聊一聊 C# 的线程本地存储TLS到底是什么
聊一聊 C# 的线程本地存储TLS到底是什么
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) 或 __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。
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：
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：
- 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。
