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wzjs 2025/8/18 18:33:41

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TLS的作用

TLS的实现

静态 TLS

动态 TLS

内部实现

回调机制

TLS Directory 的结构

TLS的作用

TLS (Thread Local Storage) 是一种用于为多线程应用程序提供线程独立存储空间的机制。在多线程程序中，每个线程可以有自己独特的一组数据，互不干扰。
保存线程状态数据（如线程上下文）。
避免线程之间共享全局变量导致的竞争和冲突。
为每个线程提供独立的缓存、统计等，不需要使用锁机制。

TLS的实现

静态 TLS

在编译时分配空间（通过 __declspec(thread) 或 thread_local 关键字）。

通过使用 __declspec(thread) 声明 TLS 数据。
静态 TLS 在编译时分配，系统会自动初始化和清理。
适用于预定义的 TLS 数据场景。

#include <windows.h>  
#include <stdio.h>  // 声明线程局部存储变量  
__declspec(thread) int tlsData = 0;  // 线程函数  
DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter) {  // 为当前线程初始化 TLS 数据  tlsData = (int)(size_t)lpParameter;  // 使用 TLS 数据  printf("Thread %d: TLS Data = %d\n", GetCurrentThreadId(), tlsData);  // 模拟工作  Sleep(1000);  return 0;  
}  int main() {  // 创建线程  const int threadCount = 3;  HANDLE threads[threadCount];  for (int i = 0; i < threadCount; ++i) {  threads[i] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, (LPVOID)(size_t)(i + 1), 0, NULL);  }  // 等待线程完成  WaitForMultipleObjects(threadCount, threads, TRUE, INFINITE);  // 清理句柄  for (int i = 0; i < threadCount; ++i) {  CloseHandle(threads[i]);  }  return 0;  
}

动态 TLS

运行时通过 API（如 TlsAlloc, TlsFree）动态管理。

使用 TlsAlloc() 分配一个 TLS 索引，动态管理每个线程的 TLS 数据。
每个线程负责分配、获取和释放自己的数据。

#include <windows.h>  
#include <stdio.h>  // 全局 TLS 索引  
DWORD g_TlsIndex;  // 线程函数  
DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter) {  // 为当前线程分配 TLS 数据  int* tlsData = (int*)malloc(sizeof(int));  *tlsData = (int)(size_t)lpParameter; // 将线程传递的参数放入 TLS 数据  TlsSetValue(g_TlsIndex, tlsData);  // 使用 TLS 数据  printf("Thread %d: TLS Data = %d\n", GetCurrentThreadId(), *tlsData);  // 模拟工作  Sleep(1000);  // 释放 TLS 数据  free(tlsData);  return 0;  
}  int main() {  // 1. 分配 TLS 索引  g_TlsIndex = TlsAlloc();  if (g_TlsIndex == TLS_OUT_OF_INDEXES) {  printf("Failed to allocate TLS Index\n");  return 1;  }  // 2. 创建线程  const int threadCount = 3;  HANDLE threads[threadCount];  for (int i = 0; i < threadCount; ++i) {  threads[i] = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, (LPVOID)(size_t)(i + 1), 0, NULL);  }  // 等待线程完成  WaitForMultipleObjects(threadCount, threads, TRUE, INFINITE);  // 3. 清理  for (int i = 0; i < threadCount; ++i) {  CloseHandle(threads[i]);  }  // 释放 TLS 索引  TlsFree(g_TlsIndex);  return 0;  
}

内部实现

每个线程都会分配一个线程环境块（Thread Environment Block，TEB），TEB 结构中包含一个用于存储 TLS 数据的区域：
动态 TLS 的数据存储在 TEB 的 TlsSlots 数组中，每个槽对应一个 TlsAlloc() 返回的索引。

静态 TLS 的数据在程序加载时由系统内存分配，并初始化到对应的线程。

特性	动态分配 TLS (Win32 API)	静态分配 TLS (__declspec(thread))
易用性	手动管理，需自己分配和释放 TLS 数据	自动完成线程初始化和销毁，使用方便
性能	每个访问可能需要一层索引查找，性能稍低	编译时分配，直接访问内存，性能高
生命周期	动态分配，程序员负责管理	生命周期由操作系统控制
灵活性	可以动态创建任意数量的 TLS	只能事先声明固定的 TLS 变量

回调机制

TLS 提供线程生命周期管理的机制：TLS 回调函数。这些回调函数会在以下情况下被调用：
线程附加（Thread Attach）：当线程启动时，初始化 TLS 数据。
线程分离（Thread Detach）：当线程结束时，清理 TLS 数据。

#include <windows.h>  #ifdef _WIN64  
#pragma comment (linker, "/INCLUDE:_tls_used")  
#else  
#pragma comment (linker, "/INCLUDE:__tls_used")  
#endif  //#pragma comment (linker, "/INCLUDE:pTLS_CALLBACKs")  _declspec(thread) DWORD dw = 0x12345678;
_declspec(thread) DWORD dw1 = 0xCCCCCCCC;void NTAPI TLS_CALLBACK(PVOID DllHandle, DWORD Reason, PVOID Reserved) //TLS callback function  
{}void NTAPI TLS_CALLBACK1(PVOID DllHandle, DWORD Reason, PVOID Reserved) //TLS callback function  
{}#ifdef _WIN64  
#pragma const_seg(".CRT$XLB")  
EXTERN_C const
#else  
#pragma data_seg(".CRT$XLX")  
#endif  PIMAGE_TLS_CALLBACK pTLS_CALLBACKs[] = { TLS_CALLBACK, TLS_CALLBACK1,0 };#ifdef _WIN64  
#pragma const_seg()  
#else  
#pragma data_seg()  
#endif  int main(void)
{return 0;
}

TLS Directory 的结构

TLS 数据由 IMAGE_TLS_DIRECTORY 结构描述，其定义如下

  typedef struct _IMAGE_TLS_DIRECTORY {  ULONGLONG StartAddressOfRawData;   // TLS 数据起始地址（RVA）  ULONGLONG EndAddressOfRawData;     // TLS 数据结束地址（RVA）  ULONGLONG AddressOfIndex;          // TLS 索引表地址  ULONGLONG AddressOfCallBacks;      // TLS 回调数组地址  DWORD SizeOfZeroFill;              // 初始化为零的大小  DWORD Characteristics;            // 保留字段（通常为 0）  
} IMAGE_TLS_DIRECTORY64, *PIMAGE_TLS_DIRECTORY64;

StartAddressOfRawData:
- 指的是 TLS 初始化数据段的起始地址。
- 这部分数据会复制到每个线程的 TLS 段中，作为初始化状态。
EndAddressOfRawData:
- TLS 初始化数据段的结束地址。
AddressOfIndex:
- 指向一个 TLS 索引（通常位于线程环境块 TEB 中），用于标识当前线程的 TLS 段。
AddressOfCallBacks:
- 指向一个回调函数指针数组。在线程创建或退出时，这些回调函数会依次被调用。
SizeOfZeroFill:
- 表示未初始化数据的大小，如果存在，则这部分数据会在 TLS 数据段初始化时清零。
Characteristics:
- 通常保留字段，值通常为 0。