本文為線程本地存儲(chǔ)TLS系列之分類和原理。
一、TLS簡述和分類
我們知道在一個(gè)進(jìn)程中，所有線程是共享同一個(gè)地址空間的。所以，如果一個(gè)變量是全局的或者是靜態(tài)的，那么所有線程訪問的是同一份，如果某一個(gè)線程對其進(jìn)行了修改，也就會(huì)影響到其他所有的線程。不過我們可能并不希望這樣，所以更多的推薦用基于堆棧的自動(dòng)變量或函數(shù)參數(shù)來訪問數(shù)據(jù)，因?yàn)榛诙褩５淖兞靠偸呛吞囟ǖ木€程相聯(lián)系的。
不過如果某些時(shí)候（比如可能是特定設(shè)計(jì)的dll），我們就是需要依賴全局變量或者靜態(tài)變量，那有沒有辦法保證在多線程程序中能訪問而不互相影響呢？答案是有的。操作系統(tǒng)幫我們提供了這個(gè)功能——TLS線程本地存儲(chǔ)。TLS的作用是能將數(shù)據(jù)和執(zhí)行的特定的線程聯(lián)系起來。
實(shí)現(xiàn)TLS有兩種方法：靜態(tài)TLS和動(dòng)態(tài)TLS。以下我們將分別說明這兩類TLS。
二、靜態(tài)TLS
1、使用靜態(tài)TLS
之所以先講靜態(tài)TLS，是因?yàn)樗诖a中使用時(shí)非常簡單，我們只需寫類似如下這一句：
__declspec(thread) DWORD myTLSData=0;
我們就為本程序中的每一個(gè)線程創(chuàng)建了一個(gè)獨(dú)立的DWORD數(shù)據(jù)。
__declspec(thread)的前綴是Microsoft添加給Visual C++編譯器的一個(gè)修改符。它告訴編譯器，對應(yīng)的變量應(yīng)該放入可執(zhí)行文件或DLL文件中它的自己的節(jié)中。__declspec(thread)后面的變量必須聲明為函數(shù)中（或函數(shù)外）的一個(gè)全局變量或靜態(tài)變量。不能聲明一個(gè)類型為__declspec(thread)的局部變量，你想，因?yàn)榫植孔兞靠偸桥c特定的線程相聯(lián)系的，如果再加上這個(gè)聲明是代表什么意思？
2、靜態(tài)TLS原理
靜態(tài)TLS的使用是如此簡單，那么當(dāng)我們寫了如上代碼以后，操作系統(tǒng)和編譯器是怎么處理的呢？
首先，在編譯器對程序進(jìn)行編譯時(shí)，它會(huì)將所有聲明的TLS變量放入它們自己的節(jié)，這個(gè)節(jié)的名字是.tls。而后鏈接程序?qū)碜运袑ο竽K的所有.tls節(jié)組合起來，形成結(jié)果的可執(zhí)行文件或DLL文件中的一個(gè)大的完整的.tls節(jié)。
然后，為了使含有靜態(tài)TLS的程序能夠運(yùn)行，操作系統(tǒng)必須參與其操作。當(dāng)TLS應(yīng)用程序加載到內(nèi)存中時(shí)，系統(tǒng)要尋找可執(zhí)行文件中的.tls節(jié)，并且動(dòng)態(tài)地分配一個(gè)足夠大的內(nèi)存塊，以便存放所有的靜態(tài)TLS變量。應(yīng)用程序中的代碼每次引用其中的一個(gè)變量時(shí)，就要轉(zhuǎn)換為已分配內(nèi)存塊中包含的一個(gè)內(nèi)存位置。因此，編譯器必須生成一些輔助代碼來引用該靜態(tài)TLS變量，這將使你的應(yīng)用程序變得比較大而且運(yùn)行的速度比較慢。在x86 CPU上，將為每次引用的靜態(tài)TLS變量生成3個(gè)輔助機(jī)器指令。如果在進(jìn)程中創(chuàng)建了另一個(gè)線程，那么系統(tǒng)就要將它捕獲并且自動(dòng)分配另一個(gè)內(nèi)存塊，以便存放新線程的靜態(tài)TLS變量。新線程只擁有對它自己的靜態(tài)TLS變量的訪問權(quán)，不能訪問屬于其他線程的TLS變量。
以上是包含靜態(tài)TLS變量的可執(zhí)行文件如何運(yùn)行的情況。我們再來看看DLL的情況：
a、隱式鏈接包含靜態(tài)TLS變量的DLL
如果應(yīng)用程序使用了靜態(tài)TLS變量，并且隱式鏈接包含靜態(tài)TLS變量的DLL時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)加載該應(yīng)用程序時(shí)，它首先要確定應(yīng)用程序的.tls節(jié)的大小，并將這個(gè)值與應(yīng)用程序鏈接的DLL中的所有.tls節(jié)的大小相加。當(dāng)在你的進(jìn)程中創(chuàng)建線程時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)分配足夠大的內(nèi)存塊來存放所有應(yīng)用程序聲明的和所有隱含鏈接的DLL包含的TLS變量。
b、顯式鏈接包含靜態(tài)TLS變量的DLL
