被 C# 的 ThreadStatic 标记的静态变量,都存放在哪里了?

原创
2020/11/23 11:47
阅读数 240

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<intstring> cachedDict = new Dictionary<intstring>();
    }

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<intstring> cachedDict = new Dictionary<intstring>();
    }

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<intstring>();
                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<intstring>();
                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<intstring> cachedDict = new Dictionary<intstring>();
    }

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  90000001B599CF4930    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!


本文分享自微信公众号 - 一线码农聊技术(dotnetfly)。
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