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            使用線程局部存儲TLS

            Thread local storage (TLS)統一進程的多個線程可以通過由TlsAlloc方法返回的索引值在線程自身的空間內存儲和取回一個值。在以下這個例子里,索引值在進程開始時創建,當各個線程啟動時,會各自申請一塊動態內存并且將內存指針通過TlsSetValue方法存儲到各自的TLS空間中(由先前的索引值標定)。CommonFunc方法使用TlsGetValue方法通過索引取得數據指針。在各個線程結束前,釋放動態內存塊。在進程結束見,調用TlsFree方法釋放索引。

             1#include <windows.h> 
             2#include <stdio.h> 
             3 
             4#define THREADCOUNT 4 
             5DWORD dwTlsIndex; 
             6 
             7VOID ErrorExit(LPSTR); 
             8 
             9VOID CommonFunc(VOID) 
            10
            11   LPVOID lpvData; 
            12 
            13// Retrieve a data pointer for the current thread. 
            14 
            15   lpvData = TlsGetValue(dwTlsIndex); 
            16   if ((lpvData == 0&& (GetLastError() != ERROR_SUCCESS)) 
            17      ErrorExit("TlsGetValue error"); 
            18 
            19// Use the data stored for the current thread. 
            20 
            21   printf("common: thread %d: lpvData=%lx\n"
            22      GetCurrentThreadId(), lpvData); 
            23 
            24   Sleep(5000); 
            25}
             
            26 
            27DWORD WINAPI ThreadFunc(VOID) 
            28
            29   LPVOID lpvData; 
            30 
            31// Initialize the TLS index for this thread. 
            32 
            33   lpvData = (LPVOID) LocalAlloc(LPTR, 256); 
            34   if (! TlsSetValue(dwTlsIndex, lpvData)) 
            35      ErrorExit("TlsSetValue error"); 
            36 
            37   printf("thread %d: lpvData=%lx\n", GetCurrentThreadId(), lpvData); 
            38 
            39   CommonFunc(); 
            40 
            41// Release the dynamic memory before the thread returns. 
            42 
            43   lpvData = TlsGetValue(dwTlsIndex); 
            44   if (lpvData != 0
            45      LocalFree((HLOCAL) lpvData); 
            46 
            47   return 0
            48}
             
            49 
            50int main(VOID) 
            51
            52   DWORD IDThread; 
            53   HANDLE hThread[THREADCOUNT]; 
            54   int i; 
            55 
            56// Allocate a TLS index. 
            57 
            58   if ((dwTlsIndex = TlsAlloc()) == TLS_OUT_OF_INDEXES) 
            59      ErrorExit("TlsAlloc failed"); 
            60 
            61// Create multiple threads. 
            62 
            63   for (i = 0; i < THREADCOUNT; i++
            64   
            65      hThread[i] = CreateThread(NULL, // default security attributes 
            66         0,                           // use default stack size 
            67         (LPTHREAD_START_ROUTINE) ThreadFunc, // thread function 
            68         NULL,                    // no thread function argument 
            69         0,                       // use default creation flags 
            70         &IDThread);              // returns thread identifier 
            71 
            72   // Check the return value for success. 
            73      if (hThread[i] == NULL) 
            74         ErrorExit("CreateThread error\n"); 
            75   }
             
            76 
            77   for (i = 0; i < THREADCOUNT; i++
            78      WaitForSingleObject(hThread[i], INFINITE); 
            79 
            80   TlsFree(dwTlsIndex);
            81
            82   return 0
            83}
             
            84 
            85VOID ErrorExit (LPSTR lpszMessage) 
            86
            87   fprintf(stderr, "%s\n", lpszMessage); 
            88   ExitProcess(0); 
            89}

            90

            常用情景:
            各個線程所處理的對象有所不同,但是所需要的處理卻可能類似,例如多個線程同時處理多個文件,就可以將文件句柄存在在相應的Tls中,在使用相同的接口進行處理
            背景知識:
            每個線程除了共享進程的資源外還擁有各自的私有資源:一個寄存器組(或者說是線程上下文);一個專屬的堆棧;一個專屬的消息隊列;一個專屬的Thread Local Storage(TLS);一個專屬的結構化異常處理串鏈。
            TLS 是一個良好的Win32 特質,讓多線程程序設計更容易一些。TLS 是一個機制,經由它,程序可以擁有全域變量,但在不同的線程里有不同的值。也就是說,進程中的所有線程都可以擁有全域變量,但這些變量其實是特定對某個線程才有意義。例如,你可能有一個多線程程序,每一個線程都對不同的文件寫文件(也因此它們使用不同的文件handle)。這種情況下,把每一個線程所使用的文件handle 儲存在TLS 中,將會十分方便。當線程需要知道所使用的handle,它可以從TLS 獲得。重點在于:線程用來取得文件handle 的那一段碼在任何情況下都是相同的,而從TLS中取出的文件handle 卻各不相同。非常靈巧,不是嗎?有全域變數的便利,卻又分屬各線程。

