最后看一下什么是线程本地存储（TLS）

阳光穿透心脏的1/2处 2022-09-15 11:47 27阅读 0赞

线程本地存储又叫线程局部存储，英文名称为Thread Local Storage，简称TLS，实质上是线程私有的全局变量而已。

普通全局变量在多线程中是共享的，一个线程对其进行了修改，其它所有线程都可以看到，而线程私有的全局变量与普通全局变量不同，线程私有的全局变量是线程的私有财产，每个线程都有自己的一个副本，某个线程对其做出的修改只会修改到自己的副本，并不会修改到其它线程的副本。

来看个普通的全部变量的例子：

#include <stdio.h>#include <pthread.h>int g = 0;  // 1，定义全局变量g并赋初值0void *start(void *arg){
         printf("start, g[%p] : %d\n", &g, g); // 4，子线程中打印全局变量g的地址和值  g++; // 5，修改全局变量  return NULL;}int main(int argc, char *argv[]){
         pthread_t tid;  g = 100;  // 2，主线程给全局变量g赋值为100  pthread_create(&tid, NULL, start, NULL); // 3， 创建子线程执行start()函数  pthread_join(tid, NULL); // 6，等待子线程运行结束  printf("main, g[%p] : %d\n", &g, g); // 7，打印全局变量g的地址和值  return 0;}

上述程序注释1的地方定义了一个普通全局变量g并设置其初始值为0，程序运行后主线程首先将g修改为100（注释2），然后创建了一个子线程来执行start函数（注释3），start先打印出g的值（注释4）来确认在子线程中可以看到主线程对g的修改，之后修改g的值（注释5），然后start结束运行，主线程在注释6处等待start运行完毕后，在注释7处打印g的值来确认start对g的修改可以影响到主线程对g的读取。

编译并运行上述程序：

$ gcc thread.c -o thread -lpthread$ ./threadstart, g[0x601064] : 100main, g[0x601064] : 101

可以看到，g在两个线程中的内存地址都是一样的，任何一个线程都可以读取到另外一个线程对g的修改，实现了全局变量在多线程中的共享。

之后再来看线程本地存储（TLS）实现的私有的全局变量。

下例代码与上述例子大体相似，差别就是在定义g时新增\_\_thread关键字，如此就g就变成了线程私有的全局变量，案例如下：

#include <stdio.h>#include <pthread.h>__thread int g = 0;  // 1，这里增加了__thread关键字，把g定义成私有的全局变量，每个线程都有一个g变量void *start(void *arg){
         printf("start, g[%p] : %d\n", &g, g); // 4，打印本线程私有全局变量g的地址和值  g++; // 5，修改本线程私有全局变量g的值  return NULL;}int main(int argc, char *argv[]){
         pthread_t tid;  g = 100;  // 2，主线程给私有全局变量赋值为100  pthread_create(&tid, NULL, start, NULL); // 3，创建子线程执行start()函数  pthread_join(tid, NULL);  // 6，等待子线程运行结束  printf("main, g[%p] : %d\n", &g, g); // 7，打印主线程的私有全局变量g的地址和值  return 0;}

执行结果如下：

$ gcc -g thread.c -o thread -lpthread$ ./threadstart, g[0x7f0181b046fc] : 0main, g[0x7f01823076fc] : 100

可看出g在两线程中内存地址是不一致的，main对g的赋值并未影响到start线程g的值，start对g做的修改也并未影响到main主线程，说明各线程都有个私有的全局变量g。

