被 C# 的 ThreadStatic 标记的静态变量，都存放在哪里了？
一：背景
1. 讲故事
前几天公号里有一位朋友留言说，你windbg玩的溜，能帮我分析下被 ThreadStatic 修饰的变量到底存放在哪里吗？能不能帮我挖出来😂😂😂，其实这个问题问的挺深的，玩高级语言的朋友相信很少有接触到这个的，虽然很多朋友都知道这个特性怎么用，当然我也没特别研究这个，既然要回答这个问题，我得研究研究回答之！为了更好的普适性，先从简单的说起！
二：ThreadStatic 的用法
1. 普通的 static 变量
相信很多朋友在代码中都使用过 static 变量，它的好处多多，比如说我经常会用 static 去做一个进程级缓存，从而提高程序的性能，当然你也可以作为一个非常好的一级缓存，如下代码：
public class Test
{
public static Dictionary<int, string> cachedDict = new Dictionary<int, string>();
}
刚才我也说到了，这是一个进程级的缓存，多个线程都看得见，所以在多线程的环境下，你需要特别注意同步的问题。要么使用锁，要么使用 ConcurrentDictionary，我觉得这也是一个思维定式，很多时候思维总是在现有基础上去修补，去亡羊补牢，而没有跳出这个思维从根基上去处理，说这么多是什么意思呢？我举一个例子：
在市面上常见的链式跟踪框架中，比如说： Zikpin，SkyWalking，会使用一些集合去存储跟踪当前线程的一些链路信息，比如说 A -> B -> C -> D -> B -> A，常规的思维就像上面说的一样，定义一个全局 cachedDict，然后使用各种同步机制，其实你也可以降低 cachedDict 的访问作用域，将 全局访问 改成 Thread级访问，这难道不是更好的解决思路吗？
2. 用 ThreadStatic 标记 static 变量
要想做到 Thread级作用域，实现起来非常简单，在 cachedDict 上打一个 ThreadStatic 特性即可，修改代码如下：
public class Test
{
[ThreadStatic]
public static Dictionary<int, string> cachedDict = new Dictionary<int, string>();
}
接下来可以开多个线程给 cachedDict 灌数据，看看 dict 是不是 Thread级作用域，实现代码如下：
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
var task1 = Task.Run(() =>
{
if (Test.cachedDict == null) Test.cachedDict = new Dictionary<int, string>();
Test.cachedDict.Add(1, "mary");
Test.cachedDict.Add(2, "john");
Console.WriteLine($"thread={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 的 dict 有记录: {Test.cachedDict.Count}");
});
var task2 = Task.Run(() =>
{
if (Test.cachedDict == null) Test.cachedDict = new Dictionary<int, string>();
Test.cachedDict.Add(3, "python");
Test.cachedDict.Add(4, "jaskson");
Test.cachedDict.Add(5, "elen");
Console.WriteLine($"thread={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 的 dict 有记录: {Test.cachedDict.Count}");
});
Console.ReadLine();
}
}
public class Test
{
[ThreadStatic]
public static Dictionary<int, string> cachedDict = new Dictionary<int, string>();
}
从结果来看，确实是一个 Thread 级，而且还避免了线程间同步开销，哈哈😄，这么神奇的东西，难怪有读者想看看底层到底是怎么实现的。
三：用 Windbg 挖 ThreadStatic
1. 对 TEB 和 TLS 的认识
- TEB (Thread Environment Block)
每一个线程都有一份属于自己专属的私有数据，这些数据就放在 Thread 的 TEB 中，如果你想看的话，可以在 windbg 中打印出来。
0:000> !teb
TEB at 0000001e1cdd3000
ExceptionList: 0000000000000000
StackBase: 0000001e1cf80000
StackLimit: 0000001e1cf6e000
SubSystemTib: 0000000000000000
FiberData: 0000000000001e00
ArbitraryUserPointer: 0000000000000000
Self: 0000001e1cdd3000
EnvironmentPointer: 0000000000000000
ClientId: 0000000000005980 . 0000000000005aa8
RpcHandle: 0000000000000000
Tls Storage: 000001b599d06db0
PEB Address: 0000001e1cdd2000
LastErrorValue: 0
LastStatusValue: c0000139
Count Owned Locks: 0
HardErrorMode: 0
从 teb 的结构中可以看出，既有 线程本地存储(TLS)，也有异常相关信息的存储 (ExceptionList) 等等相关信息。
- TLS (Thread Local Storage)
进程会在启动后给 TLS 分配总共 1088 个槽位，每个线程都会分配一个专属的 tlsindex 索引，并且拥有一组 slots 槽位，可以用 windbg 去验证一下。
0:000> !tls
Usage:
tls <slot> [teb]
slot: -1 to dump all allocated slots
{0-0n1088} to dump specific slot
teb: <empty> for current thread
0 for all threads in this process
<teb address> (not threadid) to dump for specific thread.
0:000> !tls -1
TLS slots on thread: 5980.5aa8
0x0000 : 0000000000000000
0x0001 : 0000000000000000
0x0002 : 0000000000000000
0x0003 : 0000000000000000
0x0004 : 0000000000000000
...
