聊一聊 C# 的线程本地存储TLS到底是什么

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有朋友在后台留言让我说一下C#的 ThreadStatic 线程本地存储是怎么玩的?这么说吧,C#的ThreadStatic是假的,因为C#完全是由CLR(C++)承载的,言外之意C#的线程本地存储,用的就是用C++运行时提供的 __declspec(thread) 或 __thread 来虚构的一套玩法,这一篇我们就来简单聊一聊。


一:背景

1. 讲故事

有朋友在后台留言让我说一下C#的 ThreadStatic 线程本地存储是怎么玩的?这么说吧,C#的ThreadStatic是假的,因为C#完全是由CLR(C++)承载的,言外之意C#的线程本地存储,用的就是用C++运行时提供的 __declspec(thread)__thread 来虚构的一套玩法,这一篇我们就来简单聊一聊。

二:C# 的线程本地存储

1. 虚构在哪里

在 C# 中使用ThreadStatic就可以将变量和线程进行绑定,参考代码如下:

     internal class Program     {         [ThreadStatic]         public static int num = 10;          static void Main(string[] args)         {             Console.WriteLine($"num={num}");              Debugger.Break();         }     }  

在 CLR 中如何将 num 与 Thread 绑定呢?研究过 CLR 源码的朋友应该知道是用 ThreadLocalInfo 的,参考代码如下:

 #ifdef _MSC_VER __declspec(selectany) __declspec(thread) ThreadLocalInfo gCurrentThreadInfo; #else EXTERN_C __thread ThreadLocalInfo gCurrentThreadInfo; #endif  struct ThreadLocalInfo {     Thread* m_pThread;     AppDomain* m_pAppDomain; // This field is read only by the SOS plugin to get the AppDomain     void** m_EETlsData; // ClrTlsInfo::data };  

上面的 m_pThread 就是 C# Thread 在 CLR 层面的承载,怎么去验证呢?可以把代码跑起来,然后用 windbg 验证一下。

 0:000> dt coreclr!gCurrentThreadInfo    +0x000 m_pThread        : 0x000001e3`506c5fa0 Thread    +0x008 m_pAppDomain     : 0x000001e3`506ba9b0 AppDomain    +0x010 m_EETlsData      : 0x000001e3`506aa360  -> (null)   0:000> !t ThreadCount:      3 UnstartedThread:  0 BackgroundThread: 2 PendingThread:    0 DeadThread:       0 Hosted Runtime:   no                                                                                                             Lock    DBG   ID     OSID ThreadOBJ           State GC Mode     GC Alloc Context                  Domain           Count Apt Exception    0    1     2e04 000001E3506C5FA0    2a020 Preemptive  000001E3521DCE80:000001E3521DD4A8 000001e3506ba9b0 -00001 MTA     6    2     4ef8 000001E3506F1A30    21220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000001e3506ba9b0 -00001 Ukn (Finalizer)     7    3     3550 000001E3726A0AE0    2b220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000001e3506ba9b0 -00001 MTA   

从卦中可以清楚的看到 m_pThread=0x000001e3506c5fa0 就是我们的主线程,最后的 num 就是放在与之关联的 ThreadLocalModule 中,这个比较简单,关注下汇编代码就好了,下面的 rax 就是 ThreadLocalModule。

 00007ffb`218d2c2c 48b9b07b9921fb7f0000 mov rcx,7FFB21997BB0h 00007ffb`218d2c36 ba04000000      mov     edx,4 00007ffb`218d2c3b e8001fb55f      call    coreclr!JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase (00007ffb`81424b40) 00007ffb`218d2c40 8b4820          mov     ecx,dword ptr [rax+20h] 00007ffb`218d2c43 894dfc          mov     dword ptr [rbp-4],ecx  0:000> dp rax+0x20 L1 00000294`d0539790  abababab`0000000a  

CLR层面用了太多的高层虚构来玩了一套线程本地存储,其实最核心的还要理解再下一层的 __declspec(selectany) ,接下来聊聊这玩意是怎么玩的。

2. __declspec(selectany) 是怎么玩的

在Windows层面的术语中,有两种 TLS 技术。

  • 动态TLS

借助 Windows 提供的 TlsAlloc, TlsSetValue 之类的方法来实现,并且存放在线程 _TEB.TlsSlots 的槽位中,参考代码如下:

 0:000> dt 0x000000f4f0ca6000 ntdll!_TEB    +0x000 NtTib            : _NT_TIB    ...    +0x1480 TlsSlots         : [64] (null)     ...  
  • 静态TLS

C#的线程本地存储用的就是静态TLS,也就是在编译时就已经声明好的,在 PE 文件里面有一个 .tls 节点,这个节点的数据会被每个线程在heap堆上copy一份,存放在 _TEB.ThreadLocalStoragePointer 来指向的指针数组中,参考代码如下:

 0:000> dt 0x000000f4f0ca6000 ntdll!_TEB    +0x000 NtTib            : _NT_TIB    +0x058 ThreadLocalStoragePointer : 0x00000294`d0536ab0 Void    ...  

