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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();
- }
- }
复制代码 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
- };
复制代码 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
复制代码 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
复制代码 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。
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)
- ...
复制代码 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
- ...
复制代码 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);
- }
复制代码 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
复制代码 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
复制代码 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
- ...
复制代码
- 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
复制代码 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:
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
复制代码 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。
来源:https://www.cnblogs.com/huangxincheng/Undeclared/17940282
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