             

              雖然TLS 很方便,它并不是毫無限制。在Windows NT 和Windows 95 之中,有64 個DWORD slots 供每一個線程使用。這意思是一個進程最多可以有64 個「對各線程有不同意義」的DWORDs。 雖然TLS 可以存放單一數值如文件handle,更常的用途是放置指針,指向線程的私有資料。有許多情況,多線程程序需要儲存一堆數據,而它們又都是與各線程相關。許多程序員對此的作法是把這些變量包裝為C 結構,然后把結構指針儲存在TLS 中。當新的線程誕生,程序就配置一些內存給該結構使用,并且把指針儲存在為線程保留下來的TLS 中。一旦線程結束,程序代碼就釋放所有配置來的區塊。既然每一個線程都有64 個slots 用來儲存線程自己的數據,那么這些空間到底打哪兒來?在線程的學習中我們可以從結構TDB中看到,每一個thread database 都有64 個DWORDs 給TLS 使用。當你以TLS 函式設定或取出數據,事實上你真正面對的就是那64 DWORDs。好,現在我們知道了原來那些“對各線程有不同意義的全局變量”是存放在線程各自的TDB中阿。
             
                接下來你也許會問:我怎么存取這64個DWORDS呢?我又怎么知道哪個DWORDS被占用了,哪個沒有被占用呢?首先我們要理解這樣一個事實:系統之所以給我們提供TLS這一功能,就是為了方便的實現“對各線程有不同意義的全局變量”這一功能;既然要達到“全局變量”的效果,那么也就是說每個線程都要用到這個變量,既然這樣那么我們就不需要對每個線程的那64個DWORDS的占用情況分別標記了,因為那64個DWORDS中的某一個一旦占用,是所有線程的那個DWORD都被占用了,于是KERNEL32 使用兩個DWORDs(總共64 個位)來記錄哪一個slot 是可用的、哪一個slot 已經被用。這兩個DWORDs 可想象成為一個64 位數組,如果某個位設立,就表示它對應的TLS slot 已被使用。這64 位TLS slot 數組存放在process database 中(在進程一節中的PDB結構中我們列出了那兩個DWORDs)。
             
            下面的四個函數就是對TLS進行操作的:

              (1)TlsAlloc  

            上面我們說過了KERNEL32 使用兩個DWORDs(總共64 個位)來記錄哪一個slot 是可用的、哪一個slot 已經被用。當你需要使用一個TLS slot 的時候,你就可以用這個函數將相應的TLS slot位置1。 

             (2)TlsSetValue  

            TlsSetValue 可以把數據放入先前配置到的TLS slot 中。兩個參數分別是TLS slot 索引值以及欲寫入的數據內容。TlsSetValue 就把你指定的數據放入64 DWORDs 所組成的數組(位于目前的thread database)的適當位置中。  

             (3)TlsGetValue  

            這個函數幾乎是TlsSetValue 的一面鏡子,最大的差異是它取出數據而非設定數據。和TlsSetValue 一樣,這個函數也是先檢查TLS 索引值合法與否。如果是,TlsGetValue 就使用這個索引值找到64 DWORDs 數組(位于thread database 中)的對應數據項,并將其內容傳回。  

