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线程局部存储

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线程局部存储 (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[编辑]

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TlsGetValueTlsSetValue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

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(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[编辑]

Pthreads API定义了线程特定的数据。

函数pthread_key_createpthread_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[编辑]

C and C++[编辑]

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[编辑]

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Visuan Basic.Net[编辑]

.NET Framework语言,静态域可标记ThreadStatic attribute:

class FooBar {
   [ThreadStatic] static int foo;
}

.NET 4.0,System.Threading.ThreadLocal<T>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[编辑]

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[编辑]

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[编辑]

  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
  4. ^ GCC 3.3.1: Thread-Local Storage
  5. ^ Clang 2.0: release notes
  6. ^ Intel C++ Compiler 8.1 (linux) release notes: Thread-local Storage
  7. ^ Visual Studio 2003: Thread extended storage-class modifier
  8. ^ Intel C++ Compiler 10.0 (Windows平台): Thread-local storage
  9. ^ "Rules and Limitations for TLS"
  10. ^ How is Java's ThreadLocal implemented under the hood?. Stack Overflow. Stack Exchange. [27 December 2015]. 

外部链接[编辑]