线程局部存储分析
1 前言
在Linux C/C++编程时不可避免的会遇到以下的需求,全局变量线程共享;最为典型的功能则是
errno,变量 在程序的任何地方都可以访问,但是不会影响到其他线程,这就是本文档说明的TLS(线程局部存储变量)
如何创建并且使用TLS? 存在下面两种方法
- 线程库函数
- 编译器提供
下面分别进行说明分析
2 线程库函数
pthread提供了函数用来处理
TLS, 分别管理键值和数据
2.1 键值
typedef unsigned pthread_key_t;
int pthread_key_create(pthread_key_t *, void (*)(void *));
int pthread_key_delete(pthread_key_t);// 进程最多可以创建128个键值
#define PTHREAD_KEYS_MAX 1282.1.1 创建键值
pthread_key_create
- pthread_key_t 键值变量
- 析构函数(线程退出时,自动调用)
下面的代码为了减少篇幅和增加可读性,我删除了不少辅助代码;
pthread_key_t j = next_key;
do {
if (!keys[j]) {
keys[next_key = *k = j] = dtor;
return 0;
}
} while ((j=(j+1)%PTHREAD_KEYS_MAX) != next_key);2.1.2 销毁键值
pthread_key_delete
do {
td->tsd[k] = 0;
} while ((td=td->next)!=self);
keys[k] = 0;2.1.3 析构调用
pthread_tsd_run_dtors
线程退出__pthread_exit函数调用;
for (j=0; self->tsd_used && j<PTHREAD_DESTRUCTOR_ITERATIONS; j++) {
self->tsd_used = 0;
for (i=0; i < PTHREAD_KEYS_MAX; i++) {
void *val = self->tsd[i];
void (*dtor)(void *) = keys[i];
self->tsd[i] = 0;
if (val && dtor && dtor != nodtor) {
dtor(val);
}
}
}2.2 数据
void *pthread_getspecific(pthread_key_t);
int pthread_setspecific(pthread_key_t, const void *);
// 设置
self->tsd[k] = 私有数据;
self->tsd_used = 1;
// 读取
return self->tsd[k];3 编译器提供
musl线程库提供的私有数据还可以理解,但是
GCC的__thread变量就比较难以分析了,因此此时只能通过 汇编文件进行分析
給出测试程序
__thread int num;
int test(void)
{
return num;
}GCC生成的汇编语言
num:
test:
push {r7} @ 进入函数,保存现场
add r7, sp, #0 @ R7 = SP
mrc p15, 0, r3, c13, c0, 3 @ R3 = 线程号
ldr r2, .L3 @ R2 = &num
ldr r3, [r3, r2] @ R3 = *((int *)(R3 + R2))
mov r0, r3 @ R0 = R3
mov sp, r7 @ 恢复SP
ldr r7, [sp], #4 @ 恢复R7
bx lr @ return
.L3:
.word num(tpoff)但是到现在我们还是没有通过汇编理解原因,但是我们可以注意到一个可疑点.word num(tpoff),这个表达式中tpoff是什么?那么只好到GCC官网上看看是怎么处理的.
GCC Thread-Local Storage
同时可以得到一份文档ELF Handling For Thread-Local Storage;
那么就开始分析此文档
4 GCC TLS实现分析
GCC中__thread关键字的实现涉及多个层次，包括编译器、链接器、运行时库和操作系统的协作。以下是其实现机制的分析：
4.1 1. 编译阶段处理
- 关键字识别：GCC识别
__thread修饰的变量，将其标记为线程局部存储（TLS）类型（STT_TLS符号）。 - 段分配：
- 已初始化的TLS变量（如
__thread int x = 42;）被放置在.tdata段。 - 未初始化的TLS变量（如
__thread int y;）被放置在.tbss段。
- 已初始化的TLS变量（如
- 代码生成：根据目标架构和TLS模型生成访问指令。例如，x86-64使用
%fs或%gs段寄存器加偏移量：movl %fs:0x0, %eax # 访问偏移量为0的TLS变量
4.2 2. 链接阶段处理
- TLS模板：链接器收集所有
.tdata和.tbss段，生成TLS模板（在ELF中通过PT_TLS程序头描述）。 - 符号解析：为每个TLS变量分配偏移量，并生成动态重定位信息（若使用动态TLS模型）。
4.3 3. 运行时管理
- 线程创建：当新线程创建时（如通过
pthread_create），运行时库（如glibc）根据TLS模板为线程分配独立的TLS存储区域。 - 存储访问：
- 静态模型（如
local-exec）：直接通过段寄存器+固定偏移量访问，无需运行时计算。 - 动态模型（如
global-dynamic）：调用__tls_get_addr()函数动态获取变量地址。
- 静态模型（如
- 线程控制块（TCB）：每个线程的TCB包含指向其TLS存储的指针，通常通过段寄存器（如x86的
%fs）快速访问。
4.4 4. TLS模型与性能权衡
GCC支持多种TLS模型（通过-ftls-model指定）：
- global-dynamic：支持动态库，通过
__tls_get_addr()获取地址，灵活性高但速度较慢。 - local-exec：静态链接时确定偏移量，访问最快但无法用于动态库。
- initial-exec：通过GOT（全局偏移表）访问，适合动态库但要求库加载在进程启动时完成。
4.5 5. 跨平台与架构差异
- x86/x86-64：使用
%fs或%gs段寄存器存储TLS区块基址。 - ARM/AArch64：通过TPIDR_EL0（用户态TLS指针寄存器）访问。
- Windows：使用
__declspec(thread)，机制类似但实现细节不同（如.tls段和TLS回调函数）。
4.6 6. 动态库支持
动态库中的TLS变量需要额外处理：
- 加载动态库时，为所有现有线程分配该库的TLS空间。
- 使用
dlopen加载时，若TLS模型为global-dynamic，可能触发TLS扩容。
4.7 7. 调试与工具验证
- 查看ELF信息：
readelf -S a.out | grep -E '(tdata|tbss)' # 确认TLS段 readelf -l a.out | grep TLS # 查看PT_TLS程序头 - 汇编分析：
gcc -S tls.c -o tls.s # 生成汇编，观察TLS变量访问指令 - 调试验证：在GDB中查看不同线程的变量地址是否不同。
4.8 8. 示例代码分析
__thread int tls_var = 42;
int main() {
tls_var = 10; // 编译为 movl $10, %fs:0x0（假设偏移量0）
return 0;
}编译后的汇编可能直接使用段寄存器访问，或在动态模型中调用__tls_get_addr。
4.9 9. 初始化与销毁
- 主线程：TLS变量在程序启动时初始化。
- 新线程：TLS空间在创建时初始化，内容从模板拷贝。
- 析构函数：C++中带构造函数的TLS对象需注册析构，线程退出时调用。
4.10 总结
GCC的__thread实现通过协作的编译、链接和运行时机制，结合硬件特性（如段寄存器）和操作系统支持，为每个线程提供独立的变量存储。不同TLS模型在灵活性和性能之间权衡，开发者可根据场景选择最优模型。