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目錄

TLS的作用

TLS的實現

靜態 TLS??

動態 TLS??

內部實現

回調機制

TLS Directory 的結構

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TLS的作用

• TLS (Thread Local Storage) 是一種用于為多線程應用程序提供線程獨立存儲空間的機制。在多線程程序中，每個線程可以有自己獨特的一組數據，互不干擾。

• 保存線程狀態數據（如線程上下文）。

• 避免線程之間共享全局變量導致的競爭和沖突。

• 為每個線程提供獨立的緩存、統計等，不需要使用鎖機制。

TLS的實現

靜態 TLS??

在編譯時分配空間（通過 __declspec(thread) 或 thread_local 關鍵字）。

• 通過使用 __declspec(thread) 聲明 TLS 數據。

• 靜態 TLS 在編譯時分配，系統會自動初始化和清理。

• 適用于預定義的 TLS 數據場景。

• #include <windows.h>  
  #include <stdio.h>  // 聲明線程局部存儲變量  
  __declspec(thread) int tlsData = 0;  // 線程函數  
  DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter) {  // 為當前線程初始化 TLS 數據  tlsData = (int)(size_t)lpParameter;  // 使用 TLS 數據  printf("Thread %d: TLS Data = %d\n", GetCurrentThreadId(), tlsData);  // 模擬工作  Sleep(1000);  return 0;  
  }  int main() {  // 創建線程  const int threadCount = 3;  HANDLE threads[threadCount];  for (int i = 0; i < threadCount; ++i) {  threads[i] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, (LPVOID)(size_t)(i + 1), 0, NULL);  }  // 等待線程完成  WaitForMultipleObjects(threadCount, threads, TRUE, INFINITE);  // 清理句柄  for (int i = 0; i < threadCount; ++i) {  CloseHandle(threads[i]);  }  return 0;  
  }

動態 TLS??

運行時通過 API（如 TlsAlloc, TlsFree）動態管理。

• 使用 TlsAlloc() 分配一個 TLS 索引，動態管理每個線程的 TLS 數據。

• 每個線程負責分配、獲取和釋放自己的數據。

#include <windows.h>  
#include <stdio.h>  // 全局 TLS 索引  
DWORD g_TlsIndex;  // 線程函數  
DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter) {  // 為當前線程分配 TLS 數據  int* tlsData = (int*)malloc(sizeof(int));  *tlsData = (int)(size_t)lpParameter; // 將線程傳遞的參數放入 TLS 數據  TlsSetValue(g_TlsIndex, tlsData);  // 使用 TLS 數據  printf("Thread %d: TLS Data = %d\n", GetCurrentThreadId(), *tlsData);  // 模擬工作  Sleep(1000);  // 釋放 TLS 數據  free(tlsData);  return 0;  
}  int main() {  // 1. 分配 TLS 索引  g_TlsIndex = TlsAlloc();  if (g_TlsIndex == TLS_OUT_OF_INDEXES) {  printf("Failed to allocate TLS Index\n");  return 1;  }  // 2. 創建線程  const int threadCount = 3;  HANDLE threads[threadCount];  for (int i = 0; i < threadCount; ++i) {  threads[i] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, (LPVOID)(size_t)(i + 1), 0, NULL);  }  // 等待線程完成  WaitForMultipleObjects(threadCount, threads, TRUE, INFINITE);  // 3. 清理  for (int i = 0; i < threadCount; ++i) {  CloseHandle(threads[i]);  }  // 釋放 TLS 索引  TlsFree(g_TlsIndex);  return 0;  
}

內部實現

• 每個線程都會分配一個線程環境塊（Thread Environment Block，TEB），TEB 結構中包含一個用于存儲 TLS 數據的區域：

• 動態 TLS 的數據存儲在 TEB 的 TlsSlots 數組中，每個槽對應一個 TlsAlloc() 返回的索引。

• 靜態 TLS 的數據在程序加載時由系統內存分配，并初始化到對應的線程。

  特性	動態分配 TLS (Win32 API)	靜態分配 TLS (__declspec(thread))
  易用性	手動管理，需自己分配和釋放 TLS 數據	自動完成線程初始化和銷毀，使用方便
  性能	每個訪問可能需要一層索引查找，性能稍低	編譯時分配，直接訪問內存，性能高
  生命周期	動態分配，程序員負責管理	生命周期由操作系統控制
  靈活性	可以動態創建任意數量的 TLS	只能事先聲明固定的 TLS 變量

回調機制

• TLS 提供線程生命周期管理的機制：TLS 回調函數。這些回調函數會在以下情況下被調用：

• 線程附加（Thread Attach）：當線程啟動時，初始化 TLS 數據。

• 線程分離（Thread Detach）：當線程結束時，清理 TLS 數據。

#include <windows.h>  #ifdef _WIN64  
#pragma comment (linker, "/INCLUDE:_tls_used")  
#else  
#pragma comment (linker, "/INCLUDE:__tls_used")  
#endif  //#pragma comment (linker, "/INCLUDE:pTLS_CALLBACKs")  _declspec(thread) DWORD dw = 0x12345678;
_declspec(thread) DWORD dw1 = 0xCCCCCCCC;void NTAPI TLS_CALLBACK(PVOID DllHandle, DWORD Reason, PVOID Reserved) //TLS callback function  
{}void NTAPI TLS_CALLBACK1(PVOID DllHandle, DWORD Reason, PVOID Reserved) //TLS callback function  
{}#ifdef _WIN64  
#pragma const_seg(".CRT$XLB")  
EXTERN_C const
#else  
#pragma data_seg(".CRT$XLX")  
#endif  PIMAGE_TLS_CALLBACK pTLS_CALLBACKs[] = { TLS_CALLBACK, TLS_CALLBACK1,0 };#ifdef _WIN64  
#pragma const_seg()  
#else  
#pragma data_seg()  
#endif  int main(void)
{return 0;
}

TLS Directory 的結構

TLS 數據由 IMAGE_TLS_DIRECTORY 結構描述，其定義如下

  typedef struct _IMAGE_TLS_DIRECTORY {  ULONGLONG StartAddressOfRawData;   // TLS 數據起始地址（RVA）  ULONGLONG EndAddressOfRawData;     // TLS 數據結束地址（RVA）  ULONGLONG AddressOfIndex;          // TLS 索引表地址  ULONGLONG AddressOfCallBacks;      // TLS 回調數組地址  DWORD SizeOfZeroFill;              // 初始化為零的大小  DWORD Characteristics;            // 保留字段（通常為 0）  
} IMAGE_TLS_DIRECTORY64, *PIMAGE_TLS_DIRECTORY64;  

• StartAddressOfRawData:

  • 指的是 TLS 初始化數據段的起始地址。

  • 這部分數據會復制到每個線程的 TLS 段中，作為初始化狀態。

• EndAddressOfRawData:

  • TLS 初始化數據段的結束地址。

• AddressOfIndex:

  • 指向一個 TLS 索引（通常位于線程環境塊 TEB 中），用于標識當前線程的 TLS 段。

• AddressOfCallBacks:

  • 指向一個回調函數指針數組。在線程創建或退出時，這些回調函數會依次被調用。

• SizeOfZeroFill:

  • 表示未初始化數據的大小，如果存在，則這部分數據會在 TLS 數據段初始化時清零。

• Characteristics:

  • 通常保留字段，值通常為 0。