线程局部存储
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线程局部存储(英语:Thread-local storage,缩写: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
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线程资讯块的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
[编辑]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
[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:
- Solaris Studio C/C++, IBM XL C/C++,[3] GNU C,[4] Clang[5]与Intel C++ Compiler (Linux平台)[6]使用语法:
__thread int number;
- Visual C++,[7] Intel C/C++ (Windows systems),[8] C++Builder, 与Digital Mars C++ 使用语法:
__declspec(thread) int number;
- C++Builder也可以使用语法:
int __thread number;
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Visual Basic.Net
[编辑].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
[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]- ^ Pietrek, Matt. Under the Hood. MSDN. May 2006 [6 April 2010]. (原始内容存档于2016-03-03).
- ^ Section 3.7.2 in C++11 standard
- ^ IBM XL C/C++: Thread-local storage (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- ^ GCC 3.3.1: Thread-Local Storage (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- ^ Clang 2.0: release notes (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- ^ 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)
- ^ Visual Studio 2003: Thread extended storage-class modifier (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- ^ 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)
- ^ "Rules and Limitations for TLS". [2018-09-13]. (原始内容存档于2008-04-04).
- ^ 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
[编辑]- ELF Handling For Thread-Local Storage (页面存档备份,存于互联网档案馆) — Document about an implementation in C or C++.
- ACE_TSS< TYPE > Class Template Reference
- RWTThreadLocal<Type> Class Template Documentation
- Article "Use thread-local Storage to Pass Thread Specific Data (页面存档备份,存于互联网档案馆)" by Doug Doedens
- "Thread-Local Storage (页面存档备份,存于互联网档案馆)" by Lawrence Crowl
- Article "It's Not Always Nice To Share (页面存档备份,存于互联网档案馆)" by Walter Bright
- Practical ThreadLocal usage in Java: https://web.archive.org/web/20161220151503/https://www.captechconsulting.com/blogs/a-persistence-pattern-using-threadlocal-and-ejb-interceptors
- GCC "[1] (页面存档备份,存于互联网档案馆)"