接下来使用调试工具gdb来调试程序，看看编译器gcc是如何实现这个特性的。

$ gdb ./thread

先在源码中的g = 100处下一个断点，运行程序之后反汇编main，得到如下内容：

(gdb) b thread.c:20Breakpoint 1 at 0x400793: file thread.c, line 20.(gdb) rStarting program: /home/bobo/study/c/threadBreakpoint 1, at thread.c:2020g = 100;(gdb) disassDump of assembler code for function main:  0x0000000000400775 <+0>:push   %rbp  0x0000000000400776 <+1>:mov   %rsp,%rbp  0x0000000000400779 <+4>:sub   $0x20,%rsp  0x000000000040077d <+8>:mov   %edi,-0x14(%rbp)  0x0000000000400780 <+11>:mov   %rsi,-0x20(%rbp)  0x0000000000400784 <+15>:mov   %fs:0x28,%rax  0x000000000040078d <+24>:mov   %rax,-0x8(%rbp)  0x0000000000400791 <+28>:xor   %eax,%eax=> 0x0000000000400793 <+30>:movl   $0x64,%fs:0xfffffffffffffffc  0x000000000040079f <+42>:lea   -0x10(%rbp),%rax  0x00000000004007a3 <+46>:mov   $0x0,%ecx  0x00000000004007a8 <+51>:mov   $0x400736,%edx  0x00000000004007ad <+56>:mov   $0x0,%esi  0x00000000004007b2 <+61>:mov   %rax,%rdi  0x00000000004007b5 <+64>:callq 0x4005e0 <pthread_create@plt>  0x00000000004007ba <+69>:mov   -0x10(%rbp),%rax  0x00000000004007be <+73>:mov   $0x0,%esi  0x00000000004007c3 <+78>:mov   %rax,%rdi  0x00000000004007c6 <+81>:callq 0x400620 <pthread_join@plt>  0x00000000004007cb <+86>:mov   %fs:0xfffffffffffffffc,%eax  0x00000000004007d3 <+94>:mov   %eax,%esi  0x00000000004007d5 <+96>:mov   $0x4008df,%edi  0x00000000004007da <+101>:mov   $0x0,%eax  0x00000000004007df <+106>:callq 0x400600 <printf@plt>  ......

程序停在了g = 100这一行，对应上述指令中有=>标识的一行，这条指令的含义就是将常量100（0x64）复制到内存地址为%fs:0xfffffffffffffffc，fs是段寄存器，0xfffffffffffffffc是有符号的数字-4，所以全局变量g的地址就是fs段基地址减去4。

之前聊《[聊一聊基础的CPU寄存器~][CPU]》时提到过，段基地址就是段的起始地址，为了验证g的地址确实是fs段基地址减去4，需先知道fs段基地址是多少。

虽然可用gdb指令查看fs中的值，但fs存放的是段选择子（segment selector），而不是该段的起始地址，为了拿到该段基地址，就需要调整一下代码了，如下：

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <pthread.h>#include <asm/prctl.h>#include <sys/prctl.h>__thread int g = 0;void print_fs_base(){
         unsigned long addr;  int ret = arch_prctl(ARCH_GET_FS, &addr);  //获取fs段基地址  if (ret < 0) {
           perror("error");    return;  }  printf("fs base addr: %p\n", (void *)addr); //打印fs段基址  return;}void *start(void *arg){
         print_fs_base(); //子线程打印fs段基地址  printf("start, g[%p] : %d\n", &g, g);  g++;  return NULL;}int main(int argc, char *argv[]){
         pthread_t tid;  g = 100;  pthread_create(&tid, NULL, start, NULL);  pthread_join(tid, NULL);  print_fs_base(); //main线程打印fs段基址  printf("main, g[%p] : %d\n", &g, g);  return 0;}

上述代码中主线程和子线程都调用了print\_fs\_base()函数用于打印fs栈基地址，运行结果如下：

fs base addr: 0x7f36757c8700start, g[0x7f36757c86fc] : 0fs base addr: 0x7f3675fcb700main, g[0x7f3675fcb6fc] : 100

可以看到，子线程fs栈基地址为0x7f36757c8700，g地址为0x7f36757c86fc，正好是fs段基地址减去4，主线程fs栈基地址为0x7f3675fcb700，g地址为0x7f3675fcb6fc，正好也是fs段基地址减去4。

到这里就可以推断出，编译器gcc（还有线程库和内核的支持）使用了CPU的fs段寄存器来实现线程本地存储（TLS），不同线程中fs栈基地址也是不一样的，如此看似是同一个全局变量在不同的线程中，却拥有不同的内存地址，实现了线程私有的全局变量。

本文简单介绍的是AMD64 Linux平台下gcc对本地线程存储的实现。

至此，理解Go里的runtime包中goroutine调度器需要准备的基础知识就结束了，后面的文章会结合实际来慢慢的聊主题内容，也就是goroutine调度器。

以上仅为个人观点，不一定准确，能帮到各位那是最好的。

好啦，到这里本文就结束了，喜欢的话就来个三连击吧。

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[CPU]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwMTI1OTc2NA==&mid=2247483934&idx=1&sn=e76f0f16745a956dd497bc5a2d0046ec&chksm=9add2385adaaaa93d962bca30a4b1c6c442f24f8ee087b78f5734125f0b18b5639c8b8dceabc&scene=21#wechat_redirect
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