本文為線程本地存儲TLS系列之分類和原理。
一、TLS簡述和分類
我們知道在一個進(jìn)程中，所有線程是共享同一個地址空間的。所以，如果一個變量是全局的或者是靜態(tài)的，那么所有線程訪問的是同一份，如果某一個線程對其進(jìn)行了修改，也就會影響到其他所有的線程。不過我們可能并不希望這樣，所以更多的推薦用基于堆棧的自動變量或函數(shù)參數(shù)來訪問數(shù)據(jù)，因為基于堆棧的變量總是和特定的線程相聯(lián)系的。
不過如果某些時候（比如可能是特定設(shè)計的dll），我們就是需要依賴全局變量或者靜態(tài)變量，那有沒有辦法保證在多線程程序中能訪問而不互相影響呢？答案是有的。操作系統(tǒng)幫我們提供了這個功能——TLS線程本地存儲。TLS的作用是能將數(shù)據(jù)和執(zhí)行的特定的線程聯(lián)系起來。
實現(xiàn)TLS有兩種方法：靜態(tài)TLS和動態(tài)TLS。以下我們將分別說明這兩類TLS。
二、靜態(tài)TLS
1、使用靜態(tài)TLS
之所以先講靜態(tài)TLS，是因為他在代碼中使用時非常簡單，我們只需寫類似如下這一句：
__declspec(thread) DWORD myTLSData=0;
我們就為本程序中的每一個線程創(chuàng)建了一個獨立的DWORD數(shù)據(jù)。
__declspec(thread)的前綴是Microsoft添加給Visual C++編譯器的一個修改符。它告訴編譯器，對應(yīng)的變量應(yīng)該放入可執(zhí)行文件或DLL文件中它的自己的節(jié)中。__declspec(thread)后面的變量必須聲明為函數(shù)中（或函數(shù)外）的一個全局變量或靜態(tài)變量。不能聲明一個類型為__declspec(thread)的局部變量，你想，因為局部變量總是與特定的線程相聯(lián)系的，如果再加上這個聲明是代表什么意思？
2、靜態(tài)TLS原理
靜態(tài)TLS的使用是如此簡單，那么當(dāng)我們寫了如上代碼以后，操作系統(tǒng)和編譯器是怎么處理的呢？
首先，在編譯器對程序進(jìn)行編譯時，它會將所有聲明的TLS變量放入它們自己的節(jié)，這個節(jié)的名字是.tls。而后鏈接程序?qū)碜运袑ο竽K的所有.tls節(jié)組合起來，形成結(jié)果的可執(zhí)行文件或DLL文件中的一個大的完整的.tls節(jié)。
然后，為了使含有靜態(tài)TLS的程序能夠運行，操作系統(tǒng)必須參與其操作。當(dāng)TLS應(yīng)用程序加載到內(nèi)存中時，系統(tǒng)要尋找可執(zhí)行文件中的.tls節(jié)，并且動態(tài)地分配一個足夠大的內(nèi)存塊，以便存放所有的靜態(tài)TLS變量。應(yīng)用程序中的代碼每次引用其中的一個變量時，就要轉(zhuǎn)換為已分配內(nèi)存塊中包含的一個內(nèi)存位置。因此，編譯器必須生成一些輔助代碼來引用該靜態(tài)TLS變量，這將使你的應(yīng)用程序變得比較大而且運行的速度比較慢。在x86 CPU上，將為每次引用的靜態(tài)TLS變量生成3個輔助機(jī)器指令。如果在進(jìn)程中創(chuàng)建了另一個線程，那么系統(tǒng)就要將它捕獲并且自動分配另一個內(nèi)存塊，以便存放新線程的靜態(tài)TLS變量。新線程只擁有對它自己的靜態(tài)TLS變量的訪問權(quán)，不能訪問屬于其他線程的TLS變量。
以上是包含靜態(tài)TLS變量的可執(zhí)行文件如何運行的情況。我們再來看看DLL的情況：
a、隱式鏈接包含靜態(tài)TLS變量的DLL
如果應(yīng)用程序使用了靜態(tài)TLS變量，并且隱式鏈接包含靜態(tài)TLS變量的DLL時，當(dāng)系統(tǒng)加載該應(yīng)用程序時，它首先要確定應(yīng)用程序的.tls節(jié)的大小，并將這個值與應(yīng)用程序鏈接的DLL中的所有.tls節(jié)的大小相加。當(dāng)在你的進(jìn)程中創(chuàng)建線程時，系統(tǒng)自動分配足夠大的內(nèi)存塊來存放所有應(yīng)用程序聲明的和所有隱含鏈接的DLL包含的TLS變量。
b、顯式鏈接包含靜態(tài)TLS變量的DLL
