx, dowrd ptr fs:\[2ch\]，就应该知道是取当前线程的\_tls\_array的指针，放在ecx寄存器中。

现在，我们在不同的线程中已经可以取得各自的\_tls\_array，这时候，要访问数组的元素，还差索引。这时，再看看TlsAlloc, 你应该很清楚它的意思？无错，它就是说，请为我分配一个索引号，表示相应的数组项已被使用。TlsFree, 就是释放索引号，表示相应的数组项可以被再次使用。TlsSetValue，TlsGetValue就是拿个索引，向相应的数组项设值或者取值。

好好想想，为什么我有个相同索引号，在不同的线程中调用TlsGetValue，取出来的值会不同呢？因为数组的起始指针已经变了。在计算机中反反复复都会出现 基址+偏移的模式。基址不变，偏移变，取的值不同；基址变，偏移不变，取的值也不同。这看起来很简单，但很可能没有意识到这点。比如为什么C++中，不同的对象，都有变量m\_a, 它可以有不同值呢，因为不同的对象基址也不同(也就是this指针),而为什么它们可以用相同的代码来访问变量m\_a,因为变量m\_a的相对偏移是不变的。

回到TLS, 索引号对应的是偏移，因为线程切换引起了\_tls\_array数组的切换, 因此取值可以不同。这样用TlsAlloc分配了一个索引号，所有线程中\_tls\_array的对应元素其实都已经是归你所有，并非只是当前线程。再次强调，分配出一个索引，所有线程的\_tls\_array数组中的索引对应项都已经被分配，有5个线程，你可以管理的已经有5个格子，并非只是当前线程的一个格子。又因为索引是一样的，就可以用相同的方式来使用这些数组的小格子。现在你已经有个小格子了，可以往里面放东西了，放什么东西你可以自己确定，你可以放指针，或者放整数，或者放字符。因为是自己放的，自己可以知道意思，取出来对你就是有用的。这里，又引起另一个很简单但又很容易忽略的问题，内存中放的究竟是什么？数字？可以说是，但更准确的是放状态，只不过这状态可以用数字来编码（任何东西都可以用数字来编码，只要你懂得解码的方式，这串数字对你就是有意义的）。 2bit, 可以表示4个状态，4bit可以表示16个状态，32bit可以表示4G个状态。

上面其实已经说完了显式TLS分配，也就是调用TlsAlloc等方式。那隐式的TLS分配，又是怎么实现的呢?

第一次调用TlsAlloc, 检查返回值，会发现返回1，为什么是1，而不是0呢? 因为0已经被使用了，谁在使用? 编译器。  
定义  
\_\_declspec (thread) int iGlobal\_1 = 1;  
\_\_declspec (thread) double iGlobal\_2 = 2.0;  
时候，生成了一个段.tls, 这个段中有这两个数据，保持下来放在执行文件中。当程序运行，每个线程会将.tls复制一份。线程\_tls\_array的0索引号被占据，对应的格子就放着指向这份数据的指针(即指向已分配的数据)。比如上面的语句，你可以想象成隐式定义了一个结构  
struct TLS\_Data  
\{  
int iGlobal\_1;  
double iGlobal\_2;  
\};  
每个线程运行时，new出这个结构，在用TlsSetValue就指针设置到线程各自的\_tls\_array，0索引对应的位置。因为不同变量的偏移值在结构中是不同的，这样基址变，偏移不变，取得线程各自的TLS\_Data结构，再跟着基址不变，偏移变，就可以访问不同的变量。

分析一下  
\_\_declspec (thread) int iGlobal = 1;

int main()  
\{  
int i = iGlobal;  
return 0;  
\}  
的汇编代码  
mov eax,\[\_\_tls\_index\] // 将索引放在eax中，通常为0  
mov ecx,dword ptr fs:\[2Ch\] // 将线程对应的\_tls\_array指针放在ecx中  
mov edx,dword ptr \[ecx+eax\*4\]  
// 每个格有4 byte, 取出\_tls\_array数组元素，放在edx中，这数组元素放着的是我们假象的TLS\_Data结构指针  
mov eax,dword ptr \[edx+104h\] // 指针加上变量在结构中的偏移，取得iGlobal变量值  
mov dword ptr \[ebp-4\],eax // 将iGlobal变量值放在栈变量，也就是i中

注意，iGlobal的偏移并不是0, 因为已经有些变量定义了，比如线程各自的errno变量，strtok函数用的变量等等。

可以这样说，编译器拿出\_tls\_array的一个格子，自己管理，又再实现出另一种风格的TLS。我们也可以自己用TlsAlloc取得一个索引，跟着 new 出另一个子数组，子数组指针放在\_tls\_array元素中。真正的数据指针放在子数组中。这样，我们就可以根据自己的需要来实现自己的线程局部存储。而又不占用多个\_tls\_array数组的索引。

再来讨论一下\_tls\_array数组的索引的分配跟释放。一定要有某种方式来标记着那个索引被分配了，那个索引还可以使用。如果\_tls\_array一定要放指针，那我们可以将没有分配的索引元素设置为NULL, 已分配的非NULL，从前到后检查数值，取第一个NULL元素索引分配出去。但因为数组不一定放指针，也可以放整数，整数没有所谓的无效值，就不能用这种方式。你可以创建一个同样大小的bool数组作标记，也可以采用位判断方式来替代bool数组。如果有需要，还可以定义自己的结构作标记用。但一定要有种方式来区别分配的索引号跟没有分配的索引号。

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