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。