0x0019 : 0000000000000000
0x0040 : 0000000000000000
0:000> !t Lock
DBG ID OSID ThreadOBJ State GC Mode GC Alloc Context Domain Count Apt Exception
0 1 5aa8 000001B599CEED90 2a020 Preemptive 000001B59B9042F8:000001B59B905358 000001b599cdb130 1 MTA
5 2 90c 000001B599CF4930 2b220 Preemptive 0000000000000000:0000000000000000 000001b599cdb130 0 MTA (Finalizer)
7 3 74 000001B59B7272A0 102a220 Preemptive 0000000000000000:0000000000000000 000001b599cdb130 0 MTA (Threadpool Worker)
9 4 2058 000001B59B7BAFF0 1029220 Preemptive 0000000000000000:0000000000000000 000001b599cdb130 0 MTA (Threadpool Worker)
从上面的 {0-0n1088} to dump specific slot 中可以看出，进程中总会有 1088 个槽位，而且当前主线程 5aa8 拥有 27 个 slot 槽位。
好了，基本概念介绍完了，接下来准备分析一下汇编代码了。
2. 从汇编代码中寻找答案
为了更好的用 windbg 去挖，我就定义一个简单的 ThreadStatic int 变量，代码如下：
class Program
{
[ThreadStatic]
public static int i = 0;
static void Main(string[] args)
{
i = 10; // 12 line
var num = i;
Console.ReadLine();
}
}
接下来用 !U 反汇编一下 Main 函数的代码，着重看一下第 12 行代码的 i = 10;。
0:000> !U /d 00007ffbe0ae0ffb
E:\net5\ConsoleApp5\ConsoleApp5\Program.cs @ 12:
00007ffb`e0ae0fd6 48b9b0fbb7e0fb7f0000 mov rcx,7FFBE0B7FBB0h
00007ffb`e0ae0fe0 ba01000000 mov edx,1
00007ffb`e0ae0fe5 e89657a95f call coreclr!JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase (00007ffc`40576780)
00007ffb`e0ae0fea c7401c0a000000 mov dword ptr [rax+1Ch],0Ah
从汇编指令上来看，最后的 10 赋给了 rax+1Ch 的低32位，那 rax 的地址从哪里来的呢？可以看出核心逻辑在 JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase 方法内，接下来就得研究一下这个方法都干嘛了。
3. 调试核心函数 JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase
接下来在第 12 处设置一个断点 !bpmd Program.cs:12 处，方法的简化汇编代码如下：
coreclr!JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase:
00007ffc`2c38679a 448b0dd7894300 mov r9d, dword ptr [coreclr!_tls_index (00007ffc`2c7bf178)]
00007ffc`2c3867a1 654c8b042558000000 mov r8, qword ptr gs:[58h]
00007ffc`2c3867aa b908000000 mov ecx, 8
00007ffc`2c3867af 4f8b04c8 mov r8, qword ptr [r8+r9*8]
00007ffc`2c3867b3 4e8b0401 mov r8, qword ptr [rcx+r8]
00007ffc`2c3867b7 493b8060040000 cmp rax, qword ptr [r8+460h]
00007ffc`2c3867be 732b jae coreclr!JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase+0x6b (00007ffc`2c3867eb)
00007ffc`2c3867c0 4d8b8058040000 mov r8, qword ptr [r8+458h]
00007ffc`2c3867c7 498b04c0 mov rax, qword ptr [r8+rax*8]
00007ffc`2c3867cb 4885c0 test rax, rax
00007ffc`2c3867ce 741b je coreclr!JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase+0x6b (00007ffc`2c3867eb)
00007ffc`2c3867d0 8bca mov ecx, edx
00007ffc`2c3867d2 f644011801 test byte ptr [rcx+rax+18h], 1
00007ffc`2c3867d7 7412 je coreclr!JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase+0x6b (00007ffc`2c3867eb)
00007ffc`2c3867d9 488b4c2420 mov rcx, qword ptr [rsp+20h]
00007ffc`2c3867de 4833cc xor rcx, rsp
00007ffc`2c3867e1 e89a170600 call coreclr!__security_check_cookie (00007ffc`2c3e7f80)
00007ffc`2c3867e6 4883c438 add rsp, 38h
00007ffc`2c3867ea c3 ret
接下来我仔细分析下这里的 mov 操作。
1) dword ptr [coreclr!_tls_index (00007ffc`2c7bf178)]
这个很简单，获取该线程专属的 tls_index 索引
2) qword ptr gs:[58h]
这里的 gs:[58h] 是什么意思呢？ 应该有朋友知道，gs寄存器 是专门用于存放当前线程的 teb 地址，后面的 58 表示在 teb 地址上的偏移量，那问题来了，这个地址到底指向谁了呢？ 其实你可以把 teb 的数据结构给打印出来就明白了。
0:000> dt teb
coreclr!TEB
+0x000 NtTib : _NT_TIB
+0x038 EnvironmentPointer : Ptr64 Void
+0x040 ClientId : _CLIENT_ID
+0x050 ActiveRpcHandle : Ptr64 Void
+0x058 ThreadLocalStoragePointer : Ptr64 Void
+0x060 ProcessEnvironmentBlock : Ptr64 _PEB
...
上面这句 +0x058 ThreadLocalStoragePointer : Ptr64 Void 可以看出，其实就是指向 ThreadLocalStoragePointer 。
3) qword ptr [r8+r9*8]
有了前两步的基础，这句汇编就很简单了，它做了一个索引操作: ThreadLocalStoragePointer[tls_index] ，对不对，从而获取属于该线程的 tls 内容，这个 ThreadStatic 的变量就会存放在这个数组的某一个内存块中。
后续还有一些计算偏移的逻辑运算都基于这个 ThreadLocalStoragePointer[tls_index] 之上，方法调用绕来绕去，汇编没法看哈 😂😂😂
四：总结
总的来说，可以确定 ThreadStatic 变量 确实是存放在 TEB 的 ThreadLocalStoragePointer 数组中，这几天 NET5 的 CoreCLR 没有编译成功，大家如果感兴趣，可以 调试 CoreCLR + 汇编 做更深入的挖掘！
更多高质量干货：参见我的 GitHub: dotnetfly