考慮一下，當(dāng)我們的應(yīng)用程序通過調(diào)用LoadLibrary，以便顯式鏈接到包含靜態(tài)TLS變量的DLL時(shí)，會(huì)發(fā)生什么情況呢？系統(tǒng)必須查看該進(jìn)程中已經(jīng)存在的所有線程，并擴(kuò)大它們的TLS內(nèi)存塊，以便適應(yīng)新DLL對內(nèi)存的需求。另外，如果調(diào)用FreeLibrary來釋放包含靜態(tài)TLS變量的DLL，那么與進(jìn)程中的每個(gè)線程相關(guān)的的TLS內(nèi)存塊又都應(yīng)該被壓縮。
對于操作系統(tǒng)來說，這樣的管理任務(wù)太重了。所以，雖然系統(tǒng)允許包含靜態(tài)TLS變量的庫在運(yùn)行期進(jìn)行顯式加載，但是其包含TLS數(shù)據(jù)卻沒有進(jìn)行相應(yīng)的初始化。如果試圖訪問這些數(shù)據(jù)，就可能導(dǎo)致訪問違規(guī)！
所以，請記住：如果某個(gè)DLL包含靜態(tài)TLS數(shù)據(jù)，請不要對這個(gè)DLL采用顯式鏈接的方式，否則可能會(huì)出錯(cuò)！
三、動(dòng)態(tài)TLS
1、使用動(dòng)態(tài)TLS
動(dòng)態(tài)TLS在程序?qū)崿F(xiàn)中比靜態(tài)TLS要稍微麻煩一些，需要通過一組函數(shù)來實(shí)現(xiàn)：
DWORD TlsAlloc();//返回TLS數(shù)組可用位置的索引
BOOL TlsSetValue(DWORD dwTlsIndex, LPVOID lpTlsValue); //將調(diào)用線程的TLS數(shù)組索引dwTlsIndex處設(shè)為值lpTlsValue
LPVOID TlsGetValue(DWORD dwTlsIndex); //返回調(diào)用線程的TLS數(shù)組dwTlsIndex索引處的值
BOOL TlsFree(DWORD dwTlsIndex); //釋放所有線程的TLS數(shù)組位置索引dwTlsIndex，將該位置標(biāo)記為未使用。
有了以上四個(gè)函數(shù)，我們可以發(fā)現(xiàn)使用動(dòng)態(tài)TLS其實(shí)還是很容易很方便的。
2、動(dòng)態(tài)TLS原理
讓我們看看windows用來管理TLS的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
線程本地存儲(chǔ)器的位標(biāo)志顯示了該進(jìn)程中所有運(yùn)行的線程正在使用的一組標(biāo)志。每個(gè)標(biāo)志均可設(shè)置為FREE或者INUSE，表示TLS插槽(slot)是否正在使用。Microsoft保證至少TLS_MINIMUM_AVAILABLE位標(biāo)志是可供使用的。另外，TLS_MINIMUM_AVAILABLE在WinNT.h中被定義為64。Windows2000將這個(gè)標(biāo)志數(shù)組擴(kuò)展為允許有1000個(gè)以上的TLS插槽。
而每一個(gè)線程擁有一個(gè)自己獨(dú)立的TLS slot數(shù)組，用于存儲(chǔ)TLS數(shù)據(jù)。
為了使用動(dòng)態(tài)TLS，我們首先調(diào)用TlsAlloc()來命令系統(tǒng)對進(jìn)程的位標(biāo)志進(jìn)行掃描，找到一個(gè)可用的位置，并返回該索引；如果找不到，就返回TLS_OUT_OF_INDEXES。事實(shí)上，除此之外，TlsAlloc函數(shù)還會(huì)自動(dòng)清空所有線程的TLS數(shù)組的對應(yīng)索引的值。這避免以前遺留的值可能引起的問題。
然后，我們就可以調(diào)用TlsSetValue函數(shù)將對應(yīng)的索引位保存一個(gè)特定的值，可以調(diào)用TlsGetValue()來返回該索引位的值。注意，這兩個(gè)函數(shù)并不執(zhí)行任何測試和錯(cuò)誤檢查，我們必須要保證索引是通過TlsAlloc正確分配的。
當(dāng)所有線程都不需要保留TLS數(shù)組某個(gè)索引位的時(shí)候，應(yīng)該調(diào)用TlsFree。該函數(shù)告知系統(tǒng)將進(jìn)程的位標(biāo)志數(shù)組的index位置為FREE狀態(tài)。如果運(yùn)行成功，函數(shù)返回TRUE。注意，如果試圖釋放一個(gè)沒有分配的索引位，將產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤。
動(dòng)態(tài)TLS的使用相對靜態(tài)TLS稍微麻煩一點(diǎn)，但是無論是將其用在可執(zhí)行文件中還是DLL中，都還是很簡單的。而且當(dāng)用在DLL中時(shí)，沒有由于DLL鏈接方式而可能產(chǎn)生的問題，所以，如果要在DLL中用TLS，又不能保證客戶始終采用隱式鏈接方式，那么請采用動(dòng)態(tài)TLS的實(shí)現(xiàn)。
主要參考文檔《windows核心編程》。