考慮一下，當(dāng)我們的應(yīng)用程序通過調(diào)用LoadLibrary，以便顯式鏈接到包含靜態(tài)TLS變量的DLL時，會發(fā)生什么情況呢？系統(tǒng)必須查看該進(jìn)程中已經(jīng)存在的所有線程，并擴(kuò)大它們的TLS內(nèi)存塊，以便適應(yīng)新DLL對內(nèi)存的需求。另外，如果調(diào)用FreeLibrary來釋放包含靜態(tài)TLS變量的DLL，那么與進(jìn)程中的每個線程相關(guān)的的TLS內(nèi)存塊又都應(yīng)該被壓縮。
對于操作系統(tǒng)來說，這樣的管理任務(wù)太重了。所以，雖然系統(tǒng)允許包含靜態(tài)TLS變量的庫在運行期進(jìn)行顯式加載，但是其包含TLS數(shù)據(jù)卻沒有進(jìn)行相應(yīng)的初始化。如果試圖訪問這些數(shù)據(jù)，就可能導(dǎo)致訪問違規(guī)！
所以，請記?。喝绻硞€DLL包含靜態(tài)TLS數(shù)據(jù)，請不要對這個DLL采用顯式鏈接的方式，否則可能會出錯！
三、動態(tài)TLS
1、使用動態(tài)TLS
動態(tài)TLS在程序?qū)崿F(xiàn)中比靜態(tài)TLS要稍微麻煩一些，需要通過一組函數(shù)來實現(xiàn)：
DWORD TlsAlloc();//返回TLS數(shù)組可用位置的索引
BOOL TlsSetValue(DWORD dwTlsIndex, LPVOID lpTlsValue); //將調(diào)用線程的TLS數(shù)組索引dwTlsIndex處設(shè)為值lpTlsValue
LPVOID TlsGetValue(DWORD dwTlsIndex); //返回調(diào)用線程的TLS數(shù)組dwTlsIndex索引處的值
BOOL TlsFree(DWORD dwTlsIndex); //釋放所有線程的TLS數(shù)組位置索引dwTlsIndex，將該位置標(biāo)記為未使用。
有了以上四個函數(shù)，我們可以發(fā)現(xiàn)使用動態(tài)TLS其實還是很容易很方便的。
2、動態(tài)TLS原理
讓我們看看windows用來管理TLS的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
線程本地存儲器的位標(biāo)志顯示了該進(jìn)程中所有運行的線程正在使用的一組標(biāo)志。每個標(biāo)志均可設(shè)置為FREE或者INUSE，表示TLS插槽(slot)是否正在使用。Microsoft保證至少TLS_MINIMUM_AVAILABLE位標(biāo)志是可供使用的。另外，TLS_MINIMUM_AVAILABLE在WinNT.h中被定義為64。Windows2000將這個標(biāo)志數(shù)組擴(kuò)展為允許有1000個以上的TLS插槽。
而每一個線程擁有一個自己獨立的TLS slot數(shù)組，用于存儲TLS數(shù)據(jù)。
為了使用動態(tài)TLS，我們首先調(diào)用TlsAlloc()來命令系統(tǒng)對進(jìn)程的位標(biāo)志進(jìn)行掃描，找到一個可用的位置，并返回該索引；如果找不到，就返回TLS_OUT_OF_INDEXES。事實上，除此之外，TlsAlloc函數(shù)還會自動清空所有線程的TLS數(shù)組的對應(yīng)索引的值。這避免以前遺留的值可能引起的問題。
然后，我們就可以調(diào)用TlsSetValue函數(shù)將對應(yīng)的索引位保存一個特定的值，可以調(diào)用TlsGetValue()來返回該索引位的值。注意，這兩個函數(shù)并不執(zhí)行任何測試和錯誤檢查，我們必須要保證索引是通過TlsAlloc正確分配的。
當(dāng)所有線程都不需要保留TLS數(shù)組某個索引位的時候，應(yīng)該調(diào)用TlsFree。該函數(shù)告知系統(tǒng)將進(jìn)程的位標(biāo)志數(shù)組的index位置為FREE狀態(tài)。如果運行成功，函數(shù)返回TRUE。注意，如果試圖釋放一個沒有分配的索引位，將產(chǎn)生一個錯誤。
動態(tài)TLS的使用相對靜態(tài)TLS稍微麻煩一點，但是無論是將其用在可執(zhí)行文件中還是DLL中，都還是很簡單的。而且當(dāng)用在DLL中時，沒有由于DLL鏈接方式而可能產(chǎn)生的問題，所以，如果要在DLL中用TLS，又不能保證客戶始終采用隱式鏈接方式，那么請采用動態(tài)TLS的實現(xiàn)。
主要參考文檔《windows核心編程》。