             (4)TlsFree  

            這個函數將TlsAlloc 和TlsSetValue 的努力全部抹消掉。TlsFree 先檢驗你交給它的索引值是否的確被配置過。如果是,它將對應的64 位TLS slots 位關閉。然后,為了避免那個已經不再合法的內容被使用,TlsFree 巡訪進程中的每一個線程,把0 放到剛剛被釋放的那個TLS slot 上頭。于是呢,如果有某個TLS 索引后來又被重新配置,所有用到該索引的線程就保證會取回一個0 值,除非它們再調用TlsSetValue。

            posted on 2008-12-10 21:25 pear_li 閱讀(2111) 評論(4)  編輯 收藏 引用 所屬分類: C++

            評論

            # re: 使用線程局部存儲TLS  2008-12-11 09:47 LOGOS

            終究是線程 “局部” 存儲,看不出和傳參給線程相比,優勢在哪里
              回復  更多評論    

            # re: 使用線程局部存儲TLS  2008-12-11 16:36 阿福

            我覺得線程局部存儲的優勢不大,除非和編譯器結合起來。
            比如,在線程函數的棧上定義一個對象,在線程函數退出的時候,對象自動調用自己的析構函數清理空間,同樣能夠達到線程局部存儲的效果。

            所謂線程局部存儲與編譯器結合,是指這樣的效果:
            TLS int errno;
            //假設存在關鍵字TLS,這樣在全局聲明的變量,就會被編譯器自動編譯為線程局部存儲的變量。可惜都沒編譯器支持這樣的操作,相信最新的支持并行的語言會有類似的功能。
              回復  更多評論    

            # re: 使用線程局部存儲TLS  2008-12-12 09:45 guest

            @LOGOS

            當線程不是自己創建那么就很有用了。

            假設A線程會依次執行fun1,fun2,fun3函數(或者回調吧),fun1要傳遞一些似有數據給fun3怎么辦?使用全局變量的時候要處理同步問題,用TLS就不存在這個問題了。最經常見到的應用是標準庫里面的strtok等。

            ------------------------------
            C / C + +運行期庫要使用線程本地存儲器(T L S)。由于運行期庫是在多線程應用程序出現前
            的許多年設計的,因此運行期庫中的大多數函數是用于單線程應用程序的。函數 s t r t o k就是個
            很好的例子。應用程序初次調用 s t r t o k時,該函數傳遞一個字符串的地址,并將字符串的地址
            保存在它自己的靜態變量中。當你將來調用s t r t o k函數并傳遞N U L L時,該函數就引用保存的字
            符串地址。
            在多線程環境中,一個線程可以調用 s t r t o k,然后,在它能夠再次調用該函數之前,另一
            個線程也可以調用 S t r t o k。在這種情況下,第二個線程會在第一個線程不知道的情況下,讓
            s t r t o k用一個新地址來改寫它的靜態變量。第一個線程將來調用 s t r t o k時將使用第二個線程的字
            符串,這就會導致各種各樣難以發現和排除的錯誤。
            為了解決這個問題,C / C + +運行期庫使用了T L S。每個線程均被賦予它自己的字符串指針,
            供s t r t o k函數使用。需要予以同樣對待的其他C / C + +運行期庫函數還有a s c t i m e和g m t i m e。
            如果你的應用程序需要嚴重依賴全局變量或靜態變量,那么T L S能夠幫助解決它遇到的問題。
            但是編程人員往往盡可能減少對這些變量的使用,而更多地依賴自動(基于堆棧的)變量和通過
            函數的參數傳遞的數據。這樣做是很好的,因為基于堆棧的變量總是與特定的線程相聯系的。
            標準的C運行期庫一直是由許多不同的編譯器供應商來實現和重新實現的。如果 C編譯器
            不包含標準的C運行期庫,那么就不值得去購買它。編程員多年來一直使用標準的 C運行期庫,
            并且將會繼續使用它,這意味著s t r t o k之類的函數的原型和行為特性必須與上面所說的標準C運
            行期庫完全一樣。如果今天重新來設計C運行期庫,那么它就必須支持多線程應用程序的環境,
            并且必須采取相應的措施來避免使用全局變量和靜態變量。
            在我的軟件開發項目中,我總是盡可能避免使用全局變量和靜態變量。如果你的應用程序
            使用全局變量和靜態變量,那么建議你務必觀察每個變量,并且了解一下它能否改變成基于堆
            棧的變量。如果打算將線程添加給應用程序,那么這樣做可以節省大量時間,甚至單線程應用
            程序也能夠從中得到許多好處。
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            # re: 使用線程局部存儲TLS  2008-12-12 18:01 阿福

            樓上的老兄說的對,其思想也就是在編譯器級別支持線程局部存儲的意思吧!
            比如現在C標準庫的errno是這樣的定義
            #define errno geterrno()
            表面上看是一個變量,而實際上去調用一個函數來實現。
            在函數里面實現了將數據存儲在自己的棧里面。
              回復  更多評論    
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