动态的TLS我就不介绍了,这里着重说一下静态的TLS。

3. 静态TLS详解

为了方便讲解,先上一段测试代码。

 #include <windows.h> #include <stdio.h> #include <limits.h>   __declspec(thread) int i = INT_MAX; __declspec(thread) int j = INT_MAX;  int main() { 	int num1 = i; 	int num2 = j; 	printf("i=%d,j=%d", num1, num2); }  

上面的 i,j 值在编译时就已经放到了 PE 头的 .tls 节,可以用 PPEE 观察下对象头。

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从卦中可以看到 .tls 占用了 0x400 字节大小,并且用 WinHex 真的观察到了 i,j 的值,挺有意思。

在内存中TLS区比这个还小一点,可以观察一下 DIRECTORY_ENTRY_TLS 节的 StartAddressOfRawData 和 EndAddressOfRawData 字段,这也是每个线程copy的原始内存区域,可以看到只有 0x20D ,大概少了一半,截图如下:

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有了这些前置知识,接下来观察内存中的地址,在运行之前先把 ASLR 关掉,汇编代码参考如下:

   //int num1 = i;    14 00411895 a1b4a14100      mov     eax,dword ptr [ConsoleApplication2!_tls_index (0041a1b4)]    14 0041189a 648b0d2c000000  mov     ecx,dword ptr fs:[2Ch]    14 004118a1 8b1481          mov     edx,dword ptr [ecx+eax*4]    14 004118a4 8b8208010000    mov     eax,dword ptr [edx+108h]    14 004118aa 8945f8          mov     dword ptr [ebp-8],eax     //int num2 = j;    15 004118ad a1b4a14100      mov     eax,dword ptr [ConsoleApplication2!_tls_index (0041a1b4)]    15 004118b2 648b0d2c000000  mov     ecx,dword ptr fs:[2Ch]    15 004118b9 8b1481          mov     edx,dword ptr [ecx+eax*4]    15 004118bc 8b8204010000    mov     eax,dword ptr [edx+104h]    15 004118c2 8945ec          mov     dword ptr [ebp-14h],eax  

可以看到每一句大概会生成 5 行汇编代码,我们简单分析下。

  • ConsoleApplication2!_tls_index (0041a1b4)

这个值就是 PE 头的 AddressOfIndex 值,可以再回头观察下,里面存的就是 tls 索引,当前是 0 ,参考如下:

 0:000> dp 0041a1b4 L1 0041a1b4  00000000  
  • fs:[2Ch]

在用户态层面上 fs 指向的是当前线程的 TEB 结构,其中的 2C 偏移指的就是 ThreadLocalStoragePointer 结构,windbg 观察如下:

 0:000> dg fs                                   P Si Gr Pr Lo Sel    Base     Limit     Type    l ze an es ng Flags ---- -------- -------- ---------- - -- -- -- -- -------- 0053 002bc000 00000fff Data RW Ac 3 Bg By P  Nl 000004f3  0:000> dt 0x002bc000 ntdll!_TEB    +0x000 NtTib            : _NT_TIB    +0x01c EnvironmentPointer : (null)     +0x020 ClientId         : _CLIENT_ID    +0x028 ActiveRpcHandle  : (null)     +0x02c ThreadLocalStoragePointer : 0x00664400 Void    ...  
  • edx,dword ptr [ecx+eax*4]

这句汇编是一个数组操作,翻译成 C 就是 ThreadLocalStoragePointer[tls]

 0:000> dp 0x00664400 L1 00664400  00664448  

这里要提醒的是:上面的 00664448 所在的 heap 位置其实就是 PE 头里的 StartAddressOfRawData~EndAddressOfRawData内存区域的 copy,截图如下:

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  • eax,dword ptr [edx+108h]

这句话的意思就是在 数组元素1 这个结构上偏移108的位置存放着我们的 num 值,用 windbg 观察之后果然就是的。

 0:000> dp 00664448+0x108 L1 00664550  7fffffff  

三:总结

C# 属于一种业务高层抽象的语言,它的很多底层被C++再次隔离了,想要理解本篇的TLS,还得需要往下一层一层的击穿,作为C#程序员太难了。

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