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线程局部存储

线程局部存储（英語：Thread-local storage，縮寫：TLS）是一种存储持续期（storage duration），对象的存储是在线程开始时分配，线程结束时回收，每个线程有该对象自己的实例。这种对象的链接性（linkage）可以是静态的也可是外部的。

TLS的一个例子是用全局变量errno（英语：errno）表示错误号。这可能在多线程并发时产生同步错误。线程局部存储的errno是个解决办法。

Windows的实现

每个进程都有一组标志，共TLS_MINIMUM_AVAILABLE(==64)个。每个标志可以被设为FREE或INUSE，表示该TLS元素是否正在使用。注意这组标志属进程所有。当系统创建一个线程的时候，会为该线程分配与线程关联的、属于线程自己的PVOID型数组（共有TLS_MINIMUM_AVAILBALE个元素），数组中的每个PVOID可以保存任意值。

Windows API函数TlsAlloc用于获取进程中一个未用的TLS slot index。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。

调用TlsSetValue(dwTlsIndex,pvTlsValue)将一个PVOID值放到线程的数组中dwTlsIndex指定的具体位置。

函数TlsGetValue与TlsSetValue用于通过TLS slot index读写一个线程局部存储变量所指向的内存块。函数TlsFree用于释放TLS slot index。

在Win32线程信息块（英语：Win32 Thread Information Block）的FS:[0x2C]地址处，存放的是线程局部存储表的地址。[1]每个线程用它自己的线程局部存储表的拷贝。TlsAlloc返回表中一个未使用的索引。因此每个线程可以用TlsSetValue(index)设置线程局部存储值，用TlsGetValue(index)获取线程局部存储值。

Windows可执行程序也可以定义一个节（section），映射到进程每个线程的不同的内存分页。这种节只定义在主程序里，动态链接库（DLL）不应该包含这种节因为不会被LoadLibrary函数在加载时初始化。

对于Windows系统来说，全局变量或静态变量会被放到".data"或".bss"段中，但当使用__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。对于一个TLS变量来说，它有可能是一个C++的全局对象，那么每个线程在启动时不仅仅是复制".tls"的内容那么简单，还需要把这些TLS对象初始化，必须逐个地调用它们的全局构造函数，而且当线程退出时，还要逐个地将它们析构，正如普通的全局对象在进程启动和退出时都要构造、析构一样。Windows PE文件的结构中有个叫数据目录的结构。它总共有16个元素，其中有一元素下标为IMAGE_DIRECT_ENTRY_TLS，这个元素中保存的地址和长度就是TLS表（IMAGE_TLS_DIRECTORY结构）的地址和长度。TLS表中保存了所有TLS变量的构造函数和析构函数的地址，Windows系统就是根据TLS表中的内容，在每次线程启动或退出时对TLS变量进行构造和析构。TLS表本身往往位于PE文件的".rdata"段中。

Pthreads的实现

Pthreads API定义了线程特定的数据。

函数pthread_key_create与pthread_key_delete创建与删除一个键，用于线程特定的数据。键的类型被称为pthread_key_t。键可以被所有线程看到。在每个线程，键可以用pthread_setspecific函数关联到线程特定的数据。数据可以随后用pthread_getspecific函数获取。

特定于语言的实现

C and C++

C11的关键字_Thread_local用于定义线程局部变量。在头文件<threads.h>定义了thread_local为上述关键词的同义。例如： 

#include <threads.h>
thread_local int foo = 0;

C++11引入了thread_local[2]关键字用于下述情形：

  • 命名空间(全局)变量
  • 文件静态变量
  • 函数静态变量
  • 静态成员变量

此外，不同编译器提供了各自的方法声明线程局部变量：

Windows的版本早于Vista与Server 2008, __declspec(thread)对于DLL只用于DLL被可执行程序绑定静态加载，在LoadLibrary()函数动态加载DLL将报告protection fault或data corruption。[9]

Java

Java语言中，线程局部变量使用ThreadLocal类对象表示。ThreadLocal保持了变量的类型T，可以通过get/set方法访问。例如，ThreadLocal保持了Integer值： 

private static final ThreadLocal<Integer> myThreadLocalInteger = new ThreadLocal<Integer>();

Oracle/OpenJDK使用操作系统线程以避免性能代价。[10]

.NET 语言: C# 与Visual Basic.Net

.NET Framework语言，静态域可标记ThreadStatic attribute （页面存档备份，存于互联网档案馆）: 

class FooBar {
   [ThreadStatic] static int foo;
}

.NET 4.0，System.Threading.ThreadLocal<T> （页面存档备份，存于互联网档案馆）可用于分配与惰性装入线程局部变量。 

class FooBar {
   private static System.Threading.ThreadLocal<int> foo;
}

Also an API is available for dynamically allocating thread-local variables.

Python

Python语言从版本2.4开始，threading模块的local类可用于创建线程局部存储： 

import threading
mydata = threading.local()
mydata.x = 1

Ruby

Ruby语言能创建/访问线程局部变量使用[]=/[]方法: 

Thread.current[:user_id] = 1

参考文献

  1. ^ Pietrek, Matt. Under the Hood. MSDN. May 2006 [6 April 2010]. （原始内容存档于2016-03-03）. 
  2. ^ Section 3.7.2 in C++11 standard
  3. ^ IBM XL C/C++: Thread-local storage （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  4. ^ GCC 3.3.1: Thread-Local Storage （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  5. ^ Clang 2.0: release notes （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  6. ^ Intel C++ Compiler 8.1 (linux) release notes: Thread-local Storage （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  7. ^ Visual Studio 2003: Thread extended storage-class modifier （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  8. ^ Intel C++ Compiler 10.0 (Windows平台): Thread-local storage （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  9. ^ "Rules and Limitations for TLS". [2018-09-13]. （原始内容存档于2008-04-04）. 
  10. ^ How is Java's ThreadLocal implemented under the hood?. Stack Overflow. Stack Exchange. [27 December 2015]. （原始内容存档于2020-08-09）. 

外部链接

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